短波紅外光譜技術(shù)在礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)用
——以鄂東南陶港地區(qū)為例

張小波， 孫四權(quán)， 黃景孟， 周 豹， 曾小華， 郭寧寧， 王 歡

(1.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430034)

長(zhǎng)江中下游成礦帶西起湖北鄂城，東至江蘇鎮(zhèn)江，是中國(guó)重要的銅、鐵、金成礦帶[1]，大地構(gòu)造位置位于揚(yáng)子板塊北緣的長(zhǎng)江斷裂帶內(nèi)[2]，區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)期的構(gòu)造、巖漿和成礦作用耦合形成了成礦帶內(nèi)豐富多樣的鐵、銅、金等礦床組合，金屬礦床(點(diǎn))計(jì)有200余處[3]。礦帶自西向東可分為鄂東南、九瑞、安慶、廬樅、銅陵、寧蕪和寧鎮(zhèn)共七大礦集區(qū)。鄂東南礦集區(qū)位于長(zhǎng)江中下游成礦帶的西段，是中國(guó)重要的矽卡巖型銅鐵礦床大型礦集區(qū)，近年來區(qū)內(nèi)找礦工作取得了一定進(jìn)展，但當(dāng)前仍然面臨亟待解決的找礦問題，特別是在地表資源逐漸枯竭和“深部勘查”的新形勢(shì)下，如何指導(dǎo)勘查位于深部的礦體，指明找礦方向并確定礦體位置是區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)勘查的重點(diǎn)。

近年來，短波紅外光譜技術(shù)(Short wave infrared，SWIR)已逐漸成為現(xiàn)代找礦勘查和礦產(chǎn)資源潛力評(píng)估的重要手段之一[4-5]，廣泛應(yīng)用于斑巖型、淺成低溫?zé)嵋盒汀⒒鹕匠梢驂K狀硫化物型(VMS)和鐵氧化物銅金型(IOCG)等類型礦床的勘查中[6-9]。在鄂東南地區(qū)首次建立了矽卡巖型礦床礦物地球化學(xué)勘查方法，針對(duì)銅綠山等矽卡巖型礦床開展了短波紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用研究[10]，通過獲取礦物勘查指標(biāo)有效指導(dǎo)了礦區(qū)勘查驗(yàn)證，為銅綠山礦區(qū)新增Cu金屬量超過7萬t、Au金屬量超過5 t、鐵礦石量994萬t[11]。但該技術(shù)目前基本都應(yīng)用于已知礦床的中后期勘查，鮮見有在礦產(chǎn)勘查早期的應(yīng)用。

為此，本文在總結(jié)和分析已有地質(zhì)資料及研究成果的基礎(chǔ)上，在鄂東南陶港地區(qū)開展了短波紅外光譜技術(shù)的相關(guān)研究工作，揭示短波紅外光譜在研究區(qū)的空間變化規(guī)律，探索在礦產(chǎn)勘查早期的應(yīng)用潛力，對(duì)降低勘查風(fēng)險(xiǎn)、提高找礦效率及實(shí)現(xiàn)短波紅外光譜技術(shù)在鄂東南找礦勘查全流程的應(yīng)用具有較為重要的意義。

1 地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂東南礦集區(qū)大地構(gòu)造位置屬于揚(yáng)子陸塊北東緣，北鄰秦嶺—大別造山帶[12]。區(qū)內(nèi)地層出露較為齊全，從前震旦系至第四系均有發(fā)育，僅缺失中—下泥盆統(tǒng)和上石炭統(tǒng)，古生代地層主要發(fā)育于該地區(qū)的南部，中生代地層分布較廣。中生代巖漿活動(dòng)十分強(qiáng)烈，并顯示多期次活動(dòng)的特點(diǎn)，從北至南依次為鄂城、鐵山、金山店、靈鄉(xiāng)、陽新、殷祖六大巖體以及眾多小巖體[13](圖1-a)。礦床類型以矽卡巖型和斑巖型為主，成礦與中生代侵入巖關(guān)系密切。

1.2 研究區(qū)地質(zhì)特征

研究區(qū)位于陽新巖體東端，地質(zhì)特征較為簡(jiǎn)單，地表主要出露石英閃長(zhǎng)巖和第四系沉積物。因巖體風(fēng)化嚴(yán)重，地表構(gòu)造痕跡難以辨識(shí)。

圖1 鄂東南地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖[13](a)及陶港地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖[14](b)Fig.1 Geological sketch for southeast Hubei Proince (a) and Taogang area (b)

自20世紀(jì)90年代起，不同單位在區(qū)內(nèi)開展過相關(guān)勘查工作，圈定了重磁電系列物探異常，且各異常疊合較好[14](圖1-b)。《湖北省陽新縣陶港地區(qū)銅鐵礦預(yù)普查》項(xiàng)目通過大比例尺的重力測(cè)量、剖面測(cè)量工作圈定深部物探異常，鉆探驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)了深部礦化蝕變線索。區(qū)內(nèi)目前施工鉆孔1個(gè)(ZK01)，孔深500.21 m。巖性為石英閃長(zhǎng)巖，局部夾有深灰色輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖包體。巖體整體較完整，僅在孔深151～166 m間見一長(zhǎng)約14 m的構(gòu)造破碎帶，由一套碎斑巖組成。

孔內(nèi)見閃鋅礦化，呈不規(guī)則脈狀產(chǎn)出(圖2-a)，但其品位低，延伸、延長(zhǎng)情況不明。除此外，可見黃鐵礦化以團(tuán)塊狀、浸染狀沿裂隙面分布(圖2-b)，多分布于構(gòu)造破碎帶以下巖體中。以構(gòu)造破碎帶為界，下部巖體中礦化蝕變明顯強(qiáng)于上部巖體。

a.閃鋅礦沿石英脈呈不規(guī)則條帶狀產(chǎn)出；b.團(tuán)塊狀、浸染狀黃鐵礦；Sp.閃鋅礦；Q.石英；Py.黃鐵礦圖2 陶港地區(qū)典型礦化特征Fig.2 Photographs showing typical characteristics of the mineralization at the Taogang area

孔內(nèi)蝕變普遍發(fā)育，有鉀化、硅化、碳酸鹽化、綠簾石化、黑云母化、綠泥石化、絹云母化等，其中以綠泥石化、絹云母化最為發(fā)育(圖3)。

2 短波紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用

2.1 短波紅外光譜技術(shù)簡(jiǎn)介

短波紅外光譜是分子振動(dòng)光譜的倍頻和主頻吸收光譜，主要是由分子振動(dòng)的非諧振性使分子振動(dòng)從基態(tài)向高能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的，其波長(zhǎng)范圍在1 300～2 500 nm[15-16]。短波紅外光譜技術(shù)的原理是礦物晶格中離子或離子團(tuán)間化學(xué)鍵的彎曲與伸縮會(huì)吸收特殊波段的光譜。由于不同類型的礦物具有不同的基團(tuán)，當(dāng)樣品被短波紅外光照射時(shí)，其反射率光譜曲線在短波紅外波段范圍內(nèi)具有不同的“吸收”特征，從而在不同的波長(zhǎng)位置形成波谷，如分子結(jié)構(gòu)中含Al-OH、Fe-OH及Mg-OH等羥基結(jié)構(gòu)的礦物，其短波紅外光譜分別在2 200、2 250和2 350 nm附近形成波谷[6]。因此，應(yīng)用短波紅外光譜技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確地鑒別白云母、伊利石、綠泥石等蝕變礦物。此外，短波紅外光譜能夠通過波谷位置的變化定性地測(cè)出某些類質(zhì)同象礦物的化學(xué)成分，還可以根據(jù)某一波長(zhǎng)位置、波谷深度的變化定量地測(cè)出礦物的含量和結(jié)晶度[17]。

本次測(cè)量所用儀器為美國(guó)Analytical Spectral Devices Inc.公司生產(chǎn)的TerraSpec便攜式礦物光譜儀。TerraSpec所收集信號(hào)的波長(zhǎng)范圍相對(duì)較寬，為350～2 500 nm，包括了整個(gè)可見光、近紅外及短波紅外光區(qū)域。該儀器的光譜分辨率約為6～7 nm，光譜取樣間距為2 nm，測(cè)試窗口為直徑2.5 cm的圓形區(qū)域，測(cè)試樣品所用時(shí)間可由用戶自行設(shè)置，淡色巖石完成一個(gè)測(cè)點(diǎn)需4～6 s，深色巖石完成一個(gè)測(cè)點(diǎn)需6～10 s。

2.2 樣品采集及測(cè)試方法

本次研究選取陶港地區(qū)01號(hào)勘探線剖面，采集鉆孔ZK01有效樣品共計(jì)228件，采樣間距為2～3 m，在蝕變比較集中的區(qū)域適當(dāng)加密(表1)。

首先，將樣品洗凈晾干，避免礦物表面的塵土或水分帶來干擾。為了提高數(shù)據(jù)的可靠性，每件樣品都測(cè)試2個(gè)點(diǎn)，并對(duì)每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置進(jìn)行標(biāo)記。在測(cè)試之前，對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)及優(yōu)化操作，儀器參數(shù)光譜平均設(shè)置為200、基準(zhǔn)白設(shè)置為400，然后進(jìn)行基準(zhǔn)白操作。此時(shí)，儀器的光譜線很平直，幾乎無噪音干擾時(shí)即可進(jìn)行樣品的測(cè)試工作。測(cè)試時(shí)，為保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量，每隔15 min對(duì)儀器進(jìn)行一次優(yōu)化和基準(zhǔn)白測(cè)量。對(duì)測(cè)試所得的光譜數(shù)據(jù)，先用光譜地質(zhì)師軟件(The Spectral Geologist，TSG)進(jìn)行自動(dòng)解譯，然后通過人工逐條核對(duì)、審查、再解譯，并最終確定礦物種類。白云母族礦物(1 900 nm和2 200 nm)和綠泥石(2 250 nm和2 335 nm)吸收峰位(Position)、吸收峰位深度(Deep)等參數(shù)都可以通過TSG V.3的標(biāo)量直接獲取，白云母族礦物的結(jié)晶度(IC_Card)也可以通過TSG V.3的標(biāo)量功能直接求出。每個(gè)樣品一般都有2個(gè)分析結(jié)果，若識(shí)別出單種礦物有多個(gè)數(shù)據(jù)，則取其平均值。因測(cè)試的原始數(shù)據(jù)量較大,故只列出部分?jǐn)?shù)據(jù)，詳見表1。

表1 鄂東南陶港地區(qū)鉆孔ZK01蝕變礦物短波紅外光譜測(cè)試結(jié)果表Table 1 SWIR results of the alteration minerals in the drill hole ZK01 at Taogang area in southeast Hubei

續(xù)表1

2.3 測(cè)試結(jié)果

本次采用短波紅外光譜測(cè)試，在陶港地區(qū)鉆孔ZK01樣品中共識(shí)別出5種含水礦物，分別為陽起石、白云母、蒙脫石、伊利石、綠泥石(鎂綠泥石、鐵鎂綠泥石)，其中，伊利石、綠泥石尤為發(fā)育(圖4，表1)。以下主要對(duì)綠泥石、白云母族礦物的空間分布特征及光譜參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖4 陶港地區(qū)含水蝕變礦物統(tǒng)計(jì)圖Fig.4 Statistic chart of alteration minerals in Taogang area

2.3.1綠泥石光譜參數(shù)變化規(guī)律

綠泥石的礦物結(jié)構(gòu)中主要含有2個(gè)特征性基團(tuán)(Fe-OH和Mg-OH)。當(dāng)短波紅外光照射時(shí)，F(xiàn)e-OH在2 250 nm附近出現(xiàn)特征峰吸收，該位置稱為“綠泥石2 250 nm吸收峰位(Pos2250)”，相應(yīng)的吸收峰深度稱為“綠泥石2 250 nm吸收峰位深度(Dep2250)”；Mg-OH在2 335 nm附近出現(xiàn)特征峰吸收，該位置稱為“綠泥石2 335 nm吸收峰位(Pos2335)”，相應(yīng)的吸收峰深度稱為“綠泥石2 335 nm吸收峰位深度(Dep2335)”[17](圖5)。

經(jīng)對(duì)鉆孔ZK01的綠泥石Fe-OH和Mg-OH的特征吸收峰位值(Pos)及吸收峰位深度值(Dep)進(jìn)行系統(tǒng)地統(tǒng)計(jì)和分析，所測(cè)含綠泥石樣品中，綠泥石Pos2250值變化在2 240.06～2 254.52 nm(平均值為2 250.49 nm)，Dep2250值變化在0.01～0.12(平均值為0.04)，Pos2335值變化在2 323.68～2 354.33 nm(平均值為2 332.5 nm)，Dep2335值變化在0.03～0.31(平均值為0.12)。在空間上，綠泥石2 250 nm吸收峰位值(Pos2250)、2 335 nm吸收峰位值(Pos2335)均呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。Pos2250值從淺至深有明顯的從低值變?yōu)楦咧档淖兓厔?shì)，Pos2335值從淺至深有明顯的從高值變?yōu)榈椭档淖兓厔?shì)，且都以構(gòu)造破碎帶為界(圖6,表1)。綠泥石2 250 nm吸收峰位深度值(Dep2250)和2 335 nm吸收峰位深度值(Dep2335)在空間上的變化規(guī)律不明顯(圖6,表1)。

2.3.2白云母族礦物光譜參數(shù)變化規(guī)律

在短波紅外光譜方面，對(duì)白云母族礦物的分類主要是依據(jù)它們的晶體化學(xué)結(jié)構(gòu)中都含有2個(gè)特征性基團(tuán)，即～1 900 nm的H2O峰和～2 200 nm的Al-OH峰。當(dāng)短波紅外光照射時(shí)，H2O峰在1 900 nm附近出現(xiàn)特征峰吸收，該位置稱為“白云母族1 900 nm吸收峰位(Pos1900)”，相應(yīng)的吸收峰深度稱為“白云母族1 900 nm吸收峰位深度(Dep1900)”；Al-OH在2 200 nm附近出現(xiàn)特征峰吸收，該位置稱為“白云母族2 200 nm吸收峰位(Pos2200)”，相應(yīng)的吸收峰深度稱為“白云母族2 200 nm吸收峰位深度(Dep2200)”[18](圖5)。

所測(cè)含白云母族礦物樣品中，白云母族Pos1900值變化在1 911.60～1 936.22 nm(平均值為1 923.30 nm)，Dep1900值變化在0.05～0.43(平均值為0.14);Pos2200值變化在2 197.24～2 215.28 nm(平均值為2 200.13 nm)，Dep2200值變化在0.03～0.33(平均值為0.08)。在空間上，白云母族礦物1 900、2 200 nm吸收峰位值(Pos1900、Pos2200)和吸收峰位深度值(Dep1900、Dep2200)的變化規(guī)律不明顯，白云母族的結(jié)晶度亦無明顯的變化規(guī)律(圖6,表1)。

圖5 綠泥石(a)、白云母族礦物(b)標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線特征圖Fig.5 Standard spectral curves of chlorite (a) and dolomite parent mineral (b)

圖6 鉆孔ZK01簡(jiǎn)化柱狀圖及蝕變礦物短波紅外光譜測(cè)試結(jié)果空間分布規(guī)律圖Fig.6 Simplified histogram and the spatial distribution diagram of alteration minerals SWIR results of the drill hole ZK01

3 討論

本次研究發(fā)現(xiàn)，鉆孔由淺至深，綠泥石由以鎂綠泥石為主逐漸變?yōu)橐澡F鎂綠泥石為主，且以構(gòu)造破碎帶為較明顯的分界。深部較強(qiáng)礦化蝕變區(qū)的綠泥石明顯富Fe，而淺部弱礦化蝕變區(qū)的綠泥石相對(duì)富Mg，總體存在著從深部至淺部流體從高溫到低溫的演化規(guī)律。早期富Fe的熱液流體隨著遠(yuǎn)距離搬運(yùn)、溫度降低等因素導(dǎo)致富Fe流體的消耗殆盡，熱液流體交代巖體中富Mg的角閃石和黑云母而形成鎂綠泥石[19]。這一現(xiàn)象與前人在鄂東南地區(qū)銅綠山、銅山口等礦床的研究成果一脈相承[11]，因此，筆者初步認(rèn)為綠泥石成分在空間上的變化，可以作為區(qū)內(nèi)新的勘查標(biāo)志，并且在鄂東南地區(qū)具有較好的應(yīng)用前景。

與之相對(duì)應(yīng)的，綠泥石的Fe-OH特征吸收峰位值(Pos2250)在鉆孔中從淺至深顯示出從低值變化為高值的趨勢(shì)，綠泥石的Mg-OH特征吸收峰位值(Pos2335)在鉆孔中從淺至深顯示出從高值變化為低值的趨勢(shì)，且均以構(gòu)造破碎帶為界，綠泥石高的Fe-OH吸收峰位值區(qū)和低的Mg-OH吸收峰位值區(qū)與孔內(nèi)的礦化蝕變區(qū)對(duì)應(yīng)較好，對(duì)礦化蝕變帶具有一定的指示作用。

目前，已有的研究證明伊利石的IC值(結(jié)晶度)和Pos2200值變化主要與礦物形成的溫度有關(guān)，即溫度越高，IC值越高，而Pos2200值越低[16]。本次在區(qū)內(nèi)識(shí)別出大量白云母族礦物(伊利石、蒙脫石及少量的白云母)，但其光譜參數(shù)無明顯的變化規(guī)律，筆者分析主要原因?yàn)閰^(qū)內(nèi)礦化強(qiáng)度相對(duì)較弱、品位低且無明顯的濃集中心，這也與區(qū)內(nèi)目前的勘查成果相吻合。

4 結(jié)論

(1) 本次研究在陶港地區(qū)共識(shí)別出5種含水礦物，分別為陽起石、白云母、蒙脫石、伊利石、綠泥石，其中以伊利石、綠泥石最為發(fā)育。

(2) 本次采用SWIR勘查發(fā)現(xiàn)，鉆孔由淺至深，綠泥石出現(xiàn)由鎂綠泥石逐漸變?yōu)殍F鎂綠泥石，相對(duì)應(yīng)的綠泥石Fe-OH特征吸收峰位值(Pos2250)顯示出從低值變?yōu)楦咧档内厔?shì)，綠泥石Mg-OH特征吸收峰位值(Pos2335)顯示出從高值變?yōu)榈椭档内厔?shì)，綠泥石成分在空間上的變化可以作為區(qū)內(nèi)新的勘查標(biāo)志。綠泥石高的Fe-OH吸收峰位值區(qū)和低的Mg-OH吸收峰位值區(qū)對(duì)礦化蝕變帶具有一定的指示作用。