新疆可可托海稀有金属矿床矿物和岩石热红外光谱特征

回广骥， 高卿楠， 宋利强， 孙东询

(中国地质调查局自然资源实物地质资料中心， 河北 三河 065201)

近年来，随着新型材料、新能源在航空工业、汽车工业等领域应用深度和广度的不断扩展，以锂为代表的稀有金属迎来了世界范围内的研究与勘探热潮。众多学者从找矿方向[1-4]、典型矿床特征[5-6]、矿物学特征[7-10]等角度开展了对稀有金属矿床的研究，为稀有金属矿床理论认识和找矿勘查奠定了坚实的基础。

目前，全岩地球化学分析、X射线荧光光谱(XRF)、电子探针(EMPA)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)等技术广泛应用于稀有金属矿床矿物的元素分析中[8-15]，X射线衍射(XRD)和红外吸收可见光谱分析则广泛应用于矿物的物相及类质同象置换、官能团存在形式等分析中[11,14]。也有学者使用红外反射光谱技术对稀有金属矿床矿物开展研究工作[16]。区别于广泛使用的红外吸收光谱，红外反射光谱对样品进行数据采集时无需将样品研磨制作KBr压片，可以直接对样品表面采集数据，具有无损、快速的特点，并且该方法采集的数据与遥感数据通用，可作为遥感矿物识别与解译的参考数据。目前使用较为广泛的可见光-短波红外波段(400～2500nm)逐渐不能满足光谱矿物研究的要求。该波段虽然技术成熟、设备结构简单，但只能识别由于内部金属阳离子的电子跃迁、振动及羟基、水分子和碳酸根等基团的分子振动引起的红外吸收特征[16]，并不能识别众多的无水硅酸盐。而对Si(Al)—O键、S—O键、P—O键、OH-弯曲振动基频十分敏感的热红外光谱技术的出现解决了这一难题。国内外一些学者在热红外光谱矿物识别领域做了很多研究工作。Vincent等[17]对26块火山岩标本进行了热红外发射光谱(7.5～14μm)测量和化学分析。Cooper等[18]对35块岩石标本及其粉末进行了热红外数据测量，以研究光谱特征与物质成分、粒径大小之间的关系，并利用克里斯琴森特征和投射特征进行岩性的粗略分类。Kokaly等[19]发布的第七版USGS光谱库囊括了大量矿物岩石的热红外光谱，为其在地质领域的应用奠定了数据基础。代晶晶等[20]对石英和长石等造岩矿物的热红外光谱特征以及热红外技术在地质找矿中的应用前景进行了综述。刘德长等[21-23]利用航空遥感手段获取的可见光-热红外数据研究了包括成矿分析、矿床定位和含矿构造追踪在内的固体矿产预测技术。黄宇飞等[24]利用ASTER图像中的5个热红外波段计算了石英指数、碳酸盐指数和镁铁质指数，并联合使用这些指数完成了岩性的粗略分类。热红外光谱技术除了被应用于辅助矿床研究和地质勘探，也在矿山管理[25-27]、土壤调查[28-30]等领域得到了广泛应用。目前在矿物信息精确提取方面，热红外光谱能够做到石英等常规造岩矿物的定量反演[31-32]，但对于锂辉石、锂云母、绿柱石、电气石等稀有金属矿物的应用较少，其中一个重要原因是各光谱数据库没有太多这些矿物的参考曲线，其光谱特征并没有得到系统的总结。

超大型的新疆可可托海稀有金属花岗伟晶岩型矿床，位于新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州富蕴县可可托海镇东南1.2公里处[33]。该矿床是我国最早开发利用稀有金属矿产资源的重要基地[4]，在20世纪30～50年代该矿床的3号矿脉被牧民发现，并由前苏联专家进行了初步勘察，随后进入开采阶段[34]。作为西北地区典型的稀有金属矿床，一直是业内的研究热点，如对矿床地质特征的总结[5]、对成矿物质来源和矿化过程的探讨[15,35-37]、三维地质建模与成矿预测[33]和宝玉石研究[34]等，但对矿床中典型矿物和围岩的光谱学认识尤其是热红外反射光谱的认识还很缺乏，制约了对同类型矿床开展遥感地质调查和遥感地质学研究工作的推进。本文选择可可托海3号矿脉的典型稀有金属矿物标本进行热红外光谱测试，以提取可可托海稀有金属矿床特种矿物的热红外波段的光谱特征，拟为利用热红外光谱进行锂辉石等稀有金属矿物的识别及花岗伟晶岩型矿床的勘探和研究提供必要的基础数据支撑。

1 实验部分

1.1 样品采集

自然资源实物地质资料中心(以下简称“实物中心”)依托实物地质资料汇集与服务项目(DD20190411)对全国典型矿山的典型标本进行了筛选采集。实物中心保管的可可托海稀有金属矿床系列标本采自1号矿坑3号脉，伟晶矿物，粒径在2～15cm不等，只有部分的锂云母颗粒较小，粒径小于0.5cm。本文根据矿物的大小、形态、自形程度等，筛选出典型性、代表性的矿物标本，涵盖了可可托海矿床锂辉石、锂云母、白云母、黑云母、电气石、钠长石、绿柱石、蓝晶石、铁铝榴石、石英、铌钽锰矿、斜长石、萤石等主要矿物。所有测试矿物(除锂云母外)粒径均大于2cm，保证数据采集时能够覆盖整个传感器窗口。对于锂云母，由于矿物粒度较小，本文采用其集合体的红外光谱数据代替单晶热红外光谱数据。标本基本信息见表1。

1.2 热红外光谱测试

利用光谱对岩石矿物进行识别时，基于一定物理和化学基础所产生的特征谱段和吸收峰参量是重要依据，如波长10000～12500nm范围内，由Si—O—Si对称伸缩振动[38]产生的诊断性吸收特征。包括岩石矿物在内的所有物质光谱特征谱段和吸收峰参量的产生都存在一定的机理。热红外范围光谱特征的形成主要与分子振动有关。本文希望通过测量可可托海稀有金属矿床典型矿物标本的热红外光谱数据，总结出一套可直接用于针对本类型矿床遥感地质调查和研究的基础光谱数据，实现对典型矿物、含矿伟晶岩与围岩的快速、无损识别。

目前，可用于岩矿热红外光谱测试的仪器，按照便携程度可以大致分为便携式热红外光谱分析仪和在实验室内使用的大型台式热红外光谱分析仪，而测量的热红外信号类型可以分为发射率、透射率和反射率等。本次实验采用的测试仪器为热红外分析仪(Agilent 4300 Handheld型)，热红外光谱数据测量均在室内进行，环境温度控制在26℃，无强烈光照，排除了环境因素对测量结果的干扰。每个数据采集点进行了3次测量，取平均值作为该数据采集点的热红外测试数据。为保证实验测试数据精度，每测试1h，需要对光谱仪进行定标。

表1 标本基本信息

使用Agilent 4300热红外分析仪获取可可托海典型矿物的热红外光谱数据后，将数据导入专业的软件TSG进行数据处理和解译工作(TSG是The Spectral Geologist简称，是光谱地质应用开发的专业软件，其中囊括了海量的地质光谱数据的分析算法和澳大利亚CSIRO测试的一套矿物光谱数据库，并以此为基础针对不同矿物的提取方法构建了各种模型[39])。

2 结果与讨论

根据样品采集和测试情况，对每一块样品详细的记录和描述，包括样品编号、矿物或岩石、测试点位、光谱图、热红外光谱特征，对新疆可可托海的矿物和岩石的热红外光谱特征进行了系统探讨。

2.1 典型矿物标本热红外光谱特征

新疆可可托海锂辉石、锂云母、白云母、黑云母、电气石、钠长石、绿柱石、蓝晶石、铁铝榴石、石英、铌钽锰矿、斜长石、萤石等具有显著的热红外光谱特征(图1，图2)。本文将从特征位置和特征的几何形态两个角度阐述上述矿物的热红外光谱特征。

图1 可可托海稀有金属矿床不同矿物或伟晶岩(样品KKTH-1～KKTH-9)的热红外光谱特征Fig.1 Spectra of different kinds of minerals and pegmatites (sample from KKTH-1 to KKTH-9) in Keketuohai rare metal deposit

2.1.1典型矿物标本热红外光谱特征位置

锂辉石热红外光谱反射率整体较高，三个特征峰特征明显，都集中在8625～9350nm之间(图1a,b)。

锂云母热红外光谱反射率非常低，反射率的平均值在0.1以下，且集中在0.075～0.125之间，这导致了锂云母特征峰十分微弱。锂云母的特征峰在9018nm、9405nm和9605nm处(图1c,d)。

白云母热红外光谱反射率整体较高，在9150nm和9620nm处具有双反射峰，在9460nm处共同作用形成明显的吸收特征。除此之外，在10140nm附近存在明显的肩部特征(图1e)。

黑云母热红外光谱反射率较低，反射率的平均值在0.2附近，最大值不超过0.6。黑云母在热红外波段具有三个反射峰，分别位于9324nm、9747nm和10493nm处(图1f)。

电气石热红外光谱反射率整体上较高，反射率的平均值在0.6附近。特征峰较多，大致分布在三个区间：7000～8500nm、8800～10500nm、12400～13500nm。主要的特征峰分布在8800～10500nm区间，包括9540nm处的主特征峰和9120mn和10060nm附近较弱的特征峰。此外，电气石在7945nm和12730nm附近也存在较为明显的特征峰(图1g,h,i)。

绿柱石热红外光谱反射率整体较高，平均值在0.5附近。在热红外波段，绿柱石存在6个明显的特征峰，而且分布比较均匀。主要的特征峰为10000～11000nm的一个特征峰以及12000～14000nm区间的两个特征峰，不同标本的6000～10000nm区间的特征峰存在较大差别(图2a,b)。

蓝晶石热红外光谱反射率较低，平均值为0.1，最大值不超过0.2。蓝晶石在本波段的反射率曲线具有十分独特的形态：蓝晶石在本波段具有6个特征峰，两两组合成为3对双峰分布在8000nm、10800nm及12100nm附近(图2c)。

图2 可可托海稀有金属矿床不同矿物或伟晶岩(样品KKTH-10～KKTH-17)的热红外光谱曲线特征Fig.2 Spectra of different kinds of minerals and pegmatites (sample from KKTH-10 to KKTH-17) in Keketuohai rare metal deposit

铁铝榴石热红外光谱反射率较低，平均值在0.1以下，最大值不超过0.3。在本波段铁铝榴石存在3个特征峰，分别为9950nm附近主要特征峰和位于11300nm附近的双峰(图2d)。

石英的热红外光谱反射率整体较高，平均值超过0.7。其光谱特征明显，在本波段主要存在一大一小两组双峰，分别位于8600nm和12650nm附近，后者特征较弱(图2e)。本次实验采集到的铌钽锰矿与石英的混合光谱，该光谱曲线在11550nm处存在一个明显的特征峰(图2f)。

斜长石热红外光谱反射率整体较高，在本波段范围存在5个特征峰，其中的4个集中分布在8800～10000nm区间，另外一个特征峰位于13000nm附近(图2g)。

萤石的热红外光谱反射率水平极低，平均值在0.03附近，最大值不超多0.07。信号微弱造成了光谱噪声大、微弱特征被淹没。其主要特征是位于9900nm处的一组双峰(图2h)。

2.1.2典型矿物标本热红外光谱特征几何形态

锂辉石在热红外波段有三个明显的特征峰，形态上都较为尖锐，9150nm处特征峰向右偏，9348nm处特征峰向左偏(图1a,b)。

锂云母在热红外波段的特征峰十分微弱。9018nm处特征峰较为宽缓，9405nm处的特征峰较为平缓，更像是9605nm特征峰的一个肩部(图1c,d)。

白云母在9150nm和9620nm处的双反射峰形态上有明显的差别，前者较为宽缓，后者尖锐。10140nm附近的吸收特征在形态上表现为肩部(图1e)。

黑云母在热红外波段有三个反射峰，分布于9324～10493nm之间。其中9747nm处特征峰略向左偏，而10493nm处特征峰略向右偏。黑云母在13200nm处的特征峰表现得较为宽缓(图1f)。

电气石在热红外波段存在较多的特征峰。在7000～8500nm区间的两个特峰、10000nm附近的两个特征峰和13200nm附近的一个特征峰均略向右偏；在12400nm附近的一个特征峰和9000nm附近的一个特征峰均向左偏(图1g,h,i)。

绿柱石在热红外波段存在6个明显的特征峰，而且分布比较均匀。除8000nm附近的特征峰以外，另外5个特征峰都较为尖锐；6000～12000nm区间的特征峰向右偏，12000～14000nm区间的特征峰向左偏(图2a,b)。

蓝晶石在热红外光谱存在三对双峰，分布在8000nm附近的双峰左高右低，较不尖锐；10800nm和12100nm附近的双峰短波方向一侧的特征峰向左偏，另一个向右偏(图2c)。

铁铝榴石在热红外波段存在三个特征峰。9950nm附近的主要特征峰比较宽缓且明显向右偏；位于11300nm附近的双峰较为尖锐(图2d)。

石英在热红外波段存在一大一小两组双峰，位于8600nm附近双峰的形态较为相似，但短波方向的特征峰较弱一些，12650nm附近的双峰弱于8600nm处双峰，短波方向的特征峰反射强度较长波方向特征峰弱一些(图2e)。铌钽锰矿在11550nm处的特征峰略向右偏(图2f)。

斜长石在热红外存在5个特征峰。在8800～10000nm区间的4个集中分布的特征峰比较明显，9350nm处的特征峰较为微弱，在区间两侧可能会出现肩部，位于13000nm附近的特征峰明显向左偏(图2g)。

萤石在热红外波段存在一组双峰，其中短波方向的特征峰较为明显且略向左偏，长波方向的特征峰较微弱且向右偏(图2h)。

2.2 含典型矿物伟晶岩热红外光谱特征

典型的稀有金属矿物锂辉石、锂云母、绿柱石、电气石，与含有这些矿物的伟晶岩以及不含这些矿物的伟晶岩可以通过热红外光谱进行辨别和区分(图3)。本文将从特征位置和特征的几何形态两个角度阐述上述矿物的热红外光谱特征。

2.2.1热红外光谱特征位置

锂辉石单晶、含锂辉石伟晶岩、不含锂辉石伟晶岩的热红外光谱特征具有明显不同的位置。在光谱解译软件TSG中，锂辉石在9155nm和9350nm处有两个典型的反射峰。新疆可可托海稀有金属矿床锂辉石单晶特征峰为9160nm和9350nm，含锂辉石伟晶岩光谱曲线中这两个特征峰波段向短波偏移，分别为9142nm和9309nm。不含锂辉石伟晶岩在9160nm和9350nm附近没有明显的反射峰。

锂云母集合体、含锂云母伟晶岩的热红外光谱特征具有明显不同的位置。锂云母集合体有三个特征反射峰在9018nm、9405nm、9605nm；含锂云母伟晶岩除了在9605nm有特征峰，在8730nm和9900nm附近也有特征反射峰。

绿柱石单晶、含绿柱石伟晶岩可以通过热红外光谱特征位置加以区分。绿柱石单晶有三个典型的反射峰在9197nm、10407nm、12335nm，含绿柱石伟晶岩光谱曲线中这三个峰向短波方向大幅偏移，分别为8292nm、9663nm、10393nm。

电气石单晶、含电气石伟晶岩的热红外光谱特征具有明显不同的位置。电气石单晶有两个特征峰在9538nm、10060nm，而含电气石伟晶这两个特征反射峰明显向长波方向偏移，分别为9545nm、10072nm。

2.2.2热红外光谱特征几何形态

相比锂辉石单晶，含锂辉石伟晶岩在热红外波段的光谱特征并不尖锐，尤其是8250nm和9160nm两个反射峰极为明显。而9350nm和11600nm附近的反射峰的反射强度得到了削弱(图3a,b)。

锂云母集合体在9018nm、9405nm、9605nm附近的三个特征反射峰较不明显，平均的反射率在0.08～0.09之间，而特征反射峰的反射率在0.11附近，导致锂云母集合体的热红外光谱特征难以捕捉；而含锂云母伟晶岩的平均光谱反射率减低至0.025左右，突出了反射峰，并且伟晶岩中9605nm附近的特征峰相比于集合体的特征峰明显尖锐了很多。此外，新产生的在8730nm和9900nm附近的特征反射峰也较为明显，其中前者比较宽缓，后者较尖锐(图3c,d)。

图3 锂辉石、锂云母、绿柱石、电气石矿物与含这些矿物伟晶岩的热红外光谱图Fig.3 Spectra of spodumene, lepidolite, beryl and tourmaline as well as these minerals-bearing pegmatites

绿柱石单晶与含绿柱石伟晶岩在热红外波段的光谱特征在几何形态上也有明显区别。绿柱石单晶的三个典型反射峰的反射强度都比较大，形态上较为明显，便于识别，而含绿柱石伟晶岩光谱中这三个峰除8292nm附近的特征峰的反射强度有一定程度的增强外，其余两个在9663nm和10393nm附近的特征峰的反射强度明显减弱(图3e,f)。

电气石单晶、含电气石伟晶岩在热红外波段的光谱特征在几何形态上区别并不大。相比于电气石单晶，含电气石伟晶岩由于整体反射率较低，其反射特征得到了增强，尤其是对于9545nm附近的反射峰而言，明显较电气石单晶的特征尖锐了很多(图3g,h)。

3 结论

本文使用便携式热红外分析仪对可可托海稀有金属矿床典型矿物及岩石进行了热红外光谱反射率数据采集，建立了该矿区典型矿物和岩石的热红外光谱特征数据库。同时，总结出典型矿物锂辉石、锂云母、绿柱石、电气石和含有这些矿物的伟晶岩的热红外光谱特征。其中，含锂云母伟晶岩产生了新的特征峰，含锂辉石伟晶岩与含电气石伟晶岩相比，各自单晶矿物的反射特征峰均明显向短波方向偏移；含绿柱石伟晶岩光谱曲线反射特征峰比绿柱石单晶反射特征峰明显向长波方向偏移。这些光谱特征可作为使用热红外波段识别稀有金属矿物的依据，弥补了现阶段使用短波红外光谱对锂辉石等无水硅酸盐类矿物无法进行快速、高效识别的缺陷，为稀有金属矿物快速、无损识别提供了一种新思路。

本文尝试应用热红外光谱对新疆可可托海稀有金属矿床中矿物和岩石进行识别，为高效、快速辨别稀有金属岩矿信息和找矿标志提供了新理论、新方法、新应用，为热红外光谱进行稀有金属矿物的识别及花岗伟晶岩型矿床的勘探提供了必要的基础数据支撑。应用热红外光谱技术能够快速、精准识别含锂辉石伟晶岩和锂辉石单晶，也可以快速、精准识别稀有金属矿床中的典型矿物及岩石。