白云母礦物成分與光譜特征的關(guān)系研究

梁樹能，甘甫平，閆柏錕，王潤生，楊蘇明，張志軍

白云母礦物成分與光譜特征的關(guān)系研究

梁樹能1，2，甘甫平1，2，閆柏錕1，2，王潤生1，楊蘇明1，張志軍3

(1.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083;2.中國國土資源航空物探遙感中心對地觀測技術(shù)工程實驗室，北京 100083;3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

發(fā)掘巖石礦物成分與其光譜特征間的內(nèi)在關(guān)系，為應(yīng)用高光譜遙感技術(shù)探測礦物微觀信息提供依據(jù)。在巖礦鑒定的基礎(chǔ)上，利用TSG(地質(zhì)光譜專家)軟件，分析了巖石樣品中白云母礦物的光譜特征;利用電子探針對白云母礦物進(jìn)行了微區(qū)化學(xué)成分研究。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計分析了白云母的光譜變異特征。研究表明:白云母礦物的診斷吸收特征波長位置隨礦物中AlⅥ離子數(shù)的減少而呈現(xiàn)出向長波方向移動的趨勢。

白云母;電子探針;化學(xué)成分;診斷性光譜特征

0 引言

白云母是云母族礦物中分布最廣泛的礦物之一，對研究地質(zhì)過程中溫壓環(huán)境變化、中低溫?zé)嵋何g變及成礦流體的運移等具有重要的指示意義［1］。隨著高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展，利用高光譜數(shù)據(jù)提取與成礦作用密切相關(guān)的白云母、綠泥石等重要蝕變礦物信息，進(jìn)而圈定成礦有利區(qū)和確定找礦方向，已成為一種有效的技術(shù)方法，而此技術(shù)方法的理論基礎(chǔ)是巖礦光譜的特征機(jī)理。

自1960年起，國內(nèi)外眾多學(xué)者相繼開展了大量的礦物光譜特性研究，主要包括以下3個方面:①利用電子躍遷與晶格振動等物理學(xué)先驗知識解釋光譜特性及形成機(jī)理，這類研究從本質(zhì)上闡述了礦物光譜的形成機(jī)理和礦物吸收光譜系數(shù)的形成機(jī)制［2－3］;②利用輻射傳輸模型反演或正演巖石礦物的光譜，通過改變模型參數(shù)來確定礦物光譜特征與其物化屬性的關(guān)系［4－6］，能很好地模擬計算礦物光譜與礦物化學(xué)成分、混合程度及粒度等的變化關(guān)系;③運用能滿足統(tǒng)計分析數(shù)量的實測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計對比研究礦物光譜與其化學(xué)物理參數(shù)、礦物混合程度等的變化關(guān)系［7］。這些研究工作為分析礦物光譜特征和用高光譜技術(shù)直接識別礦物種類及其豐度奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。但目前大多數(shù)研究側(cè)重于利用巖礦輻射傳輸模型模擬計算礦物光譜特征參數(shù)或利用礦物光譜特征參數(shù)反演巖礦信息，而相對缺乏利用基礎(chǔ)地質(zhì)分析方法，分析巖石中礦物的形態(tài)、化學(xué)成分等基礎(chǔ)信息與礦物光譜特征的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，而這類工作對于提高高光譜礦物識別的精度和利用礦物光譜反演巖礦信息等具有重要意義。

鑒于此，本文在巖礦鑒定的基礎(chǔ)上，在實驗室內(nèi)測量巖礦樣品的光譜，并利用電子探針微區(qū)測試技術(shù)測試了白云母礦物的化學(xué)成分，進(jìn)而研究白云母礦物的晶體化學(xué)特征參數(shù)和礦物診斷吸收特征參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系。

1 巖石樣品的光譜測量與分析

1.1 光譜測量

本次研究所用的樣品采自于新疆東天山哈密苦水地區(qū)，共13件(表1)。

表1 含白云母礦物的巖石樣品Tab.1 Including muscovite rock samples

利用ASD便攜式光譜輻射計在實驗室內(nèi)測量巖石樣品的光譜。實驗條件為:用透過率非常低的雙層暗色調(diào)窗簾遮擋住窗戶;測量過程中只保留測量儀器光源。

測量時將待測樣品平整放置于黑色調(diào)的實驗桌上，每件樣品的測點位置為磨制探針片后所余下樣品的新鮮光滑平整切面;以新鮮切面中心位置為主，在其周圍2 cm范圍內(nèi)再測量2～3個點。將ASD內(nèi)置光源的反射探頭(高密度反射探頭)輕貼于樣品新鮮切面上，探頭面與樣品切面保持垂直，且保證樣品切面完全覆蓋儀器探頭。

1.2 光譜分析

測量所得的每件巖石樣品的光譜數(shù)據(jù)為多個測點光譜數(shù)據(jù)的平均值。白云母Al－OH診斷吸收特征參數(shù)從相應(yīng)樣品光譜中提取。本文利用TSG(地質(zhì)光譜專家)軟件［8－9］，從經(jīng)過去殼并修正后的巖石光譜中提取出的吸收波長等特征參數(shù)如表2所示。

表2 白云母礦物光譜Al－OH吸收特征參數(shù)①Tab.2 Spectral absorption feature parameters of muscovite

2 白云母礦物化學(xué)成分分析

采用電子探針對每件巖石樣品中的白云母礦物顆粒進(jìn)行測試分析，13件樣品共分析了165個白云母顆粒。表3列出了每件樣品中白云母的平均成分和以22個氧原子為基礎(chǔ)計算的結(jié)構(gòu)式。

表3 白云母礦物的電子探針分析結(jié)果①Tab.3 Electron microprobe analyses of muscovite

從表3可以看出，在所有樣品中，Mg，Al及Fe的質(zhì)量百分比變化相對較大，反映出它們在白云母中的相互置換較為普遍。白云母四次配位中n(Si)/n(AlⅣ)介于 3.51 ～5.09 之間，均大于 3.0，屬于多硅白云母系列。

2.1 白云母中 n(AlⅣ)與 n(AlⅥ)，n(Si)的關(guān)系

樣品中白云母的 n(AlⅣ)為 0.66 ～0.89，n(AlⅥ)為 1.52 ～1.86(均大于 n(AlⅣ))。n(AlⅣ)與n(AlⅥ)，n(Si)的相關(guān)關(guān)系如圖1所示。

圖1 白云母中n(AlⅣ)與n(AlⅥ)，n(Si)的相關(guān)關(guān)系Fig.1 Respective correlations between n(AlⅣ)and n(AlⅥ)，n(Si)cations in muscovite

從圖1可以看出:雖然n(AlⅣ)與n(AlⅥ)的投影點較為分散，但二者整體上呈正相關(guān)關(guān)系(圖1(a));n(AlⅣ)與n(Si)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖1(b))。這2種相關(guān)關(guān)系均反映出白云母中四面體位置上存在AlⅣ被Si置換。

2.2 白云母中 n(AlⅥ)與 n(Fe+Mg)，n(Fe)，n (Mg)的關(guān)系

樣品中白云母的 n(AlⅥ)與 n(Fe+Mg)，n(Fe)，n(Mg)的相關(guān)關(guān)系如圖2所示。

圖2 白云母中n(AlⅥ)與n(Fe+Mg)，n(Fe)，n(Mg)的相關(guān)關(guān)系Fig.2 Respective correlations between n(AlⅥ)and n(Fe+Mg)，n(Fe)，n(Mg)cations in muscovite

從圖2可以看出:n(AlⅥ)與n(Fe+Mg)呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖2(a))，反映出白云母八面體位置主要是被 AlⅥ，F(xiàn)e和 Mg占據(jù);n(AlⅥ)與 n(Fe)，n(Mg)也分別呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖2(b)，(c))，反映出在白云母八面體位置上，主要存在Fe，Mg對AlⅥ的置換。

3 白云母光譜的礦物成因?qū)W特征分析

3.1 白云母礦物的巖相學(xué)特征

薄片鑒定顯示，樣品中主要存在2種類型的白云母:①原生型白云母，礦物晶形較好，呈自形—半自形，鱗片—葉片狀分布，邊界清晰，且不與其他礦物呈反應(yīng)關(guān)系;②交代黑云母、斜長石及沿礦物解理或礦物間裂隙充填的次生白云母，呈半自形—他形，呈粒間斷續(xù)的小片或零散細(xì)鱗片狀集合體分布。再結(jié)合巖礦光譜分析結(jié)果，各巖石樣品中白云母礦物的診斷吸收波長介于2 200～2 205 nm之間，這反映出不同成因的白云母中n(AlⅥ)的比例不同。

3.2 白云母巖礦光譜吸收特征分析

在各種巖石樣品中，白云母礦物中的n(Al)與Al－OH(2 200 nm附近)特征吸收波長呈現(xiàn)出一定的相關(guān)關(guān)系(圖3(a)—(c))。這種相關(guān)關(guān)系主要包括2個方面:①n(AlⅣ)與Al－OH吸收波長的數(shù)據(jù)點雖然相對較分散，但整體呈現(xiàn)出一定的負(fù)相關(guān)(圖3(a));n(Si)/n(AlⅣ)與Al－OH吸收波長呈現(xiàn)出較好的正相關(guān)(圖3(b))。②n(AlⅥ)與Al－OH吸收波長呈現(xiàn)很好的負(fù)相關(guān)(圖3(c))。

圖3 白云母中 Al－OH 光譜參數(shù)與 n(AlⅣ)，n(Si)/n(AlⅣ)，n(AlⅥ)相關(guān)關(guān)系Fig.3 Respective correlations between Al－OH spectral feature parameters and n(AlⅣ)，n(Si)/n(AlⅣ)，n(AlⅥ)cations in muscovite

白云母中 n(Fe+Mg)，n(Fe)，n(Mg)與 Al－OH(2 200nm附近)特征吸收波長間均呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，如圖4(a)—(c)所示。

圖4 白云母中Al－OH光譜參數(shù)與n(Fe+Mg)，n(Fe)，n(Mg)相關(guān)關(guān)系Fig.4 Respective correlations between Al－OH spectral feature parameters and n(Fe+Mg)，n(Fe)，n(Mg)cations in muscovite

4 結(jié)論和討論

巖礦光譜特征及其變化規(guī)律是利用高光譜遙感技術(shù)識別和探測某些蝕變礦物和造巖礦物的種類、礦物成分及結(jié)構(gòu)特征的理論依據(jù)和基礎(chǔ)。本文通過采集新疆苦水地區(qū)不同地層和巖體中不同成因的含白云母礦物的巖石樣品，在巖礦鑒定的基礎(chǔ)上，首先利用ASD光譜儀在實驗室內(nèi)測量其反射光譜，并運用TSG光譜分析軟件分析了巖石樣品中白云母礦物的特征光譜參量;然后利用電子探針對白云母礦物進(jìn)行了微區(qū)化學(xué)成分研究。在此基礎(chǔ)上，基于實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析了白云母礦物光譜特征的變異與其化學(xué)成分變化間的內(nèi)在關(guān)系。研究表明，白云母礦物中八面體位置上隨著Fe和Mg等離子對AlⅥ的大量置換，其2 200 nm附近Al－OH診斷吸收波長位置呈現(xiàn)出隨著AlⅥ離子數(shù)的減少而逐漸向長波方向移動的顯著趨勢。這一變化特征在白云母四面體位置上也得到了較好的印證。

需要說明的是，本次研究工作還需進(jìn)一步完善。比如:研究中所采集的巖石樣品主要是以中酸性巖及少量變質(zhì)巖為主，缺乏與中基性巖及沉積巖等巖石樣品中不同成因類型白云母礦物光譜變異特征的綜合比對研究。這將在下一步工作中進(jìn)行深入分析，以期提高高光譜遙感對不同巖石類型中礦物種類及成分的識別精度。

志謝:本研究得到了中國國土資源航空物探遙感中心各級領(lǐng)導(dǎo)和專家的支持和指導(dǎo)，在此表示衷心的感謝!

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Relationship Between Composition and Spectral Feature of Muscovite

LIANG Shu －neng1，2，GAN Fu － ping1，2，YAN Bo － kun1，2，WANG Run － sheng1，YANG Su － ming1，ZHANG Zhi－jun3
(1.China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources，Beijing 100083，China;2.Laboratory of the Earth Observation Technology of AGRS，Beijing 100083，China;3.China University of Mining＆ Technology，Beijing 100083，China)

The aim of this study is the exploration of the intrinsic relationship between chemical composition and spectral features of rocks and minerals so as to detect mineral micro－information based on the hyperspectral remote sensing technology.Based on rock and mineral microscopic identification，the authors analyzed spectral features of muscovite from the rock sample by using TSG geological spectrum analysis software，and studied the chemical composition of muscovite by means of electron microprobe analysis.On such a basis，spectral variational features of muscovite were statistically analyzed.The results indicate that the diagnostic spectral wavelength position of muscovite moves towards the long wavelength with the reduction of AlⅥcations.

muscovite;electron micprobe;chemical composition;diagnostic spectral feature

TP 79

A

1001－070X(2012)03－0111－05

10.6046/gtzyyg.2012.03.20

2011－10－12;

2012－02－16

中國國土資源航空物探遙感中心青年創(chuàng)新基金課題(編號:2010YFL10)資助。

梁樹能(1983－)，男，碩士，主要從事高光譜遙感地質(zhì)應(yīng)用研究。E－mail:liangsn83@163.com。

(責(zé)任編輯:刁淑娟)