基于反射波谱吸收深度的溶液中稀土浓度定量评估研究

Spectral absorbing characteristics are closely related to the chemical composition of materials. Spectral parameters such as depth of absorption bands are widely used to quantitatively estimate the composition of samples from hyperspectral reflectance data in soil, mineralogy as well as vegetation study. In our study, rare earth pollution and loss of ion-absorbed rare earth ore in southern China is focused, and a new method for estimating the concentration of rare earth elements(REE) dissolved in aqueous media using reflectance spectroscopy is presented. The reflectance spectra and concentrations of aqueous media samples containing various amounts of REE are measured, respectively. Then, the spectrally diagnostic absorption characteristics of these samples are analyzed. What's more, based on the correlation between the spectral absorption depth on diagnostic absorption bands and the concentration of REE, quantitative models are derived that can be used for estimating the concentration of REE in aqueous media samples. Finally, detection limit of REE for quantitative modeling is studied. The outcome of this study can be applied to quantitative estimation of rare earth contamination of stream water systems nearby rare earth ores; and also has implications for quantitative estimation of REE in other media such as weathering crusts and rocks. In addition, the study provides theoretical support for REE extraction by aerospace hyperspectral remote sensing.

波谱吸收特征一般和物质成分具有密切联系，其中描述波谱吸收特征的参数——波谱吸收深度可以定量评估样品的化学组成，已成功应用在土壤学、矿物学及植被学研究中。本基金针对我国南方离子吸附型稀土矿造成的稀土污染与流失问题，提出了运用波谱吸收特征评估溶液中稀土浓度的新思路。通过不同浓度稀土溶液的反射波谱测试与化学分析，研究溶液中稀土元素的波谱吸收特征，基于特征吸收波段处波谱吸收深度与稀土浓度的相关关系，建立稀土浓度的定量反演模型，并分析定量反演的稀土浓度监测下限。这一研究成果可用于稀土矿周边河流中稀土污染的定量-半定量快速评估，同时对其他介质如风化壳或岩石中稀土含量的定量-半定量研究起到了良好的启示作用，此研究成果也可以为稀土矿物及元素的航空及航天高光谱遥感信息提取研究提供理论支撑。

本基金针对稀土溶液浓度评估这一科学问题提出了一套全新的研究思路：基于物化属性与地物波谱之间的相关性、稀土的波谱吸收特征等理论，运用高光谱物质成分定量反演手段，通过对赣南离子吸附型稀土矿溶液中稀土元素波谱特征的研究，建立了一套运用地面反射波谱定量反演溶液中稀土浓度的技术方法。取得的研究成果概括起来包括以下几点：（1）稀土在溶液中的波谱吸收特征为整体上呈现水体的波谱特征，但在可见光-近红外波段存在575nm、793 nm、739 nm、522 nm、863 nm、445 nm 等6个明显的稀土特征吸收谷和若干次级的稀土特征吸收谷，且随着稀土浓度的降低，吸收谷的深度逐渐降低，一些小的吸收谷甚至消失。（2）基于赣南3个主要稀土矿区采集的10个稀土水样及室内配制的25个稀土溶液样品，运用美国ASD FieldSpec 3系列便携式地物波谱仪和ICP-MS等离子质谱仪分别获取了它们的波谱特征和稀土浓度，选取可见光-近红外波段6个稀土元素特征吸收谷，建立了稀土浓度的定量评估模型。（3）从室内配制的几个低浓度样品的波谱分析及模型建立的预测值及残差分析两个方面，探讨了稀土浓度反演的下限大概为30ppm。这一研究对于溶液中稀土浓度快速评估具有重要意义，另外研究成果可用于稀土矿周边河流中稀土污染的定量-半定量快速评估，同时对其他介质中如风化壳或岩石中稀土浓度的定量-半定量研究起到了良好的启示作用，此研究成果也可以对稀土矿物及元素的航空及航天高光谱遥感信息提取研究提供理论及技术支撑。