“蚀”光流影 “铀”迹可寻
2021.11.02 中国矿业报
——近红外光谱技术在砂岩型铀矿伴生矿物及流体研究的的应用
◎ 司庆红 俞礽安 程银行 朱强 陈路路
近年来，近红外光谱技术迅速发展为一种可以广泛应用于各个行业的“绿色”新兴的光谱分析技术，也逐渐被应用于矿物鉴定和成矿流体研究领域。那么近红外光谱是如何应用于矿物鉴定的呢？接下来就让我们走进近红外光谱的世界吧。
1. 光谱分类及近红外光谱概念
光谱（spectrum）是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。在一些可见光谱的红端之外，存在着波长更长的红外线；同样，在紫端之外，则存在有波长更短的紫外线。近红外光谱NIRS（Near Infrared Spectra）波长λ在780~2500nm范围内的电磁波，属于分子振动光谱，是基频分子振动的倍频与合频，位于1300～2500nm波段。它包含丰富的氢基团（C-H、O-H、S-H、N-H等）特征信息，是人类最早研究的不可见光源区域。（图1）
图1 光谱分类示意图
2. 红外光谱技术鉴定矿物的原理
当分子受到近红外光线照射时，被激发产生共振，从而吸收光的一部分能量。通过测量吸收光，可得到反映被测物质特征的图谱，即吸收光谱。许多物质在近红外区域有丰富的吸收光谱，而且每种成分都有其吸收特征。因此，可根据物质的近红外光谱分析物质的成分和含量。
为了便于认识岩石矿物特征，有时往往需要在野外现场对钻孔岩心及岩石标本的矿物进行快速鉴定。传统的实验室鉴定分析前需要长时间的样品制备，并且鉴定还要借助高倍显微镜和X射线衍射装置，无法满足野外快速大批量的鉴定需求。由于地质矿物结晶产物的中原子之间连接的化学键发生弯曲、伸长收缩或跳跃式吸收一些其他区域的红外光谱，生成吸收峰，利用地质矿物中一些功能团的特点对岩石中矿物类型进行鉴定。
3. 利用近红外光谱鉴定矿物的方法
近红外光谱技术主要包括光谱数据的采集和处理分析两个方面。目前，近红外光谱数据采集仪器主要包括，全自动数字化岩心扫描仪和便携式光谱仪两种类型。目前，利用近红外光谱进行矿物鉴定和信息提取主要采用了目视辨认、自动识别（采用TSG 软件）和特征吸收谱带相结合的方法。首先，通过增强光谱特征的差异对比性，利用TSG软件对获取的近红外光谱进行信息提取。而后，以矿物标准波谱库为参考（图2），依据蚀变矿物类型的可诊断吸收光谱特征识别并建立可诊断光谱识别标志（吸收峰波长位置、吸收峰深度、吸收对称性、完全波形特征等参数），利用这些参数进行光谱形状匹配，并输出最优匹配结果。
图2 常见矿物的标准近红外反射光谱（据修连存等，2007，修改）
从原理和分析步骤来看，近红外光谱分析技术具有自动化分析、无需制样工序、数据获取迅捷等优点，在鉴定矿物的应用上则体现为兼具样品用量少、灵敏度高和成本低的优点。
4. 近红外光谱在砂岩型铀矿伴生矿物及流体研究的应用
铀资源勘查、开发及理论研究对于优化调整我国能源结构、改善生态环境意义重大，而砂岩型铀矿具有可利用资源品位低、矿床规模大、经济、环保、安全、易采等优点，成为世界上利用率最高的铀矿类型。因此，砂岩型铀成矿流体研究对深化铀成矿理论和指导铀矿找矿工作具有重要意义。砂岩型铀矿可以理解为原本在地表附近分散的铀，经过一系列氧化还原作用而汇聚，在具有一定渗透性的砂岩中沉淀成有工业价值的矿床。流体对沉积岩石形成及成矿过程起着关键作用，砂岩型铀成矿实质是岩石在流体作用下发生铀的活化、萃取、迁移及沉淀的过程。在铀成矿过程中，由于流体改造作用而留下了许多现今仍能观察到的岩石蚀变痕迹（图3）。
图3 砂岩型铀矿中常见的蚀变类型
在含铀岩系中，发生的铀矿化或围岩的岩石蚀变作用主要包括有黄铁矿化、碳酸盐化（铁白云石、方解石）、绿泥石化、粘土化、石膏化、硒铁矿化、闪锌矿化、方沸石化等。其中，一些岩石的蚀变作用往往与铀成矿作用是相伴的，两者存在密切的流体成因关系。因此，岩石蚀变的矿物组合也是反映铀成矿过程中流体的重要“媒介”。利用近红外光谱技术可以有效识别岩心中典型矿物组合特征，并结合扫描电镜及X衍射分析等手段，能大致判断砂岩型铀矿中某些典型蚀变作用的空间规律为进一步探讨铀成矿相关流体提供科学依据。
（作者单位：中国地质调查局天津地质调查中心）
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