基于高光谱岩心扫描的蚀变矿物光谱特征分带及其在找矿勘查中的应用

姜腾飞 支成龙 安茂国 韩宗瑞 尚振 谢丽丽 唐洪敏

摘要： 本文对郗山稀土矿进行实物地质资料数字化工作的基础上，重点对该矿钻孔岩心进行高光谱扫描，利用光谱诊断特征进行蚀变矿物识别，识别出热液蚀变矿物主要有蒙脱石、伊蒙混层、伊利石、高岭石、碳酸盐矿物、金云母、绿泥石、白云母、蛋白石、石膏等，其中与稀土矿化关系密切的主要为金云母、绿泥石，总结了蚀变分带特征，提取主要蚀变矿物的光谱特征参数，实现主要蚀变矿物在钻孔垂向上的半定量表达。对主要蚀变矿物各自特征峰位置进行特征峰位移统计，发现主要蚀变矿物各自特征峰位移明显区域与矿化（矿体）段（热液蚀变带区域）具有良好对应一致性。其中，Al OH峰位，即2200nm特征峰位置（Pos2000），在2190～2220nm之间进行“漂移”，且普遍大于2205～2210nm部位能准确指示热液蚀变带区域，可用于指示成矿环境，确定找矿方向及预测找矿，是郗山矿区稀土矿体找矿的又一重要标志。

关键词： 高光谱扫描；岩心；稀土矿；郗山矿区

中图分类号： TE822.01     文献标识码： A    doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.03.016

引文格式： 姜騰飞，支成龙，安茂国，等.基于高光谱岩心扫描的蚀变矿物光谱特征分带及其在找矿勘查中的应用——以山东省郗山稀土矿为例［J］.山东国土资源，2023，39（3）：110 118.JIANG Tengfei， ZHI Chenglong， AN Maoguo， et al. Spectral Characteristics Zoning of Altered Minerals Based on Hyperspectral Ccore Scanning  and Its Application in Ore Prospecting and Exploration——Taking Xishan Rare Earth Mining Area as an Example［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（3）：110 118.

0 引言

实物地质资料较之成果地质资料、原始地质资料，具有原始性与客观性、唯一性与不可再生性、获取成本高、保管难度大、服务利用条件复杂等特殊性质［1］。其中，岩芯高光谱扫描是实物地质资料多参数数字化的一个重要的方面。岩心高光谱扫描是高光谱遥感向精细—深部拓展的新的应用方向，主要基于短波红外光谱技术进行光谱矿物测量。SWIR技术在地质矿产勘查方面的应用主要为蚀变矿物填图和成矿地质环境反演［2］。即通过光谱特征进行蚀变矿物识别，划分蚀变分带，圈定成矿相关蚀变矿物分布范围，提高找矿成功率和准确度；通过对成矿相关蚀变矿物的光谱特征参数变化规律的分析，圈定热液蚀变带，反演成矿环境，提供找矿标志。同时，岩心高光谱扫描编录能够弥补野外观察人工编录对于精细岩心矿物，尤其是细粒蚀变矿物识别的欠缺，同时取得的光谱数据后期能够存储和可持续性利用，为岩心数字化编录提供数据支持。

高光谱扫描技术在地质矿产勘查中承担着越来越重要的作用，尤其对蚀变矿物发育的热液型矿床勘查来说，成矿相关的热液蚀变矿物的准确识别是重中之重，而低温热液蚀变矿物的识别正是高光谱技术的优势所在。

首次利用高分辨高光谱扫描技术对郗山稀土矿岩心进行蚀变矿物识别，通过提取相关蚀变矿物光谱特征参数，结合前人的工作方法及经验［3 14］，对郗山稀土矿内蚀变矿物光谱特征进行研究，尝试建立主要蚀变矿物各自特征峰峰位移与稀土矿化空间位置二者之间的对应关系，以期为实物地质资料多参数数字化、存储及再次开放利用提供新的思路。

1 研究区概况

研究区位于山东省微山县城东南20km的郗山村，行政区划隶属微山县韩庄镇。出露地层简单，主要分布新生代第四系，地表见中生代燕山期碱性侵入岩岩体。探矿工程揭露，第四系之下发育新太古代片麻状中粒花岗闪长岩、片麻状中粗粒二长花岗岩。中生代燕山期碱性侵入岩岩体呈不规则枝叉状侵入中粒花岗闪长岩中，接触处多发生程度不同的碱性交代作用。岩体展布形态为NW向延伸，并向南西倾斜，主体岩性为正长岩、石英正长岩及含霓辉石英正长岩等（图1）。

稀土矿体多围绕郗山剥蚀残丘展布，严格受各期构造控制，单脉状、网脉状、浸染状产出，分布于碱性岩体顶、底板附近。各矿体的规模、产状、组分、品位等方面不尽相同，以北向断层为界，北西盘形成矿脉群比南东盘矿脉群规模稍大。位于矿区北区部的成矿后断层对矿体连续性造成较大影响，个别矿体向深部延伸有产状变缓、厚度变小、品位降低的趋势。矿体尖灭再现、分支复合现象明显。

矿石类型主要为含稀土石英重晶石碳酸盐脉（地表为含稀土褐铁矿化石英重晶石脉）。此类型是矿区主要含稀土矿脉，具有重要的工业意义。含稀土石英重晶石碳酸盐脉数量最多，分布广泛，多为单脉状矿体，形态比较规则，厚度相对较大，矿体延伸连续性较好，其他矿脉都是零星分布。网脉型矿体，多为含稀土碳酸盐细脉，脉宽1～2mm。其发育在单脉状矿体外侧，多条细脉交织相伴组成网脉带。浸染状矿体，多为含稀土矿物等矿化物质，以微细脉状、浸染状充填交代于含霓辉石正长岩及其他岩石中形成矿石者。在矿区内，此类浸染状矿石数量大、品位较低。

矿区蚀变作用发育，与稀土矿化关系较为密切的主要有萤石化、钾长石化、黄铁矿化、重晶石化、褐铁矿化、碳酸盐化等。

2 短波红外矿物分析测试方法

2.1 测试仪器

本次工作使用仪器为CMS350B型全自动数字化岩心光谱扫描仪，由国家重大仪器专项资助，南京地质调查中心联合国内外著名高校、研究所和企业等单位研制。仪器突破了传统的岩心图像扫描单一功能，增加了蚀变矿物光谱探测，实现了谱图合一数据采集。通过数据反演，完成快速岩心自动编录、蚀变矿物填图，为岩心数字化，建立岩心数据库提供重要技术手段。光谱扫描的波长范围为350～2500nm，光谱分辨率：<7nm，可快速分析层状硅酸盐中单矿物、含羟基之硅酸盐矿物、硫酸盐矿物和碳酸盐矿物等低温蚀变矿物，扫描速度约为300～500m/d（表1）。

2.2 样品采集和测试

本次工作主要选取郗山矿区具有代表性的5个钻孔进行岩心高光谱扫描，以钻孔为单位进行扫描，一个钻孔为一个扫描批次，开始岩心扫描前，需要准备的资料有钻孔地质编录表、钻孔柱状图和岩心整理登记表。

进行仪器优化校准，依次选择：本底数据→标准本底→参比数据→标准参比→反射率数据→双向连续扫描，扫描过程中每隔5cm采集一个样品点，共扫描岩心3310.1m，采集高光谱样品点65792个。同时进行传统人工地质编录，在人工编录的基础上采集基本分析样品543件，与光谱数据进行对照，以期找到二者之间的联系（表2）。

2.3 数据预处理和光谱解释

对取得的高光谱原始数据，与系统库标准光谱线进行比对，分别用仪器自带软件CMS数据处理系统、MSA近红外矿物分析系统进行预处理和光谱蚀变矿物识别，并对典型蚀变矿物的光谱进行人工识谱，最终确定所测蚀变矿物的种类。每个样品点光谱特征是多个蚀变矿物光谱叠加，诊断性吸收峰特征进行蚀变矿物类型确定，通过数学算法拟合得到每个样品点的主要蚀变矿物的相对百分含量。

用MSA近红外矿物分析系统对主要蚀变矿物的光谱特征参数进行提取分析处理，光谱特征参数主要包括峰位移、峰强比、峰强度、峰对称、反射率和半宽高。

3 矿产勘查应用

3.1 蚀变矿物种类

结果显示，钻孔岩心中识别出蚀变矿物主要有蒙脱石、伊蒙混层、伊利石、碳酸盐矿物、金云母、绿泥石、白云母、蛋白石、石膏、绿帘石等（图2）。

3.2 主要蚀变矿物光谱特征

本次工作蚀变矿物金云母的主要诊断特征出现在2330nm附近的吸收峰，同时2380nm附近的肩部（单峰）也很明显（图3）。蒙脱石在2200nm附近可见强吸收峰，1410nm和1910nm的特征明显不对称，这是因为在1460nm和1940nm附近分别形成了肩部。与白云母相比，蒙脱石在2345nm或2440nm附近没有明显的特征。碳酸盐矿物2340nm处的特征吸收峰十分明显，2300nm附近的肩峰也清晰可见。伊利石大部分数据缺少2100nm附近吸收峰、具有1455nm附近的肩峰、深1910nm的吸附水峰特征、1950nm附近的典型蒙脱石肩峰和缺少2440nm特征峰的光谱特征，结合主要的1408nm、2348nm、2442nm和Al OH影响2200nm吸收峰的伊利石特征，判断为混合层蒙脱石/伊利石（伊蒙混合层）。绿泥石主吸收峰位置在2250nm和2340nm处，判断为镁绿泥石，部分2390nm吸收峰也比较明显，2105nm处吸收峰偏向于长波部位，偏移到2200nm处，是其他蚀变矿物白云母混合影响的结果，总体而言，绿泥石的蚀变特征比较明显。白云母在2100nm附近浅而宽的吸收峰十分明显，同时1400nm、1900nm附近的水峰规模较小，2200nm附近的主特征吸收峰十分发育。此外，2348nm、2442nm附近吸收峰也十分清晰。

3.3 蚀变矿物组合分带

依据蚀变矿物在空间上分布趋势，划分蚀变矿物组合分带。郗山矿区中蚀变矿物组合中金云母、绿泥石分带与热液蚀变带对应性良好，与稀土品位呈正相关性，能较好的划定热液蚀变带部位。

ZK3 2中伊利石在钻孔中分布广泛，金云母集中分布于钻孔下部，其他蚀变矿物分布稀少。ZK5 1中碳酸盐矿物、蒙脱石在钻孔中分布广泛，金云母集中分布于钻孔中上部，蛋白石集中于钻孔中下部，伊利石分布稀少。ZK39 1中蒙脱石、白云母在钻孔中分布广泛，伊利石、绿泥石集中分布于钻孔中下部，其他蚀变矿物分布较少。ZK48 3中伊蒙混层分布广泛，金云母分布较多，蒙脱石分布于钻孔下部，其他蚀变矿物分布稀少。ZK64 1中白云母分布广泛，金云母密集分布于钻孔局部，伊蒙混层集中于钻孔上部，其他蚀变矿物分布稀少。

高光谱在蚀变信息提取及岩心编录的应用上有良好的效果，能获取丰富的蚀变信息，反映更多的地质信息。以ZK39 1为例进行蚀变矿物组合分带划分，该钻孔金云母相对含量较少，故蚀变矿物组合分带名称以绿泥石等蚀变矿物为主。ZK39 1共扫描样品点15344个，识别出主要蚀变矿物为蒙脱石、伊利石、白云母、绿泥石、蛋白石、金云母、方解石、石膏（图4）。蚀变矿物组合分带依次为：蒙脱石+白云母+伊利石、方解石、蒙脱石+白云母、绿泥石+方解石、蒙脱石+绿泥石+白云母、方解石+绿泥石+蒙脱石、白云母+绿泥石+蒙脱石、白云母+蒙脱石+伊利石、蒙脱石+伊利石、绿泥石+白云母、蒙脱石+伊利石、蒙脱石+白云母、方解石+白云母、绿泥石+伊利石+蒙脱石、绿泥石+蒙脱石。

0.00～131.70m，主要蚀变矿物组合为蒙脱石+白云母+伊利石。主要岩性为第四系亚黏土、花岗闪长岩、含氟碳铈矿花岗闪长岩、石英正长岩，黑云斜长角闪岩。花岗闪长岩可见裂隙发育，石英正長岩中可见星点状黄铁矿分布，局部可见萤石矿化。86.80～93.10m处岩性为含氟碳铈矿花岗闪长岩，主要矿物成分为斜长石、石英、黑云母、角闪石及少量氟碳铈矿等。

131.70～144.50m，主要蚀变矿物组合为方解石。主要岩性为石英正长岩。岩石中可见星点状黄铁矿分布，局部见萤石矿化。

144.50～185.30m，主要蚀变矿物组合为蒙脱石+白云母。主要岩性为花岗闪长岩、石英正长岩。163.30～167.00m处岩性为石英正长岩，主要矿物成分为钾长石、石英、少量黑云母，局部见团块状黄铁矿分布，见萤石矿化、铅锌矿化。

185.30～217.60m，主要蚀变矿物组合为绿泥石+方解石。主要岩性为黑云斜长角闪岩、含氟碳铈矿石英重晶石脉。215.20～215.60m处岩性为含氟碳铈矿石英重晶石脉，颜色呈杂色，主要矿物成分为石英、重晶石、氟碳铈矿及少量萤石。215.60～217.60m处岩性为黑云斜长角闪岩，底部20cm黄铁矿化、萤石矿化较强。

217.60～249.60m，主要蚀变矿物组合为蒙脱石+绿泥石+白云母。主要岩性为石英正长岩、花岗闪长岩。石英正长岩主要矿物成分为钾长石、石英、少量黑云母，局部见黄铁矿沿裂隙分布。

249.60～277.80m，主要蚀变矿物组合为方解石+绿泥石+蒙脱石。主要岩性为（蚀变）石英正长岩、含氟碳铈矿石英重晶石脉。256.05～261.60m处岩性为蚀变石英正长岩，局部见星点状黄铁矿分布，钾长石见高岭土化，暗色矿物具绿帘石化，岩石风化破碎严重。271.85～273.80m处岩性为含氟碳铈矿石英重晶石脉，主要矿物成分为石英、重晶石、氟碳铈矿及少量萤石。

277.80～344.90m，主要蚀变矿物组合为白云母+绿泥石+蒙脱石，少量方解石。主要岩性为石英正长岩、花岗闪长岩。石英正长岩主要矿物成分为钾长石、石英、少量黑云母，局部可见星点状黄铁矿分布。

344.90～448.30m，主要蚀变矿物组合为白云母+蒙脱石+伊利石。主要岩性为石英正长岩、花岗闪长岩。400.85～401.25m、402.80～403.35m岩性为含氟碳铈矿石英重晶石脉。433.50～435.20m、439.80～441.10m、444.80～445.10m、445.60～446.50m处可见氟碳铈矿化。

448.30～486.70m，主要蚀变矿物组合为蒙脱石+伊利石，少量白云母。主要岩性为石英正长岩、花岗闪长岩、含氟碳铈矿石英重晶石脉。451.20～453.10m处岩性为含氟碳铈矿石英重晶石脉，主要矿物成分为石英、重晶石、氟碳铈矿及少量萤石等。

486.70～534.10m，主要蚀变矿物组合为绿泥石+白云母。主要岩性为石英正长岩、花岗闪长岩、含氟碳铈矿石英重晶石脉。495.50～496.70m、497.70～501.50m、520.20～524.40m、527.40～529.65m处岩性为含氟碳铈矿石英重晶石脉，主要矿物成分为石英、重晶石、氟碳铈矿及少量萤石等。

534.10～587.40m，主要蚀变矿物组合为蒙脱石+伊利石。主要岩性为石英正长岩、花岗闪长岩、含氟碳铈矿石英重晶石脉。538.60～559.60m处岩性为蚀变花岗闪长岩，岩石破碎，局部见含氟碳铈矿石英重晶石脉穿插，岩石破碎呈碎块状，局部见方解石脉。钾长石具高岒土化蚀变，暗色矿物具绿泥石化蚀变。559.60～587.40m处岩性为构造角砾岩，其中559.60～567.60m处岩性为含氟碳铈矿石英重晶石脉。

587.40～652.00m，主要蚀变矿物组合为蒙脱石+白云母。主要岩性为石英正长斑岩、花岗闪长岩、含氟碳铈矿石英重晶石脉。593.10～593.50m、607.50～610.00m、618.70～619.30m处岩性为含氟碳铈矿石英重晶石脉，主要矿物成分为石英、重晶石、氟碳铈矿及少量萤石等。

652.00～665.65m，主要蚀变矿物组合为方解石+白云母。主要岩性为石英正长斑岩、石英正长岩。

665.65～702.30m，主要蚀变矿物组合为蒙脱石+白云母。主要岩性为花岗闪长岩、石英正长岩。690.80～691.15m处见含氟碳铈矿石英重晶石脉。

702.30～754.10m，主要蚀变矿物组合为绿泥石+伊利石+蒙脱石。主要岩性为花岗闪长岩、石英正长岩。

754.10～780.00m，主要蚀变矿物组合为绿泥石+蒙脱石。主要岩性为花岗闪长岩、石英正长岩、黑云斜长角闪岩。黑云斜长角闪岩中局部见正长岩脉，石英岩脉穿插，脉宽约3～10cm。

3.4 光谱特征参数的应用

以往学者对于蚀变矿物的光谱特征参数有着相当程度的研究，光谱特征参数对于指示蚀变矿物的特性有着重要意义，尤其是峰位移、峰强比［15 20］。

峰位移为特征峰波长位置变化，反映在地质作用下，蚀变矿物中阳离子的交换情况。云母族、蒙脱石、伊利石等蚀变矿物具有Al OH矿物特征峰的峰位移的现象，原因为Al不同程度的被Fe2+、Fe3+、Mg2+等替代，会造成硅酸盐矿物Al OH特征吸收峰峰位的变化。如果数值偏大，矿物当中的K+或者Na+取代Al OH当中的Al3+，出现贫Al的问题，Al OH吸收峰就会往高波长方向移动。

峰强比为矿物特征峰强度与其吸附水峰（位于1900nm）强度之比值，简称短波红外光谱结晶度（SWIR IC），该比值反映了矿物内部的结晶度信息。在温度较高的条件下，绢云母族等蚀变矿物接近理想的配比模型，随着温度的变低，其四面体晶格中的分子逐渐被一些缺陷和其他分子替代，因此矿物层间位置会容纳更多的吸附水，分子晶格中较高的H2O会引起短波红外波段1900nm吸收峰的深度增加，引起矿物中的的结晶度值（SWIR IC）降低。

特征峰位移与结晶度有很好的相关性，Al OH吸收峰位也可以作为伊利石结晶度的估计，短波的伊利石具有高的结晶度，代表相对较高的热液蚀变温度。

4 討论

本次工作系统提取了钻孔中蚀变矿物的光谱特征参数，主要包括峰位移、峰强比、峰强度、峰对称、反射率和半宽高，得到其在钻孔垂向上的分布特征。其中，对主要蚀变矿物A1 OH的2200nm特征峰位置均作了散点图。另对蒙脱石A1 OH的2200nm特征峰位置（Pos2000）、金云母Mg OH特征峰位置（Pos2300）、碳酸盐矿物2340nm特征峰位置（Pos2340）进行单矿物特征峰位移统计。

通过对光谱特征参数与蚀变矿物相对含量、稀土矿化程度、垂向岩性进行对比研究，在主要蚀变矿物A1 OH的特征峰位置散点图中看出，石英重晶石脉、构造角砾岩部位可见明显的Al OH峰位移，即2200nm特征峰位置漂移现象，并多往长波方向移动，意味着Al OH峰位移能够准确的指示热液蚀变带的部位。主要表现为，2200nm特征峰位置（Pos2000）在2190～2220nm之间进行“漂移”，最高值可到2225nm及最低值可到2185nm，且波长普遍在2205～2210nm部位与热液蚀变带区域重合。

在单矿物特征峰位移中同样发现主要蚀变矿物各自特征峰峰位移明显区域与矿化（矿体）段（热液蚀变带区域）对应性良好，而且可以明显看到分别利用高光谱扫描仪得到的特征峰位移特征和实验测试得到的稀土品位曲线特征表现出了惊人的相似性，相关性极高（图5）。

主要蚀变矿物的其他光谱特征参数也有相应体现，可作为次要参考因素。表现为矿化（矿体）段对应光谱特征参数的强度比（结晶度）值较低，代表相对较低的热液蚀变温度，结合光谱特征参数结晶度来看，SWIR IC结晶度值指示了热液活动中心在深部，向上矿物形成温度逐渐降低。

本次工作对比主要蚀变矿物相对含量与稀土品位后发现，金云母的相对含量高值区依然多与稀土品位的高值区重合，作为次要指示矿物，绿泥石相对含量高值区与稀土品位的高值区重合率有所提高。

5 结论

（1）基于高光谱扫描技术识别出郗山矿区蚀变矿物主要有蒙脱石、伊蒙混层、伊利石、碳酸盐矿物、金云母、绿泥石、白云母、蛋白石、石膏、绿帘石等。其中，金云母、绿泥石与稀土矿化的关系密切。查明了郗山地区稀土矿主要蚀变矿物类型和分布，以及与稀土矿化之间的关系。

（2）通过对郗山稀土钻孔岩心高光谱扫描及光谱特征参数分析，获得了以下认识：发现主要蚀变矿物各自特征峰峰位移明显区域与矿化（矿体）段（热液蚀变带区域）对应性良好。其中，Al OH特征峰位置（Pos2000），在2190～2220nm之间进行“漂移”，且普遍大于2205～2210nm部位能准确指示热液蚀变带区域，可用于指示成矿环境，确定找矿方向及预测找矿等方面，该特征可作为郗山矿区稀土矿体找矿的又一重要标志，为该地区下一步稀土矿勘查提供新的技术方法支持。

（3）经过系统验证，高光谱技术在地质矿产勘查应用中，尤其在热液型矿床中是可行的，将来在国内外同类型稀土矿的找矿勘查中也可能拥有着良好的应用前景。

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Spectral Characteristics Zoning of Altered Minerals   Based on Hyperspectral Ccore Scanning  and   Its Application in Ore Prospecting and Exploration     ——Taking Xishan Rare Earth Mining Area as an Example

JIANG Tengfei， ZHI Chenglong， AN Maoguo， HAN Zongrui， SHANG Zhen， XIE Lili， TANG Hongmin

（Lunan Ge engineering Exploration Institute （No.2 Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources）， Shandong Jining 272100， China）

Abstract： On the basis of digitizing physical geological data of Xishan mining area， hyperspectral scanning of the borehole cores in the area have been carried out. By using spectral diagnostic characteristicss， altered minerals have been identifed. The hydrothermal altered minerals identified are mainly montmorillonite， illite， kaolinite， carbonate minerals， phlogopite， chlorite， muscovite opal and gypsum. Phlogopite and chlorite are closely related to rare earth mineralization. The characteristics of alteration zoning have been summarized， and spectral characteristic parameters of main alteration minerals have been extracted to realize the semi quantitative expression of main alteration minerals in the vertical direction of the borehole. According to the statistics of the characteristic peak displacement of main altered minerals， It is found that the obvious characteristic peak displacement areas of main altered minerals have good correspondence with the mineralization （ore body） section （hydrothermal alteration zone area）. Among them， the peak position of Al   OH， that is， the position of the characteristic peak （Pos2000） of 2200nm drifts between 2190～2220nm， and is generally larger than 2210nm. It can accurately indicate hydrothermal alteration zone area， and be used to indicate the ore forming environment， determine the prospecting direction and predict the prospecting. It is another important indicator of rare earth ore body prospecting in Xishan mining area. By using this method， ore leakage has been found in the drill holes ZK5   1 and ZK48   3. It is verified that hyperspectral analysis technology can improve the exploration quality of rare earth ore in Xishan area， and provide some references for prospecting and exploration of the same type rare earth deposit.

Key words： Hyperspectral scanning; core; rare earth deposit; Xishan mining area