地质勘测研究先进技术及其应用概述

一、CoreScanner样芯元素分析与CT技术

        CoreScanner芯体元素分布与密度扫描分析系统由瑞典ITRAX公司研制生产，集成了X-光扫瞄成像技术（CT）、XRF元素分析技术及光学扫描成像技术等，可以对海洋湖沼等沉积样芯、地球地质样芯等的X-光数码成像样芯密度分布分析和元素浓度分布分析，用于海洋勘测研究、地球地质勘测研究、地质资源勘测研究、地质年轮及环境气候年轮分析等领域，高解析度、非接触和非损伤性扫描分析，可以对大量样芯及形成几百万年的剖面样芯进行快速分析，是目前世界最先进的海洋湖泊沉积样芯及地球地质样芯分析系统。其主要功能特点为：

• 结合了XRF技术、X-光密度扫描技术（CT）及高分辨率彩色扫描成像技术等国际先进技术
• 样芯数字化技术，样芯数字化彩色扫描图像、数字化密度分布图像（CT）、数字化元素浓度分布图像及磁化率等形成数字化样芯，全面反映样芯理化特性乃至形成历史等、环境变迁史、地质史等
• XRF元素分析技术（Al-U）直接给出元素实际浓度及样芯剖面浓度分布，高精确度、高灵敏度（ppm级）、高稳定性
• 检测分析效率高，10分钟即可完成100cm样芯的分析，样芯装载后全自动运行
• 非接触式扫描分析，不破坏样芯
• 可超负荷工作，每年可工作几千小时
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        英国海洋沉积样芯研究机构（采集保存了全球各地海洋领域的深海沉积样芯（截至2009年已采集了1400个不同海洋区域的沉积样芯），最深达1249米，用于海洋勘测调查、油气资源调查、海洋资源评估、环境污染研究、海底缆线等建设及海洋战略性研究，并与欧盟、北美、日本等合作和信息分享。由澳大利亚、德国、法国、日本、英国、美国等合作实施的“海洋钻探项目”(Ocean Drilling Program，ODP)于2003年结束后，又有美国挑头组成“IODP（Integrated Ocean Drilling Program）项目”继续开展该项工作。Itrax CoreScanner为上述项目提供了强大关键的、快速高解析度的研究分析平台，甚至已发现从本世纪一直到三叠纪2.27万年以前的深海样芯。德国地质科学研究中心（German Research Center for Geosciences）利用Itrax CoreScanner对350米长的深海沉积样芯进行了每秒1mm解析度的扫描分析。

Itrax CoreScanner主要技术指标：

• XRF、X-光数码扫描成像、光学成像及磁化率（备选）扫描技术
• XRF技术可分析包括从Al到U的绝大多数元素沿芯体的含量分布，多种元素同时检测，对于绝大部分金属元素精度可达ppm级；常见的元素浓度分布分析包括Al、Si、S、Cl、K、Ca、Ti、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Br、Rb、Sr、Zr、Ba和Pb等
• 系统软件具备强大的数据分析功能，不仅可以分析展示不同元素浓度的分布，还可给出不同元素比率的分布，如Ca/Fe、Si/Ti、Si/Sr、Ca/Sr、Fe/Rb、Cu/Rb、Zr/Rb、Mn/Ti、Ba/Ti、Br/Ti、Br/Cl、Inc/coh等，这些比率分布具有重要的科学意义，如Br/Cl意味着富含有机质的沉积层等
• X-光数码扫描成像技术，用于芯体层级层积显微分析和结构显微分析，分辨率可达20微米
• 扫描数码RGB线阵镜头用于样品表面光学成像，以便选取进一步扫描分析的样芯范围，并与X-光密度成像和元素含量进行比较分析
• 样芯（或样芯板片）步进扫描，步进级可以从100微米到厘米级，最大样芯长度为1.8m
• 计算机软件控制，可以无人看守自动扫描分析，可一次扫描分析几个样芯（总长度不超过1.8m）
• 1米长的样芯按1cm步进扫描分析仅需5分钟；按200微米的步进级扫描分析约需3个小时
• 具激光剖面三角测量系统，用于测量芯体表面形状以控制XRF元素分析仪相对于样芯表面的位置（保障检测仪与样芯表面保持同样的距离），因而系统不仅可检测表面平滑的样芯，也可检测表面粗糙的样品

 

 

二、XRF Scanner样芯元素扫描分析技术

        XRF Scanner样芯元素扫描分析系统是由瑞典ITRAX公司在CoreScanner的基础上研制生产，主要用于岩矿样芯及沉积样芯元素快速精确高灵敏度扫描分析，分SC单样芯扫描分析系统（每次装载一个样芯）和MC多样芯（每次可装载多个样芯进行分析）扫描分析系统两个版本。其主要技术特点为

• 可对样芯一次性扫描分析从Na到U的所有元素及REE（稀土元素）浓度及分布
• Polyflat™X-光聚集技术，非接触性元素扫描分析，Micro X-光束对每个点精确扫描分析并可进行平均，如沿样芯每厘米的平均浓度或整个样芯的平均浓度
• 高通量样芯元素扫描分析，1m长样芯多元素同步分析只需100秒，单位时间提供最高质量的元素分析数据
• 一次即可持续扫描完毕，无需停顿
• 可以给出高浓度常量元素到痕量元素的浓度及分布（每个扫描分析点及平均浓度）
• 可分析元素相位分布及相关关系
• 具RGB高分辨率彩色镜头及LED光源，具样品条码扫描器
• 高精确度、高稳定性、高灵敏度

 

 

 

        通常情况下，页岩具有丰富的地质化学组成和痕量金属元素，可以反映其沉积环境、起源、成岩作用等。ITRAX实验室应客户需求利用XRF Scanner,以每点（point）每秒1cm的步进速度，对波罗的海Oland岛的页岩进行了扫描分析，分析记录了2400个点的元素数据（每个点代表页岩样芯剖面1cm的测量数据），发现有30多种元素，包括一些主要元素如Al、Si、K、Ca、Ti、Fe，微量元素如P、Cl、S、Mn、Rb、Sr，及痕量元素V、Cr、Ni、Cu、Zn、As、Br、Y、Zr、Mo、Nb、Ba、Pb、Th、U。结果表明，页岩样芯富含典型的粘土元素如Al、K、Ti和Rb，同时TOC（有机碳）代理元素如V、Ni、Mo及U也很典型。这意味着成岩作用在水底部缺氧、富含硫化物。

        另一个案例为来自澳大利亚塔斯马尼亚州的富于稀土元素的岩矿样芯，XRF Scanner不仅给出了样芯各种元素的浓度，还可以显示样芯剖面各种元素的浓度分布，而且通过元素浓度相关分析，可以识别鉴定矿相（Mineral phases），如本样芯Y（釔）与所有其它记录到的稀土元素（如Nb、Ce、Pr、Nd、Dy）存在高度相关关系，这意味着XRF谱线中所有稀土元素都属同一矿相。

 

 

 

主要技术指标：

• XRF：135eV分辨率，非接触性扫描
• X-光管：50瓦铑阳极X-光管，预期寿命50000小时
• 扫描步进：标准1mm-10mm，可客户定制0.1mm步进（更高空间分辨率）
• MC版最多可一次性装载分析8个样芯
• 样芯长度：标准1m、直径12cm，可根据客户需求延长样芯长度或直径（至15cm）
• 可选配紫外光用于UV荧光成像
• 大小规格：
  • MC版：190L x 120W x 165H，重量500Kg
  • SC版：190L x 700W x 165H，重量420Kg

 

三、SciTrace LIBS元素分析系统

        SciTrace LIBS元素分析系统由欧洲工程技术中心（CEITEC）研制生产，用于岩矿、材料、塑料、土壤及植物等的元素分析和元素分布2D成像，可广泛应用于地质科学、材料科学、土壤科学、生物科学、环境科学、考古学、生物医学等领域样品分析。系统由脉冲激光、光谱仪、检测器、样品激光作用室（interaction chamber）、控制系统、光机结构等组成，采用模块式结构，可根据不同的需求应用灵活组合，具备强大的扩展性能。

 

 

主要技术特点；

• 模块式结构组成，配置高度灵活、系统高度可扩展，扩展升级不必要返厂，在实验室即可就地升级扩展，甚至客户自己就可在实验室进行扩展升级
• 高端LIBS系统，可适用于环境监测（土壤污染、微粒或沉积分析、突发事件检测等）、岩矿分析、塑料等各种材料分析、土壤分析、植物分析、痕迹溯源追踪分析、法医与生物医学检测（牙齿、骨骼、毛发等）、考古学检测等各种应用
• 高端全光谱Echelle光谱仪及iCCD光谱检测器，高稳定性、高精确度、高灵敏度，每次可检测分析所有波段光谱；如特别需要，可选配Czerny Turner光谱仪及相应iCCD光谱检测器以进一步达到更低的检测极限（参见下表，检测极限很大程度上与样品本身有关，如植物中的C、N一般很难达到表中的检测极限），但这类超高灵敏度检测系统每次能检测的波段数量有限——这意味着每次可分析的元素种类有限
• 单脉冲或双脉冲激光技术
• 可分析元素周期表中所有元素，检测极限可达0.1ppm甚至更低（参见上表）；可同时选配Echelle全光谱检测系统和超高灵敏度Czerny Turner检测系统（安装在同一分析室组成双检测系统）
• 高端LIBS样品激光作用室（LIBS interaction chamber），激光“密封”在室内作用于样品，具备激光过滤器观察口，确保分析过程的安全；三维样品自动操作、自动聚焦，可产生不同角度不同侧面格式的2D图像（2D mapping）；集成有激光聚焦、等离子体辐射采集、CMOS镜头、激光滤波器等光学元件；具备各种可扩展端口以便升级扩展各种配件及双脉冲LIBS、LIBS＋LIFS、拉曼光谱、IR光谱、光致发光（photoluminescence）等；可模拟不同的大气条件等；还可选配其它经济型分析室（参见下表）

 

 

 

• 移动式系统平台，方便操作、移动等
• CEITEC专家团队提供技术支持，随时提供最佳最优的LIBS方案，并愿意合作进行应用研究和发表论文

 

四、X-Trace LIBS遥测分析系统

        X-Trace LIBS元素遥测分析系统由欧洲工程技术中心（CEITEC）研制生产，用于岩矿、材料、塑料、土壤及植物等的元素分析和元素分布2D成像，可广泛应用于地质科学、材料科学、土壤科学、生物科学、环境科学、考古学、生物医学等领域样品分析。系统主要由移动平台（Transport module）、遥测模块（Stand-off detection module）和手持光纤探头（Fiber optic module with hand probe）等组成，移动平台集成有光谱仪、检测器、控制系统、光机结构等，遥测模块内置脉冲激光发射器和聚焦系统及等离子体光谱采集系统等。整机采用模块式结构，可根据不同的需求应用灵活组合，具备强大的扩展性能。

 

 

主要技术特点；

• Stand-off LIBS 与Remote LIBS专利技术，原位非接触测量分析，遥测距离可达20m
• 模块式结构组成，配置高度灵活、系统高度可扩展，扩展升级不必要返厂，在实验室即可就地升级扩展
• 移动平台方便操作、移动等
• 高端LIBS系统，可适用于环境监测（土壤污染、微粒或沉积分析、突发事件检测等）、岩矿分析、塑料等各种材料分析、土壤分析、植物分析、痕迹溯源追踪分析、法医与生物医学检测（牙齿、骨骼、毛发等）、考古学检测等各种应用
• 遥测模块可远距离（可达20m）原位非接触激光脉冲聚焦冲蚀遥测，或手持光纤探头原位激光脉冲聚焦冲蚀测量
• 高端全光谱Echelle光谱仪及iCCD光谱检测器，高稳定性、高精确度、高灵敏度，每次可检测分析所有波段光谱；如特别需要，可选配Czerny Turner光谱仪及相应iCCD光谱检测器以进一步达到更低的检测极限（参见下表，检测极限很大程度上与样品本身有关，如植物中的C、N一般很难达到表中的检测极限），但这类超高灵敏度检测系统每次能检测的波段数量有限——这意味着每次可分析的元素种类有限
• 可分析元素周期表中所有元素，检测极限可达0.1ppm甚至更低；可选配Echelle全光谱检测系统或超高灵敏度Czerny Turner检测系统
• CEITEC专家团队提供技术支持，随时提供最佳最优的LIBS方案，并愿意合作进行应用研究和发表论文。

 

五、易科泰SPECIM高光谱成像技术

        Specim高光谱扫描技术广泛应用于地质科学及矿产资源勘测，成为地质矿产高光谱成像分析的领导者。在此主要介绍广被采用的完整系统SisuSCS、SisuROCK和SisuCHEMA。易科泰生态技术公司可以根据需求制定不同的选配方案。

 

 

 

 

 

1、SisuSCS高光谱单样芯扫描平台（Situ Single Core Scanner）

        SituSCS适于对单个岩矿样芯或湖泊沉积样芯进行高光谱扫描成像分析，可选配400-1000nmVNIR传感器或1000-2500SWIR传感器，整机重量约重100kg，适合于样芯量不大的实验室进行高光谱分析。

 

 

 

 

        SisuSCS高光谱样芯扫描分析可以快速、无损伤、非接触、高分辨率获取岩石样芯或沉积样芯的光谱反射特征，可以提供其它样芯分析技术所不能提供的物质组成与时空分布大数据信息。

2、SisuRock高光谱样芯扫描平台

        SituRock应用于高速大量岩矿样芯、土壤样芯等的高光谱扫描分析，每天可自动完成几百米长度的岩矿样芯扫描成像分析，可选配970-2500nm SWIR传感器、400-1000nm VNIR或8-12um热成像传感器，整机重量约500kg，样芯最大可150cm(L) x 65cm(W) x 20cm(H)，重量可达50kg。

 

 

 

A single core image scanned by SisuROCK in the SWIR range (970 to 2500 nm), at 0.2 mm pixel resolution. Scanning speed 20 mm/second

 

Ore–Waste Discrimination in Epithermal Deposits Using Near-Infrared to Short-Wavelength Infrared (NIR-SWIR) Hyperspectral Imagery, Math Geosci. 2018

 

3、SisuChema高光谱化学成像分析平台

        SituChema适用于小型如岩矿、晶体、土壤颗粒等样品的扫描分析，可选配400-1000nm VNIR或900-1700nm NIR或1000-2500nm SWIR传感器，最大样品大小为200x300x45mm，可对10mm甚至更小的样品进行解析度为30微米的扫描成像分析

 

 

 

Consistency of Measurements of Wavelength Position From Hyperspectral Imagery: Use of the Ferric Iron Crystal Field Absorption at 900 nm as an Indicator of Mineralogy. Transactions on Geoscience and remote sensing, 2014

 

六、UAV遥测技术——GeoDrone UAV（无人机）遥测平台

        无人机（UAV）作为遥测平台，最先在军事领域得到重用，用于信息采集、侦测等。随着无人机技术的发展和普及，及遥测传感器如CCD彩色成像技术、多光谱成像技术、高光谱成像技术等的发展，无人机遥测技术在地球地质科学、生态环境、农业、林业、自然资源管理等的应用已成为继卫星遥测技术后的重要平台。GeoDrone UAV遥测平台由易科泰生态技术公司自主研发集成的UAV地面信息遥测平台，采用国际先进的光谱成像传感器技术，应用于地球地质勘测包括地质灾害监测、生态环境调查监测、农业病虫害及胁迫（如干旱胁迫、热胁迫等）监测评估预警、地理信息系统、野生动物及其栖息地调查监测评估、林业病虫害及森林火灾调查监测预警、湿地资源调查评估、自然保护区管理等。

技术特点：

• 国际领先专业无人机平台，垂直起降，长续航、高负载能力，万向（Gimbal）传感器平台，遥控或自动航点导航，无线数据传输，地面站在线监测
• 高分辨率彩色成像，明察秋毫，还可进行3D效果图构建（三维地形图）
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• 多光谱成像，兰、绿、红、红边、近红外5波段光谱成像，可分析植被NDVI等光谱反射指数
• 红外热成像（选配），640x480分辨率（或其它分辨率），可用于植物干旱胁迫研究、森林火险监测、野生动物调查研究等
• 可客户定制UAV高光谱成像平台

 

 

张掖丹霞地貌