新疆阿勒泰地区典型矿物岩石光谱特征.pdf

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1、新疆阿勒泰地区典型矿物岩石光谱特征 彭光雄 叶震超等 ; 中南大学地球科学与信息物理学院 2010 年 12 月 2 新疆阿勒泰地区典型矿物岩石光谱特征 彭光雄 ? 叶震超等 （中南大学地球科学与信息物理学院, 有色金属成矿预测教育部重点实验室，长沙 410083 School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals, Ministry of Education, Changsha, Chin

2、a 410083) 物体的光谱特性与其内在的理化特性紧密相关, 以矿物为例 , 矿物光谱主要取决于 物体内电子与晶体场的相互作用,以及物体内的分子振动。 电子与晶体场的相互作用来源于 晶体场作用、电荷转移、半导体和色心的影响。在晶体场作用中由于离子能级的跃迁会引 起吸收特征的变化 , 但反射光谱主要还是由矿物的差异引起的, 它与粒径无关。在晶体场 作用中 , 铁离子扮演十分重要的角色, 一方面它在地球上广泛存在, 另一方面Fe 2+ 、Fe 3+ 能够置换自然界中的Mg 2+ 和 Al 3+ 。 电子从一个原子到另一个原子的转移也会对光谱产生 影响, 例如 Fe- O 的电子转移就会引起光谱吸

3、收位置向紫外方向移动。反射光谱吸收边缘 取决于禁带 (Band Gap) 的宽度 , 入射的光子必须有足够的能量来推动价带电子进入导带区, 而在波长方向反射光的急剧增加与带隙能量有关。在某些如离子缺失的结构缺陷的情况下, 就会产生电子捕获 , 如 CaF2 中的 F 离子丢失而被一个电子取代时, 就会造成红绿吸收 , 而呈现紫色 , 从而形成了色心。不同物质的分子振动对光谱特性有很大的影响, 一般的固 体物质的振动发生在大于2.5 Lm 波长范围 , Si- O、Al- O 的分子振动就发生在10 Lm 波长 范围。 H2O 有 2.66 Lm、2.74 Lm 和 6.08 Lm 3 个基本的

4、分子振动波长位置。不同物质间 这种内在的微观差异正是成像光谱仪遥感实现地物探测的物理基础。 岩石矿物光谱分析技术在地质领域的应用主要在: 宝玉石鉴定。该技术作为快速无 损伤鉴定 , 在长波近红外波段可进行绿柱石类、软玉类、叶腊石类、蛇纹石类、碧玺、黄 玉、田黄石以及翡翠等的鉴定工作。矿物的识别与分析。在自然界, 矿物尤其是蚀变矿 物多以隐晶质、细分散的状态存在。近红外光谱测量在野外现场即可进行良好的鉴别和区 分, 且对某些矿物的细分是一般方法难以取代的，如对某一区域主要蚀变矿物组合非标建 库, 即可进行半定量对比分析。矿床的勘察与评价。成矿一定有蚀变作用发生。蚀变 矿物作为地质找矿及成矿分析的

5、指示计, 利用其近红外光谱特性进行成矿带的划分, 重建 地质环境 , 重演作用过程 , 揭示成矿规律。近红外光谱分析技术应用于地质调查研究中有 特别重要的意义 , 具体有 : 提供矿化环境特征 , 鉴别原岩类型 , 指示矿化关系 , 指示风化范 围和过程 , 指示矿化作用的化学过程以及温度压强指示。 通过建立蚀变矿物成矿模型, 应用近红外矿物分析仪进行蚀变矿物填图, 以圈定新 的成矿靶区。根据各区域地质条件的不同, 建立近红外非标准矿物数据库, 以开展矿物定 量鉴定分析。在地表植被稀少的区域 , 适合利用红外遥感成像技术, 开展地质普查找矿工 作, 这样地面测量与空间遥感想结合, 从而可以加快

6、地质勘探工作的步伐。 对野外采集的120 余个岩石和矿物标本，分别采用两种不同型号的光谱测试仪对其 进行了光谱测试，获取了两组光谱测试数据，光谱仪的主要性能和测试结果叙述如下。 ? Email: 3 1.1 光谱测试仪器 1.1.1SVC GER3700 光谱仪 图 3-1 SVC GER3700全波段高光谱便携式分光辐射度计 美国 SVC GER3700 全波段高光谱便携式分光辐射度计结合精密光学和Si、PbS线阵 列探测器前沿技术的优势,以及采用最新的电路电子学生产了GER3700 高光谱便携式分光 辐射度计。 通过笔记本电脑可以在测量地点实时展示光谱数据。GER3700便携式地物光谱 仪

7、所有光学器件均固定安装，即使在最恶劣的条件下也能保证精确度和一致的测量结果。 可以使用标准的高功效收集光学镜或可选择的光纤光导进行快速、全光谱范围的数据采 集。可选择不同 FOV 光学，使 GER3700 地物波谱仪成为同类中最通用的工具。 SVC GER3700 全波段高光谱便携式分光辐射度计的技术参数：光谱波长测定范围： 350 - 2500 nm ；频道（ channels ）：704；探测器通道：线阵 512 元 Si, 128 元 PbS和 64 元 PbS (共 704 通道) ；本体重量： 6.0 kg ；视场确定：激光及光学；光谱分辨率（半高 宽）： 300 - 1050 nm

8、 为 1.5 nm ， 1050 - 1900 nm为 6.5 nm ， 1900 - 2500 nm为 9.5 nm。 ； 扫描时间： 50 ms 及以上 (可程序设定 )。 4 1.1.2 便携式近红外光谱分析仪 图 3-2 便携式近红外光谱分析仪 便携式近红外光谱分析仪（型号：ZDJ1PB-1）技术参数如下。仪器测量范围： 1300nm-2500nm； 仪器分辨率：2 小时。 研制软件： 1、PC机应用程序； 2、微 型 PDA 应用程序。主要特点：体积小、重量轻、分辨率高，野外现场矿物无损测量。 近红外光谱分析仪可进行7 波长在 1 3002 500 nm 近红外光谱的测量分析。主要

9、是由于分子震动的非谐震动使分子震动从基态向高能态跃迁时产生的, 记录的主要是含氢 基团 XH( X=C, H, O) 震动的倍频和合频吸收。它们合频和一级倍频正处于波长1 300 2 500 nm 的仪器测量范围。根据对矿物各基团吸收光谱产生不同的峰型、峰位以及强度, 建立区域标准吸收谱线, 通过该标准吸收谱线对区域未知矿物吸收谱线对比, 判断矿物种 类、矿物定名及进行矿物分析。 1) 近红外矿物分析仪可测量矿物种类主要为硅酸盐中部分 单矿物 , 含羟基硅酸盐矿物 , 硫酸盐矿物 , 碳酸盐矿物。 2) 利用近红外矿物谱线的峰位特 征以及峰位的漂移变化进行一定的矿物化学成分结构分析。3) 矿物

10、结晶度的不同产生了矿 物光谱图峰形尖锐程度的变化。矿物的结晶度标志着矿化作用过程中热液蚀变体系结晶 时的温度和化学环境以及蚀变程度。4) 用蚀变矿物近红外谱线强弱对比表现, 可找出矿物 蚀变与成矿的相关性 , 建立成矿模型 , 进行成矿分析预测。 近红外光谱分析仪测量内容：含羟基之硅酸盐矿物（绿帘石，闪石等），硫酸盐矿 物（明矾石，黄铁钾矾，石膏等）,碳酸盐矿物（方解石，白云石等）。在地质中的应用 主要包括 :矿物识别（定性和半定量），为勘查、地质和土壤/基岩测量进行矿物填图，钻 孔和隧道（平硐）编录，蚀变系统填图和目标区选择，成矿作用的指示，成矿潜力评价， 矿物地球化学和结晶学，采矿中的品位

11、控制，下脚料中粘土含量监测，辅助遥感图片的判 别等。 具体意义如下：1。提供矿化环境的特征，如交代类型和交代带等。2。鉴别原岩 类型：鉴别高岭石，表明其原岩是长英质岩石，发现蒙脱石表明原岩是镁铁质岩。3。指 示矿化关系，富镁的绿泥石接近矿化中心，富钾的白云母更和矿化有关。4。指示风化范 围和过程，如三水铝石表示晚期的铝土质环境。5。指示矿化作用的化学过程，（如K/Na 交代）及温度（叶腊石，黄玉，地开石等矿物是高温矿物。6。蚀变矿物填图矿床种类。 可对高硫化物浅成热液矿床、低硫化物浅成热液矿床、斑岩型铜矿床、中温热液矿床、沉 5 积岩型金铜矿床、铀矿床、火山岩型块状硫化物（VHMS ）矿床及金

12、伯利岩矿床进行系 统的蚀变矿物填图，帮助研究者快速评价矿床，提高勘探效率。 1.2 常见矿物曲线特征谱 矿物的近红外光谱法是分析研究矿物的重要手段。由于矿物晶格中原子间的化学键 的弯曲和伸缩吸收某些区域的红外光谱，根据矿物中某些官能团的特征吸收光谱可以区分 不同的矿物及同一矿物的不同结晶度，这些特点在野外地质调查研究工作中具有特别重要 的意义。应用这一方法可以区分层状硅酸盐中单矿物（粘土矿物，绿泥石，蛇纹石等）， 含羟基之硅酸盐矿物（绿帘石，闪石等），硫酸盐矿物（明矾石，黄铁钾矾，石膏等）， 碳酸盐矿物（方解石，白云石等）；矿物的结晶度不同，其红外吸收峰形也不相同，而矿 物的结晶度标志着矿化作

13、用过程中热液蚀变体系结晶时的温度和化学环境，结晶度也与蚀 变体系中的粘土风化有关。这些矿物光谱曲线的特征谱为矿物的识别和遥感信息的提取奠 定了基础。 1.2.1 常见矿物的吸收特征 1、AL-OH 矿物 AL-OH 矿物： 2170-2210nm 为特征吸收。代表矿物：叶蜡石，黄玉，白云母，绢云 母，伊利石，高岭石、蒙脱石。1410-1440nm：OH 键的对称峰， OH、H2O(H+)二个 峰；1910nm：结构水 ;1940-1950nm：吸附水。 （1）2200nm附近：主吸收峰，绢云母含量影响2160 处的左肩部吸收峰，肩部峰在 2160-2165nm为高岭石，随着结晶度的增加， 肩峰

14、向长波方向移动， 迪开石在 2180nm。 （2） 23202380nm 处三阶梯吸收峰，是高岭石的特征次吸收峰。原地型高岭石结晶度好，峰 形尖锐；搬运型高岭石结晶度低，峰形缓。（3）2345-2350nm 次吸收峰：绢云母。（ 4） 黄玉：2080nm 强吸收峰， 1680有峰。（ 5）叶蜡石：高温形成 ,2160-2170峰与高岭石次吸 收峰重； 2320有吸收峰 ,2070-2180特征吸收峰 ,1390-1396吸收峰尖锐，含 OH 少。 2、硫酸盐 a.明矾石 :K明矾石：2210 主吸收， 147014201768；Na明矾石：2160-2170，1490， 2320。b.黄铁钾矾

15、： 2260-2270nm主吸收， 1850nm1470nm。C.石膏：主吸收 1940nm， 1449、1489与 1550nm三步峰是特征峰， 1750 有吸收峰。 3、Mg-OH 矿物 Mg-OH 矿物：特征吸收在2300-2400nm。代表矿物：绿泥石，滑石，叶蛇纹石，黑 云母，金云母等。 1。绿泥石（与黑云母易混淆）：（1）2250-2260nm处与 23402350nm处有双峰； （2）1910，2000nm 处为水的双峰； （3）1410nm为OH 吸收峰；（4）Fe取代 Mg，2340 强，2250弱且向短波方向移动。 2。金云母（与 Mg 绿泥石接近）： 2380-2390为

16、单峰； 2000 无水吸收峰。 3。蛇纹石： 2320吸收峰最强， 2380-2390nm有吸收峰。 4 滑石： 2380-2390nm，Mg 层状硅酸盐，尖峰在2310 处，与角闪石峰重，比角闪石 6 短。与透闪石混，比透闪石长。 4、碳酸盐 2300-2400有峰，与层状硅酸盐不同。方解石：2340nm 特征吸收（ 2336-2337nm）； 菱镁矿： 2310nm (2320-2321nm) ；白云石： 2320-2325nm，菱铁矿：峰变化大 (2320nm)。 5、FeOH 矿物 特征带是 2240-2265nm。绿泥石： 2245-2260nm, 2340-2360nmx吸收峰。

17、6、绿帘石（与绿泥石易混） 1540 特征吸收峰， 2340 峰形。 7、电气石 2200nm，2240-2250nm 吸收峰，与绢云母、高岭石易混淆，与绿泥石易混淆时看 2370-2380nm处吸收峰。 1.2.2 蚀变矿物近红外光谱分析法 1.含水矿物 含水矿物在 1400nm和 1900nm附近都有吸收峰。（ 1）、吸附水：为孤立水分子，谱 带宽缓，吸收弱。吸收峰：1925nm，1413。5nm；（ 2）、晶格水：结晶水谱带较宽缓， 吸收强吸收峰： 1935，1748，1443。5，2215nm；层间水吸收峰： 1915，1423。5，2135nm； 结构水吸收峰： 1403。5，191

18、5，2205，1825nm。 含晶格水矿物随着水分子对矿物物化属性影响加深，仪器图形更多的表现出离解的水 (H3O-)、（H3O+）或（ OH）-的谱形特征，吸收峰尖锐，既深又窄。 2.碳酸盐矿物化学性质与近红外光谱特征表 表 3-1 碳酸盐矿物化学性质与近红外光谱特征表 W(CO2)特征谱带结构 类型 晶体 结构 矿物化学式 % 1 2 3 4 5 菱镁矿 MgCO 3 52。1924962305 1915 1975 白云石 CaMgCO 3 47。33252823152145 1985 1865 方解石 CaCO3 43。97252823352165 1995 1875 菱锰矿 MnCO

19、3 38。29 23652175 2005 1895 方解石型三方晶系 菱铁矿 FeCO3 37。9925282345 1925 菱锶矿 SrCO 3 29。81 23452175 2015 1885 文石型斜方晶系 毒重石 BaCO 3 22。30 23862205 2045 1915 蓝铜矿 Cu 3(CO3)2(OH)225。53241823652265 2205 孔雀石单斜 晶系孔雀石 Cu2(CO 3)(OH)219。9023552285 2215 2204。5 碳酸盐矿物最显著的识别特征是23002400nm 之间具有单一的特征吸收，该吸收峰 为左宽右窄，有别于其它矿物。同时绝大多

20、数矿物在2100-2200nm及 2500nm 附近具有次 一级特征吸收峰。 7 3.铝化物（ Al3 +） 表 3-2.铝化物物化性质与波谱特征 类型矿物名分子式铝的结构特征光谱特征吸收 氧化物刚玉 corundum Al2O3 Al 3+充填 O2-组成的 2/3 的八面体空隙 1882，2045 三水铝石 gibbsite Al(OH)3 Al 3+充填（ OH）-组成 的 2/3 的八面体空隙 1436， 1558， 2265， 1935 氢氧化物 硬水铝石 diaspore Al(OH)3 Al 3+充填 O2-与（ OH） 1/2 的八面体 1409，1825，2045 铝硅 酸盐

21、 钠长石 albite NaAlSi3O8 四次配位 - 高岭石 kaolinite AlSi4O10(OH)8 六次配位 1414，2205，2386， 2165， 1915， 1394， 2325 硅 酸 盐 铝的 硅 酸盐 白云母 muscovite KAl2AlSi3O10(OH)2四、六次配位 1414，2215，2355， 2440，1925，2125 铝的氧化物在1400nm 附近反射峰较强。铝的氢氧化物中，三水铝石在1440-1600nm 间产生由 1435 和 1558nm 组成的尖锐的 “ 二元” 吸收峰；硬水铝石中Al-O-H键较弱，在 1408nm 吸收较弱。钠长石光谱

22、特征不明显；白云母和高岭石因较强的Al-OH 键而表现出 较一致的 1420与 2150nm的特征吸收峰，但在 2200-2500nm之间吸收峰形态存在较大差异， 这是二者识别与区分的标志， 是由于 Al 在晶体结构中不同占位的光谱表现。 低温下， AlO4 四面体体积稍大于 SiO4四面体，易转变为六次配位：钙长石CaAl2Si2O8 转变成绿 帘石Ca2(Al，Fe)3O(OH)(SiO4)Si2O7,成为最稳定的八面体。绿帘石光谱特征较钙长石复 杂，并具有高岭石或白云母相同的谱型，但特征谱带位置相对向长波方向移动，主要由于 Fe影响 Al-OH 。高温富铝环境， AlO4可由六次配位转化

23、为部分Al 的四次配位，如 高岭石 Al4SiO4(OH)8 在 10001500 度可部分转化为矽线石ALAlSiO4 ,二者在 2200nm附近主要特征吸收峰高岭石较矽线石尖锐，次级吸收峰特征吸收较明显。 4.金属 OH 矿物 由于阴阳离子之间键的共价程度、阴阳离子间距离造成晶体对称度的不同，使金属 OH 基团光谱产生一定差异。 AL-OH ：该类矿物最显著的特征吸收是在2200nm附近的最大吸收峰及其两侧的一些 次一级吸收峰构成 “ 二元结构 ” 。含 Al-OH 识别光谱位于 2165-2215nm。 表 3-3. AL-OH 矿物特征吸收 矿物明矾 石 锂绿 泥石 埃洛 石 伊利 石

24、 高龄 石 蒙脱 石 白云母 叶蜡 石 累脱 石 黄玉 特征 吸收 2165 2325 2175 2365 2205 2165 2215 2355 2205 2165 2205 2215 2195-2225 2355 2165 2315 2195 2085，2155 2215 8 Mg-OH 矿物：该类矿物最显著的吸收峰在2300nm 附近，即 2315-2325nm。 表 3-4. Mg-OH 矿物特征峰 矿 物阳起石黑云母水镁石 叶蛇 纹石 纤蛇 纹石 利蛇 纹石 锂皂石金云母滑石透闪石 特征峰2315 2335 2315 23252325 2315- 2325 2305 2325 231

25、5 2315 1.3 光谱测试结果 SVC GER3700 光谱仪和便携式近红外光谱仪的光谱测试结果分别如图3-3 和 4-4 所 示，两种光谱仪所有标本的全部测试结果见附录二。 a.A01-1 皱纹线理的云母片岩 b.A01-6二云母片岩 图 3-3. SVC GER3700光谱仪光谱测试结果 a.A01-1 皱纹线理的云母片岩 b.A01-6二云母片岩 图 3-4. 便携式近红外光谱仪光谱测试结果 有图 3-3 和图 3-4 可以看出 A01-1 皱纹线理的云母片岩和A01-6 二云母片岩两个标本 9 在两种光谱测试仪下的测得的对应光谱曲线形态是一致的，但在光谱测量范围上存在一定 的差异。

26、由于便携式近红外光谱仪比SVC GER3700 光谱仪的光谱分辨率要高一些，因此 所测定的光谱曲线更加细腻，从而跟有利于矿物的区分。 1.4 典型矿物岩石的光谱特征分析 吸收峰深浅强弱不但表示样品中矿物含量的纯度, 还代表矿物特征谱线主次峰之分。 为了更直观的从标准吸收波长判读谱线信息, 对波谱的吸收峰强度的相对强弱和峰形特征 做如下划分 : 弱吸收峰 , 一般峰 ; 中等吸收峰；强吸收峰三类。 根据谱线峰形 , 将吸收峰峰形分为 : 单峰( 常见峰形 ) ; 双峰( 两峰相连 , 峰深相 若)左肩峰 ( 同一吸收峰谷 , 短波方为次一级峰 ) ; 右肩峰 ( 同一吸收峰谷 , 长波方为次 一

27、级峰 ) ; 双肩峰 ( 形似三股钢叉形 ) ; 三步峰 ( 阶梯状三连峰 , 石膏的结晶水峰为特 有)。 又根据近红外图谱谱形线, 将图谱大致分为 : 坡型, 即左( 短波长处 ) 高, 右( 长波 长处) 低; 山型, 即中间高 , 两端低 , 主要有圆滑的山头型 , 尖锐的山峰型。 对工作区典型矿物河岩石的光谱特征及吸收谱带进行了分析，这对于该区域地质研 究提供了一种新的技术手段和方法, 起到了与传统方法互补的作用，特别是对于遥感蚀变 和异常信息的提取提供了重要的参考信息。 1.4.1 典型矿物光谱特征 工作区典型矿物的光谱特征及吸收谱带如图3-5 到图 3-14 和表 3-5 所示。

28、表 3-5. 工作区典型矿物光谱吸收谱带 矿物名称分子式吸收谱带 1 普通水晶 SiO2 （1490，1920） 2.芙蓉石 SiO2 （1490，1920） 3 黑云母 K(Mg,Fe2+)3(Al,Fe3+)Si3O10(OH,F)2 （2250，2340） 4.白云母KAl2Si3AlO10(OH,F)2 （1400强，2200 强） 5.绿柱石Be3Al2(SiO3)6 （1400 强， 1900 强， 2200） 6.电气石 NaR3Al6Si6O18(BO3)3(OH)4,SiO2 （1400弱，2400） 7.含钽赤铁矿Fe2O3（1300，1700强，2400） 8.斜长石 N

29、aAlSi3O8（Ab）-CaAl2Si2O8（An）（1400弱，1950，2200） 9.叶蜡长石 NaAlSi3O8 （1400强，1950，2200） 10.石榴子石Fe3Al 2SiO43 无明显吸收带 10 图 3-5.水晶：吸收带（1490，1920） 图 3-6.芙蓉石：吸收带（1490，1920） 图 3-7.黑云母：吸收带（2250，2340） 11 图 3-8.白云母：吸收带（1400 强， 2200 强） 图 3-9.绿柱石：吸收带（1400 强， 1900 强， 2200） 图 3-10.电气石：吸收带（1400 弱， 2400） 12 图 3-11.赤铁矿（疑似钽铌

30、铁矿）：吸收带（1300，1700 强， 2400） 图 3-12.斜长石 :吸收带（ 1400，1950，2200） 图 3-13.叶蜡长石：吸收带（1400 强， 1950，2200） 13 图 3-14 .石榴子石：无明显吸收带 1.4.2 典型岩石光谱特征 工作区典型岩石的光谱特征及吸收谱带如图3-15 到图 3-24 和表 3-6 所示。 表 3-6. 工作区典型岩石光谱吸收谱带 矿物名称吸收谱带 1. 文象结构伟晶岩（1400，1920强，2200） 2.锂辉石伟晶岩（1400强，1920 强，2200） 3.含石榴子石变斑晶的片岩（1400弱，1920 强） 4.细粒花岗岩（14

31、00强，1920，2200 强） 5. 千枚岩（1400强，2000 弱，2200强） 6. 眼球状花岗岩（1400强，1920 强，2200弱） 7. 含变斑晶的云母片岩（1400强，1920 弱，2200强） 8.绢云母泥质千枚岩（1400强，1920 弱，2200强，2380 弱） 9.白云石英片岩（1400强，1920 弱，2200强，2420 弱） 10.黑云片岩（1400弱，1920 强，2200较强， 2380 弱） 14 图 3-15. 文象结构伟晶岩：吸收带（1400，1920 强， 2200） 图 3-16.锂辉石伟晶岩：吸收带（1400 强， 1920 强， 2200）

32、图 3-17.含石榴子石变斑晶的片岩：吸收带（1400 弱， 1920 强） 15 图 3-18.细粒花岗岩：吸收带（1400 强， 1920，2200 强） 图 3-19. 千枚岩：吸收带（1400 强， 2000 弱， 2200 强） 图 3-20. 眼球状花岗岩：吸收带（1400 强， 1920 强， 2200 弱） 16 图 3-21. 含变斑晶的云母片岩：吸收带（1400 强， 1920 弱， 2200 强） 图 3-22.绢云母泥质千枚岩：吸收带（1400 强， 1920 弱， 2200 强， 2380 弱） 图 3-23.白云石英片岩：吸收带（1400 强， 1920 弱， 2200 强， 2420 弱） 17 图 3-24.黑云片岩：吸收带（1400 弱， 1920 强， 2200 较强， 2380 弱）