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Detection of rare earth elements and rare earth oxides with hyperspectral spectroscopy

Die Erkennung von Seltenerdelementen und Seltenerdoxiden mittels hyperspektraler Spektroskopie

  • The continuously increasing demand for rare earth elements in technical components of modern technologies, brings the detection of new deposits closer into the focus of global exploration. One promising method to globally map important deposits might be remote sensing, since it has been used for a wide range of mineral mapping in the past. This doctoral thesis investigates the capacity of hyperspectral remote sensing for the detection of rare earth element deposits. The definition and the realization of a fundamental database on the spectral characteristics of rare earth oxides, rare earth metals and rare earth element bearing materials formed the basis of this thesis. To investigate these characteristics in the field, hyperspectral images of four outcrops in Fen Complex, Norway, were collected in the near-field. A new methodology (named REEMAP) was developed to delineate rare earth element enriched zones. The main steps of REEMAP are: 1) multitemporal weighted averaging of multiple images covering the sample area; 2) sharpening theThe continuously increasing demand for rare earth elements in technical components of modern technologies, brings the detection of new deposits closer into the focus of global exploration. One promising method to globally map important deposits might be remote sensing, since it has been used for a wide range of mineral mapping in the past. This doctoral thesis investigates the capacity of hyperspectral remote sensing for the detection of rare earth element deposits. The definition and the realization of a fundamental database on the spectral characteristics of rare earth oxides, rare earth metals and rare earth element bearing materials formed the basis of this thesis. To investigate these characteristics in the field, hyperspectral images of four outcrops in Fen Complex, Norway, were collected in the near-field. A new methodology (named REEMAP) was developed to delineate rare earth element enriched zones. The main steps of REEMAP are: 1) multitemporal weighted averaging of multiple images covering the sample area; 2) sharpening the rare earth related signals using a Gaussian high pass deconvolution technique that is calibrated on the standard deviation of a Gaussian-bell shaped curve that represents by the full width of half maxima of the target absorption band; 3) mathematical modeling of the target absorption band and highlighting of rare earth elements. REEMAP was further adapted to different hyperspectral sensors (EO-1 Hyperion and EnMAP) and a new test site (Lofdal, Namibia). Additionally, the hyperspectral signatures of associated minerals were investigated to serve as proxy for the host rocks. Finally, the capacity and limitations of spectroscopic rare earth element detection approaches in general and of the REEMAP approach specifically were investigated and discussed. One result of this doctoral thesis is that eight rare earth oxides show robust absorption bands and, therefore, can be used for hyperspectral detection methods. Additionally, the spectral signatures of iron oxides, iron-bearing sulfates, calcite and kaolinite can be used to detect metasomatic alteration zones and highlight the ore zone. One of the key results of this doctoral work is the developed REEMAP approach, which can be applied from near-field to space. The REEMAP approach enables rare earth element mapping especially for noisy images. Limiting factors are a low signal to noise ratio, a reduced spectral resolution, overlaying materials, atmospheric absorption residuals and non-optimal illumination conditions. Another key result of this doctoral thesis is the finding that the future hyperspectral EnMAP satellite (with its currently published specifications, June 2015) will be theoretically capable to detect absorption bands of erbium, dysprosium, holmium, neodymium and europium, thulium and samarium. This thesis presents a new methodology REEMAP that enables a spatially wide and rapid hyperspectral detection of rare earth elements in order to meet the demand for fast, extensive and efficient rare earth exploration (from near-field to space).show moreshow less
  • Die weltweit steigende Nachfrage nach seltenen Erden für technische Komponenten in modernen Technologien, rückt die Erkundung neuer Lagerstätten näher in den Fokus der globalen Exploration. Die Erkundung und Beschreibung neuer Lagerstätten mittels hyperspektraler Fernerkundung findet basierend auf Mineralkartierung bereits eine breite Anwendung. Diese Doktorarbeit befasst sich mit der Machbarkeit hyperspektraler Fernerkundung zur Detektion von Seltenerdelement-Vorkommen. Um dieser Fragestellung nachzukommen, wird eine grundlegende Datenbank der spektralen Eigenschaften von Seltenerdoxiden, Seltenerdmetallen und Seltenerdelement-haltigen Materialien hergestellt. Diese Eigenschaften wurden an vier Aufschlüssen des Fen Complexes in Norwegen hyperspektral analysiert. Auf dieser Grundlage wurde eine neue Methodik (REEMAP) entwickelt, die Seltenerdelement angereicherte Zonen im Aufschluss auffindet und kartiert. Die wichtigsten Schritte dieser Methode sind wie folgt: 1) multi-temporal gewichtete Mittelung mehrerer hyperspektraler Bilder desDie weltweit steigende Nachfrage nach seltenen Erden für technische Komponenten in modernen Technologien, rückt die Erkundung neuer Lagerstätten näher in den Fokus der globalen Exploration. Die Erkundung und Beschreibung neuer Lagerstätten mittels hyperspektraler Fernerkundung findet basierend auf Mineralkartierung bereits eine breite Anwendung. Diese Doktorarbeit befasst sich mit der Machbarkeit hyperspektraler Fernerkundung zur Detektion von Seltenerdelement-Vorkommen. Um dieser Fragestellung nachzukommen, wird eine grundlegende Datenbank der spektralen Eigenschaften von Seltenerdoxiden, Seltenerdmetallen und Seltenerdelement-haltigen Materialien hergestellt. Diese Eigenschaften wurden an vier Aufschlüssen des Fen Complexes in Norwegen hyperspektral analysiert. Auf dieser Grundlage wurde eine neue Methodik (REEMAP) entwickelt, die Seltenerdelement angereicherte Zonen im Aufschluss auffindet und kartiert. Die wichtigsten Schritte dieser Methode sind wie folgt: 1) multi-temporal gewichtete Mittelung mehrerer hyperspektraler Bilder des gleichen Ausschnittes; 2) Verstärkung des charakteristischen spektralen Merkmals unter Verwendung eines Hochpassfilterverfahrens, das auf der Standardabweichung einer Gaußkurve basiert die der gesuchten Absorptionsbande entspricht; 3) die mathematische Modellierung der gesuchten Absorptionsbande und thematische Klassifikation der Bildpixel. REEMAP wurde auf verschiedene Sensoren (EO-1 Hyperion und EnMAP) und ein neues Testgebiet (Lofdal, Namibia) re-kalibriert. Weiterhin wurde untersucht, inwiefern hyperspektrale Methoden zum Detektieren von Proxymineralen verwendet werden können. Die Limitationen der Seltenerd-Detektion mittels Spektroskopie im Allgemeinen und der Detektion unter Anwendung von REEMAP wurden erforscht und diskutiert. Ein Ergebnis dieser Arbeit ist, dass acht Seltenerdoxid Spektren eindeutig detektierbare Absorptionsbanden zeigen, die für eine Seltenerddetektion verwendet werden können. Zusätzlich können die spektralen Merkmale von Eisenoxiden, eisenhaltigen Sulfaten, Kalzit und Kaolinit verwendet werden, um metasomatische Alterationszonen und die Erzgänge zu erkennen. Eines der wichtigsten Ergebnisse dieser Doktorarbeit ist die Entwicklung der REEMAP Methode. Vor allem für verrauschte hyperspektrale Bilder zeigten die Ergebnisse unter der Verwendung von REEMAP eine höhere Detektionswahrscheinlichkeit. Neben dem Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Bildes, sind die davon abhängige spektrale Auflösung, überdeckende Materialien, atmosphärische Effekte und Aufnahmen unter suboptimalen Lichtverhältnissen als weitere wichtige Limitation der Seltenerd-Detektion zu nennen. Ein weiteres wichtiges Ergebnis dieser Doktorarbeit ist, dass der zukünftige EnMAP Satellit (mit seinem aktuell veröffentlichten Spezifikationen, Juni 2015) theoretisch in der Lage sein wird die Absorptionsbanden von Erbium, Dysprosium, Holmium, Neodym, Europium, Thulium und Samarium zu detektieren. Meine Dissertation stellt eine neue fernerkundliche Methode (REEMAP) vor, die zur weiträumigen und schnellen hyperspektralen Detektion von seltenen Erden verwendet werden kann und somit hilfreich bei der Exploration seltener Erden sein kann.show moreshow less

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Metadaten
Author:Nina Kristine BöscheGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-85363
Subtitle (English):near-field and spaceborne investigations in preparation of the EnMAP mission
Subtitle (German):Nahfeld und satellitengestützte Bildanalyse in Vorbereitung der EnMAP Mission
Advisor:Hermann Kaufmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2015
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2015/10/15
Release Date:2016/04/01
Tag:EnMAP Satellit; Fernerkundung; Hyperspektral; Seltenerdelemente; seltene Erden
EnMAP satellite; hyperspectral; rare earth elements; remote sensing
Pagenumber:147
RVK - Regensburg Classification:TF 04999, UT 2700, TZ 8540
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
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