短波红外光谱技术在矿产勘查中的应用——以鄂东南陶港地区为例

张小波， 孙四权， 黄景孟， 周 豹， 曾小华， 郭宁宁， 王 欢

(1.湖北省地质调查院，湖北 武汉 430034; 2.湖北省地质勘查工程技术研究中心，湖北 武汉 430034)

长江中下游成矿带西起湖北鄂城，东至江苏镇江，是中国重要的铜、铁、金成矿带[1]，大地构造位置位于扬子板块北缘的长江断裂带内[2]，区域内长期的构造、岩浆和成矿作用耦合形成了成矿带内丰富多样的铁、铜、金等矿床组合，金属矿床(点)计有200余处[3]。矿带自西向东可分为鄂东南、九瑞、安庆、庐枞、铜陵、宁芜和宁镇共七大矿集区。鄂东南矿集区位于长江中下游成矿带的西段，是中国重要的矽卡岩型铜铁矿床大型矿集区，近年来区内找矿工作取得了一定进展，但当前仍然面临亟待解决的找矿问题，特别是在地表资源逐渐枯竭和“深部勘查”的新形势下，如何指导勘查位于深部的矿体，指明找矿方向并确定矿体位置是区内矿产勘查的重点。

近年来，短波红外光谱技术(Short wave infrared，SWIR)已逐渐成为现代找矿勘查和矿产资源潜力评估的重要手段之一[4-5]，广泛应用于斑岩型、浅成低温热液型、火山成因块状硫化物型(VMS)和铁氧化物铜金型(IOCG)等类型矿床的勘查中[6-9]。在鄂东南地区首次建立了矽卡岩型矿床矿物地球化学勘查方法，针对铜绿山等矽卡岩型矿床开展了短波红外光谱技术的应用研究[10]，通过获取矿物勘查指标有效指导了矿区勘查验证，为铜绿山矿区新增Cu金属量超过7万t、Au金属量超过5 t、铁矿石量994万t[11]。但该技术目前基本都应用于已知矿床的中后期勘查，鲜见有在矿产勘查早期的应用。

为此，本文在总结和分析已有地质资料及研究成果的基础上，在鄂东南陶港地区开展了短波红外光谱技术的相关研究工作，揭示短波红外光谱在研究区的空间变化规律，探索在矿产勘查早期的应用潜力，对降低勘查风险、提高找矿效率及实现短波红外光谱技术在鄂东南找矿勘查全流程的应用具有较为重要的意义。

1 地质背景

1.1 区域地质背景

鄂东南矿集区大地构造位置属于扬子陆块北东缘，北邻秦岭—大别造山带[12]。区内地层出露较为齐全，从前震旦系至第四系均有发育，仅缺失中—下泥盆统和上石炭统，古生代地层主要发育于该地区的南部，中生代地层分布较广。中生代岩浆活动十分强烈，并显示多期次活动的特点，从北至南依次为鄂城、铁山、金山店、灵乡、阳新、殷祖六大岩体以及众多小岩体[13](图1-a)。矿床类型以矽卡岩型和斑岩型为主，成矿与中生代侵入岩关系密切。

1.2 研究区地质特征

研究区位于阳新岩体东端，地质特征较为简单，地表主要出露石英闪长岩和第四系沉积物。因岩体风化严重，地表构造痕迹难以辨识。

图1 鄂东南地区地质简图[13](a)及陶港地区地质简图[14](b)Fig.1 Geological sketch for southeast Hubei Proince (a) and Taogang area (b)

自20世纪90年代起，不同单位在区内开展过相关勘查工作，圈定了重磁电系列物探异常，且各异常叠合较好[14](图1-b)。《湖北省阳新县陶港地区铜铁矿预普查》项目通过大比例尺的重力测量、剖面测量工作圈定深部物探异常，钻探验证发现了深部矿化蚀变线索。区内目前施工钻孔1个(ZK01)，孔深500.21 m。岩性为石英闪长岩，局部夹有深灰色辉长闪长岩包体。岩体整体较完整，仅在孔深151～166 m间见一长约14 m的构造破碎带，由一套碎斑岩组成。

孔内见闪锌矿化，呈不规则脉状产出(图2-a)，但其品位低，延伸、延长情况不明。除此外，可见黄铁矿化以团块状、浸染状沿裂隙面分布(图2-b)，多分布于构造破碎带以下岩体中。以构造破碎带为界，下部岩体中矿化蚀变明显强于上部岩体。

a.闪锌矿沿石英脉呈不规则条带状产出；b.团块状、浸染状黄铁矿；Sp.闪锌矿；Q.石英；Py.黄铁矿图2 陶港地区典型矿化特征Fig.2 Photographs showing typical characteristics of the mineralization at the Taogang area

孔内蚀变普遍发育，有钾化、硅化、碳酸盐化、绿帘石化、黑云母化、绿泥石化、绢云母化等，其中以绿泥石化、绢云母化最为发育(图3)。

2 短波红外光谱技术的应用

2.1 短波红外光谱技术简介

短波红外光谱是分子振动光谱的倍频和主频吸收光谱，主要是由分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，其波长范围在1 300～2 500 nm[15-16]。短波红外光谱技术的原理是矿物晶格中离子或离子团间化学键的弯曲与伸缩会吸收特殊波段的光谱。由于不同类型的矿物具有不同的基团，当样品被短波红外光照射时，其反射率光谱曲线在短波红外波段范围内具有不同的“吸收”特征，从而在不同的波长位置形成波谷，如分子结构中含Al-OH、Fe-OH及Mg-OH等羟基结构的矿物，其短波红外光谱分别在2 200、2 250和2 350 nm附近形成波谷[6]。因此，应用短波红外光谱技术能够快速准确地鉴别白云母、伊利石、绿泥石等蚀变矿物。此外，短波红外光谱能够通过波谷位置的变化定性地测出某些类质同象矿物的化学成分，还可以根据某一波长位置、波谷深度的变化定量地测出矿物的含量和结晶度[17]。

本次测量所用仪器为美国Analytical Spectral Devices Inc.公司生产的TerraSpec便携式矿物光谱仪。TerraSpec所收集信号的波长范围相对较宽，为350～2 500 nm，包括了整个可见光、近红外及短波红外光区域。该仪器的光谱分辨率约为6～7 nm，光谱取样间距为2 nm，测试窗口为直径2.5 cm的圆形区域，测试样品所用时间可由用户自行设置，淡色岩石完成一个测点需4～6 s，深色岩石完成一个测点需6～10 s。

2.2 样品采集及测试方法

本次研究选取陶港地区01号勘探线剖面，采集钻孔ZK01有效样品共计228件，采样间距为2～3 m，在蚀变比较集中的区域适当加密(表1)。

首先，将样品洗净晾干，避免矿物表面的尘土或水分带来干扰。为了提高数据的可靠性，每件样品都测试2个点，并对每一个测点的位置进行标记。在测试之前，对仪器进行校准及优化操作，仪器参数光谱平均设置为200、基准白设置为400，然后进行基准白操作。此时，仪器的光谱线很平直，几乎无噪音干扰时即可进行样品的测试工作。测试时，为保证数据的质量，每隔15 min对仪器进行一次优化和基准白测量。对测试所得的光谱数据，先用光谱地质师软件(The Spectral Geologist，TSG)进行自动解译，然后通过人工逐条核对、审查、再解译，并最终确定矿物种类。白云母族矿物(1 900 nm和2 200 nm)和绿泥石(2 250 nm和2 335 nm)吸收峰位(Position)、吸收峰位深度(Deep)等参数都可以通过TSG V.3的标量直接获取，白云母族矿物的结晶度(IC_Card)也可以通过TSG V.3的标量功能直接求出。每个样品一般都有2个分析结果，若识别出单种矿物有多个数据，则取其平均值。因测试的原始数据量较大,故只列出部分数据，详见表1。

表1 鄂东南陶港地区钻孔ZK01蚀变矿物短波红外光谱测试结果表Table 1 SWIR results of the alteration minerals in the drill hole ZK01 at Taogang area in southeast Hubei

续表1

2.3 测试结果

本次采用短波红外光谱测试，在陶港地区钻孔ZK01样品中共识别出5种含水矿物，分别为阳起石、白云母、蒙脱石、伊利石、绿泥石(镁绿泥石、铁镁绿泥石)，其中，伊利石、绿泥石尤为发育(图4，表1)。以下主要对绿泥石、白云母族矿物的空间分布特征及光谱参数数据进行分析。

图4 陶港地区含水蚀变矿物统计图Fig.4 Statistic chart of alteration minerals in Taogang area

2.3.1绿泥石光谱参数变化规律

绿泥石的矿物结构中主要含有2个特征性基团(Fe-OH和Mg-OH)。当短波红外光照射时，Fe-OH在2 250 nm附近出现特征峰吸收，该位置称为“绿泥石2 250 nm吸收峰位(Pos2250)”，相应的吸收峰深度称为“绿泥石2 250 nm吸收峰位深度(Dep2250)”；Mg-OH在2 335 nm附近出现特征峰吸收，该位置称为“绿泥石2 335 nm吸收峰位(Pos2335)”，相应的吸收峰深度称为“绿泥石2 335 nm吸收峰位深度(Dep2335)”[17](图5)。

经对钻孔ZK01的绿泥石Fe-OH和Mg-OH的特征吸收峰位值(Pos)及吸收峰位深度值(Dep)进行系统地统计和分析，所测含绿泥石样品中，绿泥石Pos2250值变化在2 240.06～2 254.52 nm(平均值为2 250.49 nm)，Dep2250值变化在0.01～0.12(平均值为0.04)，Pos2335值变化在2 323.68～2 354.33 nm(平均值为2 332.5 nm)，Dep2335值变化在0.03～0.31(平均值为0.12)。在空间上，绿泥石2 250 nm吸收峰位值(Pos2250)、2 335 nm吸收峰位值(Pos2335)均呈现出明显的变化规律。Pos2250值从浅至深有明显的从低值变为高值的变化趋势，Pos2335值从浅至深有明显的从高值变为低值的变化趋势，且都以构造破碎带为界(图6,表1)。绿泥石2 250 nm吸收峰位深度值(Dep2250)和2 335 nm吸收峰位深度值(Dep2335)在空间上的变化规律不明显(图6,表1)。

2.3.2白云母族矿物光谱参数变化规律

在短波红外光谱方面，对白云母族矿物的分类主要是依据它们的晶体化学结构中都含有2个特征性基团，即～1 900 nm的H2O峰和～2 200 nm的Al-OH峰。当短波红外光照射时，H2O峰在1 900 nm附近出现特征峰吸收，该位置称为“白云母族1 900 nm吸收峰位(Pos1900)”，相应的吸收峰深度称为“白云母族1 900 nm吸收峰位深度(Dep1900)”；Al-OH在2 200 nm附近出现特征峰吸收，该位置称为“白云母族2 200 nm吸收峰位(Pos2200)”，相应的吸收峰深度称为“白云母族2 200 nm吸收峰位深度(Dep2200)”[18](图5)。

所测含白云母族矿物样品中，白云母族Pos1900值变化在1 911.60～1 936.22 nm(平均值为1 923.30 nm)，Dep1900值变化在0.05～0.43(平均值为0.14);Pos2200值变化在2 197.24～2 215.28 nm(平均值为2 200.13 nm)，Dep2200值变化在0.03～0.33(平均值为0.08)。在空间上，白云母族矿物1 900、2 200 nm吸收峰位值(Pos1900、Pos2200)和吸收峰位深度值(Dep1900、Dep2200)的变化规律不明显，白云母族的结晶度亦无明显的变化规律(图6,表1)。

图5 绿泥石(a)、白云母族矿物(b)标准光谱曲线特征图Fig.5 Standard spectral curves of chlorite (a) and dolomite parent mineral (b)

图6 钻孔ZK01简化柱状图及蚀变矿物短波红外光谱测试结果空间分布规律图Fig.6 Simplified histogram and the spatial distribution diagram of alteration minerals SWIR results of the drill hole ZK01

3 讨论

本次研究发现，钻孔由浅至深，绿泥石由以镁绿泥石为主逐渐变为以铁镁绿泥石为主，且以构造破碎带为较明显的分界。深部较强矿化蚀变区的绿泥石明显富Fe，而浅部弱矿化蚀变区的绿泥石相对富Mg，总体存在着从深部至浅部流体从高温到低温的演化规律。早期富Fe的热液流体随着远距离搬运、温度降低等因素导致富Fe流体的消耗殆尽，热液流体交代岩体中富Mg的角闪石和黑云母而形成镁绿泥石[19]。这一现象与前人在鄂东南地区铜绿山、铜山口等矿床的研究成果一脉相承[11]，因此，笔者初步认为绿泥石成分在空间上的变化，可以作为区内新的勘查标志，并且在鄂东南地区具有较好的应用前景。

与之相对应的，绿泥石的Fe-OH特征吸收峰位值(Pos2250)在钻孔中从浅至深显示出从低值变化为高值的趋势，绿泥石的Mg-OH特征吸收峰位值(Pos2335)在钻孔中从浅至深显示出从高值变化为低值的趋势，且均以构造破碎带为界，绿泥石高的Fe-OH吸收峰位值区和低的Mg-OH吸收峰位值区与孔内的矿化蚀变区对应较好，对矿化蚀变带具有一定的指示作用。

目前，已有的研究证明伊利石的IC值(结晶度)和Pos2200值变化主要与矿物形成的温度有关，即温度越高，IC值越高，而Pos2200值越低[16]。本次在区内识别出大量白云母族矿物(伊利石、蒙脱石及少量的白云母)，但其光谱参数无明显的变化规律，笔者分析主要原因为区内矿化强度相对较弱、品位低且无明显的浓集中心，这也与区内目前的勘查成果相吻合。

4 结论

(1) 本次研究在陶港地区共识别出5种含水矿物，分别为阳起石、白云母、蒙脱石、伊利石、绿泥石，其中以伊利石、绿泥石最为发育。

(2) 本次采用SWIR勘查发现，钻孔由浅至深，绿泥石出现由镁绿泥石逐渐变为铁镁绿泥石，相对应的绿泥石Fe-OH特征吸收峰位值(Pos2250)显示出从低值变为高值的趋势，绿泥石Mg-OH特征吸收峰位值(Pos2335)显示出从高值变为低值的趋势，绿泥石成分在空间上的变化可以作为区内新的勘查标志。绿泥石高的Fe-OH吸收峰位值区和低的Mg-OH吸收峰位值区对矿化蚀变带具有一定的指示作用。