基于红外光谱技术研究云南普朗斑岩铜矿的蚀变和矿化特征

郭东旭， 刘晓， 张海兰， 张志国

(自然资源实物地质资料中心， 河北 三河 065201)

斑岩铜矿提供了全球约75%的铜、约50%的钼，具有重要的经济价值，一直以来倍受工业界和地质学家的关注[1-3]。传统典型的斑岩铜矿勘查方法是，根据地表出露的蚀变矿化分带，结合经典面状蚀变分带模型，推测矿化中心位置，进而通过地球物理、地球化学、地质钻探等勘探技术加以综合评估和验证[4]。然而，斑岩型矿床具有蚀变矿物高度叠加和蚀变分带界线不明显以及细粒蚀变矿物多、黏土蚀变矿物多等特点[3-5]，不利于蚀变矿物的识别和勘探信息的解读。因此，如何高效缩小勘查区域，确定蚀变和矿化中心，显得十分迫切。

近年来，红外光谱作为一种绿色、快速、无损、精确探测矿物的技术手段而受到越来越广泛的关注。按照波长不同，红外光谱包括可见光-近红外(380～1100nm)、短波红外(1100～2500nm)、热红外(6000～14500nm)等[6-7]。在国外，红外光谱技术被广泛应用于IOCG矿床[8]、斑岩型铜矿[9]、VMS型矿床[10]等矿床类型的理论研究和找矿勘探。在中国，短波红外光谱被广泛应用于斑岩型铜矿[11-16]、中低温热液矿床[17-20]、稀有金属矿床[21]等矿床类型的研究，高效识别出蚀变矿物与蚀变分带，分析成矿环境，不断推动对热液中心的认识和勘查模型的建立，促进找矿勘查技术的进步和发展。热红外光谱应用于矽卡岩型、伟晶岩型[22-24]等矿床类型的研究，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[7]。综合应用短波红外和热红外光谱技术，可以发挥更大的优势。

普朗斑岩型铜矿位于中国西南“三江”构造岩浆成矿带，产生于义敦岛弧南段的中甸火山-岩浆弧之中，是国内发现的印支期重要的斑岩型铜矿床[25]。前人对普朗斑岩铜矿深入开展了成岩成矿时代[26]、成矿流体演化[27-28]、岩石地球化学特征[29]、矿物学特征[30-32]、矿床成因[33-36]等研究，并利用红外光谱方法对普朗斑岩铜矿地表蚀变矿物进行了识别和矿区表面填图[12,25]。最新的研究表明，普朗矿区发育着钾硅酸盐化、绿帘石-绿泥石化、绿泥石-伊利石化、石英-伊利石化和泥化5种蚀变类型[35]。该矿区绿帘石-绿泥石化在矿床外围和中心均有发育，且强烈叠加在矿床中心的钾硅酸盐化之上。对于蚀变矿物高度叠加和蚀变分带界线不明显的普朗矿床，运用红外光谱技术研究钻孔岩心的蚀变与矿化之间的关系，可以显著提高勘查效率。普朗斑岩型铜矿南矿区钻孔ZK1801，涵盖了普朗铜矿大部分蚀变类型，矿化效果好，为钻孔红外光谱测试工作和蚀变矿物光谱识别提供了较大的研究潜力。本文基于普朗矿床钻孔ZK1801的岩心，开展红外光谱扫描测试和分析工作，结合岩心编录情况，精准识别出该钻孔矿物组合及蚀变分带，探究蚀变矿物组合与矿化之间的关系，以及蚀变矿物光谱特征对找矿勘查的指示意义，为普朗矿床的进一步找矿勘探提供依据。

1 地质概况

云南省普朗铜矿位于三江—特提斯成矿带西南、义敦弧的南部。区域主要出露三叠系和第四系地层[37]。普朗铜矿分为三个矿区：南普朗、东普朗和北普朗。其中南普朗矿区最大，包括430.5Mt(平均品位0.52%)矿石储量，约占整个普朗矿区铜矿储量的96%[35]。普朗矿区主要的侵入岩体包括细粒石英闪长岩、粗粒石英闪长岩、石英二长斑岩、石英闪长玢岩等，普朗铜矿体主要位于石英二长斑岩中，少量位于粗粒石英闪长岩中，石英闪长玢岩中也有极少量的分布。普朗矿区岩体发生矿化，南矿区矿体中心形成由细脉浸染状矿化组成的筒状矿体。成矿元素以铜为主，伴有金、银、钼、钯、硫等多种有益组分。经地表工程及钻孔控制，共圈出2个矿化体、5个工业矿体。在南普朗矿区的18号勘探线剖面上主要有KT1和KT2等矿体。

围岩蚀变是斑岩型矿床的一个重要特征，蚀变面积大小，直接与矿床规模有关。普朗铜矿是较典型的大型斑岩铜矿，受构造、侵入岩、围岩岩性、热液蚀变等多方面因素的综合控制。矿体产于 NW 向深大断裂和 NE 向小断裂交汇部位。微裂隙的发育直接影响蚀变及矿化的强弱。普朗矿区从岩体中心向边部依次发育的钾硅酸盐化、绿帘石-绿泥石化、绿泥石-伊利石化、石英-伊利石化和泥化5种蚀变类型[35]中，后期的蚀变叠加在前期的蚀变之上，尤其是绿帘石-绿泥石化叠加在钾硅酸盐化之上。蚀变矿物主要有石英、钾长石、绢云母、绿泥石、绿帘石、高岭石、蒙脱石、伊利石等[25](图1)。

Bt—黑云母； Ccp—黄铜矿； Chl-绿泥石； Ep—绿帘石； Or—钾长石； Pl—斜长石； Py—黄铁矿； Qtz—石英。a、c、e、g—正交偏光显微镜下照片； b、d、f、h—反射光显微照片。图1 普朗斑岩铜矿钻孔ZK1801蚀变矿物组合Fig.1 Altered minerals assemblages of the drill ZK1801 in Pulang porphyry copper deposit, Yunnan Province

2 实验部分

2.1 样品采集

普朗铜矿区位于云南省香格里拉县县城向北70km的格咱乡大山深处，岩心主要存放于格咱乡项目基地。自然资源实物地质资料中心(以下简称“实物中心”)采集人员和项目组负责人在野外查看了岩心，并通过查阅相关资料，一致认为钻孔ZK1801岩心(进尺456.62m)不仅见矿效果较好，而且钻遇了相关围岩和普朗铜矿大部分蚀变类型，具有典型性和代表性，保存价值较高，因此被选入实物中心保管。

岩心从云南运到实物中心的同时，也收集了《普朗铜矿区ZK1801原始编录资料》、《区域成矿地质背景》(普朗铜矿)、18号勘探线剖面图等基础地质资料，包括纸质版和电子版资料，并开展了对岩心清洁整理等岩心管理的相关工作，为后期开展普朗铜矿地质和矿床相关研究提供了方便。

2.2 样品测试

使用HyLogger型岩心红外光谱扫描仪(以下简称“HyLogger”)对普朗矿床钻孔ZK1801进行全孔光谱数据采集。HyLogger是澳大利亚联邦科工组织(CSIRO)研发和设计、FLSmidth公司负责加工和生产的一种岩心红外光谱数据测量系统。该系统利用数字线扫描相机、ASD光谱仪、热红外光谱仪、激光表面测度仪四个传感器，模拟太阳光源和热红外光源照射岩心，使用光谱仪传感器探头逐点同步获取岩心(或切片、粉末等样品)相同位置的图像和红外光谱反射率数据(包括波长为380～2500nm的可见光-近红外和短波红外波段，波长为6000～14500nm的热红外波段)。在岩心红外光谱数据采集之前，对岩心进行整理，保证岩心清洁、干燥、无遮挡物。岩心扫描间隔为5cm，可见光-近红外扫描波段范围为350～1100nm，分辨率为3nm；短波红外扫描波段范围为1100～2500nm，分辨率为10nm；热红外波谱范围为6000～14500nm，分辨率为18～150nm。

2.3 数据解译

数据采集完成后，将原始图像和光谱数据导入专业的地质光谱解译软件TSG(全称“The Spectral Geologist”，翻译为“光谱地质专家”，该软件集合了各种地质光谱数据的分析算法及澳大利亚CSIRO专门测试的一套矿物光谱数据库[13])，开展光谱数据的处理和解译工作。剔除岩心箱、木头牌、标识牌等非岩矿信息的光谱数据，实现光谱数据的完整、连续、干净，并重新进行钻孔岩心的深度校准。在TSG软件中对光谱数据进行解译，结合野外地质和钻孔ZK1801岩心的实际情况，获取蚀变矿物的种类、相对含量、矿物组合、矿物光谱曲线、Al—OH波长等相关信息。

3 结果与讨论

3.1 蚀变矿物光谱特征

3.1.1绿泥石

短波红外波段，富Fe绿泥石特征吸收峰位置在2260nm和2350nm，富Mg绿泥石特征吸收峰位置在2250nm、2330～2340nm。因为绿泥石八面体晶格中的Fe和Mg离子的类质同象替代，导致绿泥石特征吸收峰的位置发生变化。一般情况下，富Fe绿泥石吸收峰位置在2260～2265nm，富Mg绿泥石吸收峰位置在2255～2260nm[3]。绿泥石的次一级结晶水吸收峰位置在1910nm、2000nm[38]。在钻孔ZK1801中，绿泥石广泛分布于整个钻孔，尤其是在绿帘石-绿泥石化带和绿泥石-伊利石化带中，绿泥石含量更高。ZK1801中典型的绿泥石短波红外光谱曲线2250～2265nm波段的吸收峰为2256nm，因此，钻孔ZK1801中的绿泥石主要富镁(图2a)。

3.1.2绿帘石

绿帘石通常与绿泥石相伴生，主要位于绿帘石-绿泥石化带中，在短波红外光谱曲线图中，绿帘石光谱与绿泥石很相似，虽然二者在2000～2500nm波谱区间特征相同，但绿帘石在1550nm、1830nm存在明显次级吸收，从而区别于绿泥石[38]。钻孔ZK1801中典型的绿帘石短波红外光谱曲线明显的次级吸收峰在1550nm、1830nm(图2b)。

3.1.3伊利石

伊利石，K2-xAl4( Si6+xAl2-x)O20(OH)4，是一种富K的2∶1 型层间缺失的二八面体硅酸盐云母类黏土矿物，伊利石的诊断吸收峰位于1408nm、2200nm、2348nm 和2442nm，同时具有一个较宽的双吸收峰位于2100nm 附近。其光谱形态与白云母极为相似，仅在1910nm 和1460nm处，关于水的吸收深度要大于白云母。富Fe 伊利石在2240nm 具有特征吸收；混合了蒙脱石的伊利石在1455nm 具有反射特征，在1910nm 具强水分吸收[19]。在钻孔ZK1801中，伊利石主要分布在90～170m深度范围内。从伊利石的光谱曲线吸收特征来看，钻孔中的伊利石大部分通过交代绢(白)云母形成(图2c)。

3.1.4高岭石

高岭石化学式为Al2Si2O5(OH)4，通常出现在斑岩系统的泥化带中，属于低温黏土矿物。高岭石的出现，代表了曾经历酸性流体作用。在短波红外光谱中，高岭石在1400nm和2200nm处出现双吸收峰[17]。在普朗铜矿钻孔ZK1801中，典型的高岭石在1400nm附近的双吸收峰位置在1399nm和1414nm，在2200nm附近的双吸收峰位置在2164nm和2208nm(图2d)。该钻孔中泥化带发育较弱，仅在少量石英二长斑岩中出现了高岭石。

3.1.5蒙脱石

蒙脱石在热液蚀变系统中比较常见，属于一种低温、非酸性环境下的蚀变矿物，通常富Fe、Mg，在各种岩石中都可能出现。该矿物在2208nm 附近表现出强烈吸收的特征, 同时在1410nm 和1910nm 附近也具有吸收特征。在钻孔ZK1801中，典型的蒙脱石吸收峰的波长位置分别在1414nm、1908nm、2210nm(图2e)。

3.1.6绢(白)云母

绢云母是分子式为(K, Na)2(Al, Fe, Mg)4(Si, Al)8O20(OH)4的层状硅酸盐，在定义中属于细粒白云母。短波红外光谱无法识别矿物粒径大小，因此在文中可能出现绢云母和白云母两个名词混用的情况。绢云母在钻孔ZK1801中贯穿在整个钻孔(图4)。在短波红外扫描时，绢云母在1400、1900、2200、2348和2442nm附近出现明显的吸收峰，在2100nm附近会出现一个微弱的肩峰，以此区别于其他矿物。钻孔ZK1801中典型的绢云母短波红外光谱曲线图中，波长在1412nm、1914nm、2208nm处具有明显的吸收峰(图2f)。

图2 普朗铜矿钻孔ZK1801中典型矿物光谱特征Fig.2 Spectral characteristics of typical minerals from the drill ZK1801 within Pulang porphyry copper deposit, Yunnan Province

3.1.7石英

石英主要成分为SiO2，在热红外波段可以被精准识别，其8625nm和12610nm附近的特征吸收峰非常尖锐，且在7400nm处波形突然抬升，在9400nm波形突然下降[7]。钻孔ZK1801中典型的石英特征吸收峰在8631nm和12628nm(图2g)。石英广泛分布于ZK1801中，一类为岩浆形成过程中的造岩矿物，另一类为钾硅酸盐化新形成的蚀变矿物。与岩浆阶段形成的石英相比，钾硅酸盐化的石英表现为石英变晶的形成、再生长及基质硅化，并伴有石英细脉(含石英金属硫化物脉)的产生。整个钻孔的中上部是钾硅酸盐化的重要区域。

3.1.8钾长石

钾长石主要包括正长石、微斜长石、透长石等矿物。其中，微斜长石的热红外波谱特征为在9000nm、9350nm、9600nm波段附近有特征吸收峰[7]。钾长石是斑岩铜矿蚀变组合中钾硅酸盐化的主要矿物成分之一，钻孔ZK1801中的钾长石为微斜长石，其典型特征吸收峰位置在9000nm、9370nm、9770nm附近(图2h)，与石英、黑云母、绢云母等矿物共生。

3.2 蚀变矿物组合

参考材料：云南省地质调查院.普朗铜矿区ZK1801原始编录资料.2009:29-37。图3 普朗斑岩铜矿蚀变矿物相对含量、岩性、金属铜钼含量分布柱状图Fig.3 Column chart of the relative contents of altered minerals, the lithology categories, and the contents of copper and molybdenum in Pulang porphyry copper deposit, Yunnan Province

对称同心轴状蚀变是斑岩型铜矿的显著特征之一，因此，精准地识别斑岩型铜矿床的蚀变类型、蚀变分带，有利于更好地解读矿化情况，进而理解整个成矿过程[2]。本文基于对普朗铜矿床18号勘探线的钻孔ZK1801岩心开展红外光谱测试工作，根据钻孔ZK1801获取的数据显示，钻孔由浅入深，蚀变矿物组合依次为：绢云母+伊利石+蒙脱石+高岭石+绿泥石+绿帘石→石英+钾长石+绢云母+绿帘石+绿泥石→绢云母+绿帘石+绿泥石+石英→绢云母+绿帘石+绿泥石(图3)。总体上，顶部以伊利石、蒙脱石、高岭石、绢云母为主，中部以石英、钾长石、绢云母、绿泥石、绿帘石为主，底部以绢云母、绿泥石、绿帘石为主。普朗矿床钻孔ZK1801中主要的岩石类别是石英二长斑岩和石英闪长玢岩的互层，矿体主要赋存于石英二长斑岩中。

分别提取钻孔ZK1801中的主要蚀变矿物及其赋存岩性进行对比分析，发现：①热红外光谱数据显示，钾长石和石英在整个钻孔中的含量较多，该钻孔钾硅酸盐化明显；②绢云母贯穿整个钻孔(图4a)；③自顶部向下20～90m出现大量的绿帘石-绿泥石，之后自140m深度向下，绿泥石和绿帘石普遍存在；④顶部有很少量的伊利石和高岭石，自顶部向下90 m 后伊利石、蒙脱石增多，形成伊利石+蒙脱石+高岭石的蚀变矿物组合。

a—绢云母相对含量随钻孔深度的变化特征； b—Al—OH波长随钻孔深度的变化特征。图4 普朗斑岩型铜矿钻孔ZK1801绢云母相对含量及Al—OH波长随钻孔深度的变化特征Fig.4 Relative concentrates of sericite and the Al—OH wavelength along to the depth in the drill ZK1801 from Pulang porphyry copper deposit

普朗矿区从岩体中心向边部依次发育钾硅酸盐化、绿帘石-绿泥石化、绿泥石-伊利石化、石英-伊利石化和泥化5种蚀变类型，这几种类型的蚀变矿物组合被红外光谱清晰地测试、识别出来。钻孔ZK1801中，钾硅酸盐化带范围较大，深度在0～400m基本整体发育，以钾长石+石英+绢云母+黑云母+斜长石等矿物组合为主要特征(图3)。硅化表现为石英变晶的形成、再生长及基质硅化，并伴有产生石英细脉(含石英金属硫化物脉)；钾化表现为大量钾长石的生成，自形钾长石的粒度在50～500μm，与石英共生的钾长石的粒度<50μm[35]。该钻孔中钾硅酸盐化与矿化关系密切，主要的矿石矿物为黄铜矿、黄铁矿、磁黄铁矿等(图2中b、d、f、h)。绿帘石-绿泥石化带位于自顶部向下20～90m、140～456.61m，表现为出现大量的绿帘石、绿泥石，并且叠加在钾硅酸盐化带之上(图2中a、c、e、g)，其中绿帘石和绿泥石由钾长石、斜长石或黑云母蚀变形成(图2中e，g)。同时，绿帘石、绿泥石与黄铜矿、黄铁矿、磁黄铁矿等密切共生，与矿化关系密切(图2中 a、c、e、g)。绿泥石-伊利石化带主要位于自顶部向下140～200m位置，叠加在前期形成的蚀变之上，蚀变较弱(图3)，以伊利石+绿泥石矿物组合为特征。石英-伊利石化带以石英+伊利石等矿物组合为特征，主要位于自顶部向下140～200m位置，叠加在前期形成的蚀变之上，蚀变较弱。泥化带主要位于自顶部向下185～200m位置，蚀变较弱(图3)，叠加在较早期的蚀变组合之上，伊利石、蒙脱石、高岭石是这个蚀变阶段的主要蚀变矿物。

在大多数的斑岩铜矿中，矿床热液蚀变呈同心环状分带，中心为钾硅酸盐化，向外过渡为泥化等，最外围为青磐岩化。矿化主要位于中部的钾硅酸盐化，青磐岩化带中几乎见不到矿化[2]。然而，青磐岩化在普朗矿床的中心部位和边部都非常发育。钻孔ZK1801中，自顶部向下20～90m出现大量的绿帘石-绿泥石，之后自140m深度向下，绿泥石和绿帘石广泛发育，同时该钻孔的矿化主要位于钻孔的中上部，与绿帘石-绿泥石矿物组合明显叠加在一起。最新研究成果表明[35]：受流体性质、流动路径或围岩条件发生异常变化的影响，斑岩铜矿系统中绿帘石-绿泥石等蚀变矿物组合所代表的青磐岩化，有时可以位于矿化中心，并与矿石矿物密切共生。因此，根据蚀变矿物组合特征与矿化之间的关系，可以明确普朗矿床与矿化息息相关的蚀变类型为钾硅酸盐化和绿帘石-绿泥石化，主要的蚀变矿物组合为:钾长石+石英+绢云母和绿帘石+绿泥石。

3.3 Al—OH波长对矿化的指示

Al—OH 在短波红外区间的特征波长位置变化能够反映成矿环境的变化，同时波峰吸收深度与成矿之间也存在一定关系[14,20,39-40]。通常情况下，Al—OH在2200nm处吸收峰最小值波长位置越高，越接近热液中心[3]。根据波长-孔深变化散点图的线性拟合结果，绢云母在2200nm处的波长变化反映出三段明显的特征：顶部的绢云母波长集中在2210～2205nm之间，到中部波长迅速降低到2205～2199nm的范围；钻孔的下部，绢云母的波长维持在2205～2199nm基本保持稳定；钻孔的底部，绢云母的波长在2202～2198nm之间(图4b)。绢云母的波长总体呈现出向钻孔深部逐渐减小的趋势，长波绢云母(2210～2205nm)表现为吸收峰波长偏大的特征，主要位于斑岩体的钾硅酸盐化带和绿帘石-绿泥石化带中，与黑云母等矿物伴生；短波绢云母(2202～2198nm)常表现为一种低温环境下的产物。随着钻孔ZK1801深度的增加，绢云母Al—OH波长总体呈现出从2210～2205nm减小到2202～2198nm的趋势，表明从钻孔上部到下部，流体的温度、压力逐渐降低[8,20]。钻孔ZK1801矿化区主要位于中上部，与长波绢云母(2210～2205nm)关系密切。因此，长波绢云母(2210～2205nm)可以作为矿床勘查和圈定找矿靶区的矿化信号之一。

4 结论

本文应用短波红外和热红外光谱技术,对普朗矿区钻孔ZK1801岩心进行矿物识别和蚀变分带划分的研究，识别出钾硅酸盐化带、绿帘石-绿泥石化带、绿泥石-伊利石化带、石英-伊利石化带和泥化带。普朗铜矿整个钻孔的主要蚀变矿物有石英、钾长石、绢云母、绿泥石、绿帘石、高岭石、蒙脱石、伊利石等，钻孔从浅部到深部蚀变矿物组合表现为：绢云母+伊利石+蒙脱石+高岭石+绿泥石+绿帘石→石英+钾长石+绢云母+绿帘石+绿泥石→绢云母+绿帘石+绿泥石+石英→绢云母+绿帘石+绿泥石。

根据矿化特征，表明铜矿体广泛赋存在钾硅酸盐化带和绿帘石-绿泥石化带中，与矿化关系密切的蚀变矿物石英+钾长石+绢云母和绿帘石+绿泥石，可以作为普朗矿床勘查的标型蚀变矿物组合；研究区广泛发育的绢云母Al—OH波长随钻孔深度增加而逐渐从2210～2205nm减小到2202～2198nm，Al—OH波长2210～2205nm(长波绢云母)与矿化关系密切，可以作为普朗矿床勘查的指示信息。