钻孔岩心红外光谱-便携式XRF-磁化率测试在攀西太和钒钛磁铁矿床勘查中的应用

郭东旭， 张弘， 高卿楠， 朱有峰， 纪广轩

(自然资源实物地质资料中心， 河北 三河 065201)

造岩矿物和蚀变矿物是构成地质体成岩、蚀变、矿化信息的基本单元，对不同矿区内造岩矿物、蚀变矿物的类型、组合特征、期次划分、空间展布及物理化学性质等信息综合梳理和研究，不仅有利于加深矿床成因理论的认识，而且有助于提高矿产勘查效率[1-3]。攀西(攀枝花—西昌的简称)地区地处峨眉山大火成岩省的内带，是世界上最大的钒钛磁铁矿集区，攀枝花、白马、红格、太和是其中典型的超大型钒钛磁铁矿床，位于镁铁质-超镁铁质层状岩体中[4,5]。然而，对于矿物粒度较细的镁铁质-超镁铁质岩石，仅依靠肉眼和传统野外工具，难以对其中的矿物进行有效识别。精细梳理矿区内不同矿物特征需结合电子探针成分分析(EPMA)和X 射线衍射光谱(XRD)等分析结果，经过制样、实验等流程，周期长、效率低、成本高。因此，新的勘查技术的引入以解决以上问题显得尤为重要。

太和矿床是攀西地区超大型钒钛磁铁矿床的典型代表，有关太和钒钛磁铁矿床的研究，主要体现在应用全岩地球化学分析、实验室X射线荧光光谱分析(XRF)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)等测试技术，对矿床地质特征[6-7]、矿床勘查[8]、成岩成矿作用[9-14]等方面进行了探讨。近年来，红外光谱技术作为一种新兴绿色地质找矿技术，因其可以快速、无损、精确探测矿物而备受关注[15]。按照波长的不同，红外光谱可以划分为：可见光-近红外(V-NIR，波长380～1100nm，主要识别金属离子、稀土元素等)；短波红外(SWIR，波长1100～2500nm，主要识别含羟基矿物、含C—H键有机物、碳酸盐、硫酸盐等)；热红外(TIR，波长6000～14000nm，主要识别无水硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐等)等[16]。其中，热红外光谱技术可以快速识别出常见的造岩矿物(长石、石英、辉石、石榴子石、橄榄石等)，弥补了短波红外技术对石榴子石、辉石等矽卡岩矿物，石英、长石等造岩矿物及黑云母、角闪石等暗色矿物探测效果不理想的缺陷[15]。矿物热红外光谱库是通过实验室测试获得的各种矿物样品的参考波谱集合，国外的矿物热红外光谱库的建立和发展，为热红外光谱技术应用奠定了基础[17-20]。Thomas(2016)[21]认为获取热红外光谱数据，并用光谱解译软件获得矿物组合的分布信息、各种矿物相对含量的变化规律、各种矿物成分的变化趋势等信息，结合地球化学获得的主微量元素、金属含量等信息，可以建立矿床热红外高光谱勘查模型，进而指导找矿。在中国热红外光谱被广泛应用于固体矿产勘查[22-26]、岩性的粗略分类[27]、矿山管理[28-29]、土壤调查[30-31]等领域。然而，热红外光谱技术并没有应用到镁铁质-超镁铁质钒钛磁铁矿的找矿勘查之中，制约了该类矿床的勘查效率。

太和超大型钒钛磁铁矿床13号勘探线(图1)ZK1307钻孔较深，钻遇了太和矿区几乎所有的矿体和岩体，矿化效果较好，为尝试热红外光谱在钒钛磁铁矿床中的应用和光谱矿物识别提供了较大的研究潜力。本文从太和钒钛磁铁矿床钻孔ZK1307岩心出发，开展钒钛磁铁矿床岩心的热红外光谱测试工作，并辅以岩心便携式XRF元素含量测试和磁化率的综合分析，参考岩心编录情况，精准识别该钻孔岩性-矿物组合-元素含量-磁化率之间的对应关系，进一步为该矿床的矿体展布和找矿勘探提供借鉴和参考。

1 地质概况

太和矿区位于峨眉山大火成岩省内带，西邻松潘—甘孜造山带，是攀西地区钒钛磁铁矿集区中较大的一个矿区。矿区内结晶基底为古元古界，褶皱基底为中元古界，主构造线分别为近东西向和近南北向[9,11-12]。盖层由震旦系及以上地层组成，构造以南北向较宽缓褶皱和断裂为主。太和岩体位于攀西地区的北部，距四川省西昌市约12km，岩体出露长约3km，宽约2km，厚约1. 2km，岩体呈层状展布，倾向东南，倾角50°～60°，含有大约810×107t 矿石，全FeO平均品位约为33%，TiO2平均品位约为12%，V2O5平均品位约为0. 3%[5]。

根据岩石矿物组合和矿物含量变化，以及岩石结构构造和韵律层的发育等岩相特征，太和岩体自下而上可以划分为下部岩相带、中部岩相带和上部岩相带。下部岩相带厚200m左右，由橄榄辉石岩、(橄榄)辉长岩、不含磷灰石的块状Fe-Ti 氧化物矿石组成。橄榄辉石岩含有约60%单斜辉石、约30% 橄榄石、约10%的磁铁矿、钛铁矿，其中，部分辉石蚀变为绿泥石，大部分的橄榄石蚀变为蛇纹石。(橄榄)辉长岩呈花斑状灰黑色，中细粒辉长结构，块状构造。主要含辉石(含量约50%)、斜长石(约40%)、橄榄石(<5%)、磁铁矿+钛铁矿+黄铁矿+黄铜矿(约5%)，其中，部分辉石蚀变为绿泥石，部分斜长石蚀变为绿帘石。块状矿层位于下部岩相带的顶部，呈灰黑色，中细粒结构，块状构造，主要含磁铁矿+钛铁矿(70%～75%)、辉石(约20%)、斜长石(约10%)和少量黄铁矿。中部岩相带厚约500m，韵律旋回发育，其中共有6 个较大韵律旋回(Ⅰ～Ⅵ)。除了旋回Ⅰ 底部由磁铁辉石岩构成，旋回Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ的底部均为磷灰石磁铁辉石岩，而旋回上部均为(磷灰石)辉长岩。磁铁辉石岩主要含磁铁矿(约10%)、钛铁矿(约10%)、单斜辉石(约80%)和少量斜长石。自形的磷灰石常与半自形-他形的Fe-Ti 氧化物和硅酸盐矿物堆积在一起。磷灰石磁铁辉石岩主要含单斜辉石(60%)、磁铁矿(15%)、钛铁矿(10%)、磷灰石(10%)和少量斜长石+角闪石(5%)。(磷灰石) 辉长岩主要含斜长石(约40%)、单斜辉石(约40%)、Fe-Ti 氧化物(约10%)、磷灰石和角闪石(10%)。中部岩相带样品中半自形的橄榄石常包裹一些他形的Fe-Ti氧化物。上部岩相带厚200m，主要岩石类型为磷灰石辉长岩，主要组成矿物包括斜长石(约60%)、单斜辉石(约30%)、钛铁矿(约2%)、磁铁矿(约3%)、磷灰石+角闪石(约5%)。

图1 太和钒钛磁铁矿床第13号勘探线剖面图[5] Fig.1 No.13 exploration line section in Taihe vanadium titano-magnetite deposit[5]

2 实验部分

本文以四川省西昌市太和钒钛磁铁矿床的13号勘探线剖面(图1)07号钻孔(ZK1307)为研究对象，该钻孔钻遇了矿区主要矿体和绝大部分围岩，具有一定的代表性。为了更好地对比深入研究，本次对同一深度、同一测试点分别进行热红外光谱、便携式XRF元素分析以及磁化率测试。为了保证测试效果，选择每1～2m一个测试点，对整孔岩心系统分析。

2.1 热红外光谱分析

为提高太和钒钛磁铁矿床的勘查效率，项目组尝试将具有绿色、快速、无损、精确探测特点的热红外光谱技术应用到太和钒钛磁铁矿床的钻孔岩心测试之中。本文热红外数据测试使用的仪器为便携式傅里叶变换红外光谱仪(Agilent 4300 Handheld FTIR)，数据测试均在室内进行，排除了环境因素对测试结果的干扰，每个数据采集点通过3次测试求平均值的方法提高数据质量。数据采集之后，将数据导入软件TSG8.0中进行数据处理和解译工作。TSG是英文“The Spectral Geologist”的简称，是光谱地质应用开发的专业软件，其中囊括了海量的地质光谱数据的分析算法和澳大利亚CSIRO(联邦科学与工业研究组织)测试的一套矿物光谱数据库，并以此为基础针对不同矿物的提取方法构建了各种模型[32]。

2.2 便携式XRF元素分析

经过热红外光谱测试之后，为进一步提升对太和钒钛磁铁矿床钻孔岩心的地质认识，项目组针对太和钒钛磁铁矿床的ZK1307钻孔岩心测试光谱的点位，同时开展XRF元素分析工作。本次采用的仪器是Vanta VMW型便携式X射线荧光光谱分析仪，单个测试点测试时间为90s，每个测试点同时测试3次，通过多次测试求平均值的方法提高测试精度，从而降低便携式XRF测试误差，本次测试相对误差<10%。

2.3 磁化率分析

为探究Fe、Ti、V金属元素含量与磁化率之间的关系，提升太和钒钛磁铁矿床的找矿勘查效率，应用KM-7型便携式磁化率测试仪对钻孔ZK1307进行测试。测试过程中，先将振荡器频率的测试保持线圈离岩石之间的距离至少30cm，进行初始环境磁化率测试，然后将线圈移到测试点表面进行数据采集，最后将线圈放在离岩石至少30cm的距离，再次进行测试，从而提高测试的灵敏度(灵敏度为1×10-6SI)。根据频率的不同自动计算出磁化率，并在屏幕上显示磁化率值。

图2 太和钒钛磁铁矿床钻孔ZK1307热红外矿物相对含量与岩性、金属Fe-Ti-V元素含量、磁化率、辉石特征吸收峰相对吸收深度信息对比图。其中，8360D、9610D、10050D、10700D分别表示辉石的特征吸收峰的波长在8360nm、9610nm、10050nm、10700nm波段的相对吸收深度Fig.2 Column chart of the relative contents of minerals identified by infrared spectroscopy, associated with the lithology categories, and the contents of iron, titanium, vanadium, as well as the magnetic susceptibility, the relative absorption depth of the characteristic absorption peak of pyroxene in 8360nm, 9610nm, 10050nm, 10700nm, from drilling ZK1307, Taihe vanadium titano-magnetite deposit, Sichuan Province

3 结果与讨论

3.1 钻孔岩心热红外光谱特征

本文基于对太和钒钛磁铁矿床13号勘探线的ZK1307钻孔岩心开展热红外光谱测试工作采集的光谱数据，结合钻孔地质编录，获取钻孔的矿物组成。下部岩相带中，由深部到浅部，主要的矿物组合为：斜长石+辉石+绿泥石→橄榄石+蛇纹石+辉石+斜长石→斜长石+辉石+绿泥石→辉石+斜长石+绿泥石。中部岩相带的旋回Ⅰ，从深部到浅部主要矿物组合为：辉石+绿泥石+蛇纹石+斜长石+金红石→斜长石+辉石+角闪石+蛇纹石。中部岩相带的旋回Ⅱ到旋回Ⅵ，每一个旋回的矿物组合基本相同，深部为：辉石+斜长石+绿泥石+磷灰石，浅部为：斜长石+辉石+绿泥石+蛇纹石+磷灰石。上部岩相带主要的矿物组合为：斜长石+辉石+绿泥石+蛇纹石+磷灰石(图2)。整个钻孔的矿物组合与该钻孔的岩性类别一一对应，矿石矿物主要位于磷灰石磁铁辉石岩体中。

钻孔ZK1307中，光谱识别的辉石，主要有普通辉石、透辉石、钙铁辉石，这三种辉石在整个钻孔中基本都有分布。其中，典型普通辉石的光谱图如图3a所示。矿床内三种辉石的特征吸收峰的波长在8360nm、9610nm、10050nm、10700nm附近[15]。因此，通过TSG软件中的算法分别求得8360nm、9610nm、10050nm、10700nm波段的相对吸收深度(图2)，这些谱图显示矿化段的部分，其相对吸收深度较高，对应的辉石含量也相对较高，矿化更明显。

钻孔ZK1307中的斜长石主要有更长石、中长石、拉长石、钙长石。其中，更长石主要位于钻孔的上部，中长石和拉长石在整个钻孔中均有分布，而钙长石主要位于钻孔的下部。典型的中长石光谱图如图3b所示，中长石典型的波长在8988nm和9599nm附近，典型波谷的波长在9228nm左右。

磷灰石在太和钒钛磁铁矿床中是比较常见和重要的副矿物。攀西地区攀枝花、白马、红格钒钛磁铁矿矿石中均不含或很少见到磷灰石，而太和矿区除了下部岩相带的块状矿层不含磷灰石，其他岩性或矿石中或多或少都含有磷灰石，尤其在中部岩相带的磁铁辉石岩中，赋存有大量的磷灰石[10,14]。磷灰石的热红外光谱整体呈“M”型，典型吸收谷在9200nm附近(图3c)。

橄榄石是基性岩和超基性岩中常见的造岩矿物，在太和矿床钻孔ZK1307中，橄榄石主要位于下部岩相带的橄榄辉石岩体中，下部的辉长岩体中也有少量分布。橄榄石的热红外光谱的主要特征是在波长为10182nm、10644nm、11946nm附近分别出现特征反射峰(图3d)，并且橄榄石的镁指数越高，特征峰的波长越向短波的方向移动。

角闪石主要位于下部岩相带和中部岩相带中，磷灰石磁铁辉石岩和磷灰石辉长岩中都有分布，在热红外光谱中，角闪石主要有一个特征峰在10307nm附近，一个肩部在11427nm附近(图3e)。

钻孔ZK1307中的蛇纹石分布比较分散，含量较少，主要由橄榄石、辉石、角闪石蚀变形成。其中，与中部和上部岩相带相比，下部岩相带中的蛇纹石相对较多。典型蛇纹石热红外光谱的反射特征峰波长位于9673nm左右(图3f)。

绿帘石主要位于下部岩相带的辉长岩中，由部分的斜长石蚀变而来。在热红外光谱中，绿帘石在9472nm、10431nm、11250nm附近出现特征反射峰，在9795nm、10840nm附近出现特征吸收谷(图3g)。

绿泥石主要位于下部岩相带，由橄榄辉石岩和斜长岩中的辉石蚀变形成。在热红外光谱中，绿泥石在9709nm附近出现特征反射峰，在10323nm附近出现肩部(图3h)。

从太和钒钛磁铁矿床ZK1307整个钻孔上来看，与矿化相关的岩性主要是辉石岩，包括橄榄辉石岩、磁铁辉石岩、磷灰石磁铁辉石岩。而这些辉石岩体中，最主要和含量最多的矿物就是辉石，热红外光谱可以快速、无损地实现对辉石特征吸收峰的信息提取(图2)。辉石特征峰的相对吸收深度8360D、9610D、10050D、10700D值越高，对应的辉石含量越高，矿化越明显。根据这些特征可以大概圈定辉石岩体分布范围，快速圈定含矿岩体，为找矿勘查提供高效的数据支撑。

3.2 钻孔岩心Fe、Ti、V元素含量特点

因岩性和Fe-Ti氧化物的含量具有一定的差异，钻孔不同深度的岩心，Fe、Ti、V元素含量也不相同(本文中铁含量包括二价铁和三价铁)。其中，少量的Ti元素和大多数的V元素因含量低于检出限而未能测试出来。矿化的钻孔岩心段的V能被测试出来的，其含量为300×10-6～2000×10-6(图2)。第四系沉积物的Fe含量为10000×10-6～40000×10-6，Ti含量为2000×10-6～10000×10-6；磷灰石辉长岩中的Fe含量为40000×10-6～120000×10-6，Ti含量为10000×10-6～50000×10-6；磷灰石磁铁辉石岩的Fe含量为120000×10-6～200000×10-6，Ti含量为50000×10-6～100000×10-6；磁铁辉石岩的Fe含量为120000～450000×10-6，Ti含量为50000×10-6～110000×10-6；块状Fe-Ti氧化物矿石的Fe含量>160000×10-6，Ti含量>50000×10-6；辉长岩的Fe含量为60000×10-6～110000×10-6，Ti含量一般为10000×10-6～40000×10-6；橄榄辉石岩因为被矿化，其Fe含量较高，为100000×10-6～280000×10-6，Ti含量相对差别较大，为20000×10-6～80000×10-6。

根据以上岩石岩性和含矿性及其Fe、Ti、V元素含量，可以用便携式XRF测试的Fe、Ti、V元素含量初步界定矿化界线。基于本次研究的数据和地质认识，在钻孔ZK1307中，Fe含量>120000×10-6,Ti含量>50000×10-6,V含量>300×10-6，可作为圈定矿化区的地球化学指标。因此，本次研究认为在钒钛磁铁矿床勘查过程中，较高的Fe、Ti、V金属元素含量可作为判断地质体矿化的指示信息。

3.3 钻孔岩心磁化率特点

不同的岩性，其磁化率的大小是不同的(图2)。第四系沉积物在地表，深度0～80.35m，磁化率整体较低，在20×10-3SI以下，甚至有些测试点位的磁化率小于零；磷灰石辉长岩主要在中部岩相带旋回Ⅰ与旋回Ⅵ每个旋回的上部，深度位于80.35～289.77m、329.18～414.80m、548.99～568.38m、604.98～683.18m、778.44～792.74m、856.21～884.11m，磁化率为20×10-3～160×10-3SI；辉长岩深度位于1087.68～1164.73m、1225.91～1262.10m，磁化率为50×10-3～160×10-3SI；橄榄辉石岩主要位于下部岩相带，深度在1181.61～1225.91m，岩心被矿化，因此磁化率相对较高(200×10-3～400×10-3SI)；磷灰石磁铁辉石岩主要位于中部岩相带旋回Ⅱ与旋回Ⅵ每个旋回的下部，深度在289.77～329.18m、414.80～548.99m、568.38～604.98m、683.18～778.44m、792.74～856.21m、884.11～1002.07m，磁化率相对较高(160×10-3～400×10-3SI)；磁铁辉石岩主要位于中部岩相带旋回Ⅰ下部，深度在884.11～1002.07m，磁化率较高(160×10-3～900×10-3SI)；块状Fe-Ti氧化物矿石主要位于下部岩相带的顶部，深度在1002.07～1087.68m，磁化率较高(一般磁化率>400×10-3SI)。

通过钻孔ZK1307岩性、含矿性与磁化率对比分析认为：①不同的岩性的磁化率存在一定的差异，岩性的磁化率相比较，整体上呈现的特征为：第四系沉积物<磷灰石辉长岩≈辉长岩<磷灰石磁铁辉石岩≈橄榄辉石岩(矿化)<磁铁辉石岩≈块状Fe-Ti氧化物矿石；②含矿的钻孔段，往往磁化率较高，含矿性差的岩石或围岩，其磁化率较低。

综合分析，岩心Fe-Ti氧化物矿石含量和磁化率越高，Fe、Ti、V元素含量越高。考虑到Fe、Ti、V元素含量与磁化率呈明显正相关关系，利用Pearson相关系数，通过SPSS 25.0统计软件，分别获取Fe、Ti、V含量与磁化率的一元线性回归方程(在线性回归中，剔除了少量的Ti低于检出限的测试点和大量V低于检出限的测试点)，其中，磁化率k的单位是“×10-3SI”，元素Fe、Ti、V含量单位是“×10-6”(分别如图4中的a、b、c所示)。

图4 磁化率与Fe、Ti、V金属元素含量的线性拟合图Fig.4 Linear fitting diagrams of the magnetic susceptibility associated with the contents of Fe, Ti and V

Fe、Ti、V含量(C)与磁化率(k)的回归方程分别为：

CFe=462.97k+45493.319 (R2=0.869)

CTi=102.941k+23796.4 (R2=0.620)

CV=1.782k+91.055 (R2=0.753)

基于Fe、Ti、V含量与磁化率强烈的相关性以及所建立的线性回归方程，通过便携式磁化率分析仪，可以快速、无损地获取目标点位的Fe、Ti、V含量。同时，根据钒钛磁铁矿矿石磁性较高的特性，根据本文获得的数据和研究认为，在太和钒钛磁铁矿床ZK1307钻孔岩心中，当磁化率k>160×10-3SI，可将该段岩心段判定为矿化段。因此，较高的磁化率可作为判断地质体矿化的指示信息。

4 结论

以四川省攀西地区太和超大型钒钛磁铁矿为研究对象，应用便携式傅里叶变换红外光谱仪对钻孔ZK1307整孔岩心进行数据采集，识别了该矿床典型矿物如辉石、斜长石、磷灰石、橄榄石、角闪石、蛇纹石、绿帘石、绿泥石等，同时总结了辉石在热红外波段的光谱特征，分别提取辉石在8360nm、9610nm、10050nm、10700nm波段的相对吸收深度，并与岩心矿化段、Fe-Ti-V元素含量对比发现：矿化段的部分，相对吸收深度较高。因此，热红外光谱可以快速、无损地提取辉石特征吸收峰光谱信息，从而归纳识别含磁铁辉石岩体分布范围，快速圈定含矿岩体，提高钒钛磁铁矿床的勘查效率。

本文同时应用便携式XRF和KM-7型磁化率分析仪，对钻孔岩心热红外数据采集点进行测试。发现Fe、Ti、V元素含量和磁化率与矿化程度高度正相关，Fe、Ti、V元素含量可以用磁化率进行线性拟合。因此，较高的Fe、Ti、V金属元素含量和磁化率，可作为判断地质体矿化的指示信息。