蚀变矿物鉴定方法研究

姜永静

摘 要：简要介绍了近红外光谱分析法的基本原理，技术组成，工作过程，化学计量学以及特点。同时介绍了近年来近红外光谱分析法国内外的发展情况.实验部分采用傅立叶（FT）近红外光谱仪，在近红外光谱1000～2000nm范围内，绝大多数的天然矿物在近红外区均会出现振动吸收。鉴于此，简要介绍了近红外光谱分析法及其在蚀变矿物鉴定中的运用。

关键词：近红外光谱；矿物；鉴定

中图分类号：P631.7 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）07-0179-02

1 引言

人们认识最早的非可见光区域是指波长在780-2526nm范围内的电磁波，也就是我们俗称的近红外光谱。我们习惯上又将近红外光划分为近红外短波和长波。近红外短波波长范围是780-1100nm，近红外长波波长范围是1100-2526nm。进入90年代，近红外光谱技术得到飞速的发展，逐渐成为最受关注的光谱分析技术。在工业生产中，近红外光谱分析法的应用全面展开，越来越多的学者开始关注和研究近红外光谱，许多科研项目也投入进来。近红外光谱法是光谱测量学与化学计量学的完美结合，被誉为光谱分析的先驱。近年来，近红外光谱法取得良好的社会效益和经济效益主要是由于在常规光纤中所具有良好的传输特性，使得近红外光谱在分析领域也取得了更好的应用，从此近红外光谱技术进入一个崭新的，快速的发展新时期。

近红外光谱是指光谱值介于780-2500nm的光谱，由于矿物晶格当中的原子间化学键伸缩、弯曲或电子跃迁，吸收了区域红外光谱，形成了吸收峰，并且不同矿物有着各自不同特征的光谱。故通过这个特点能够区分岩石当中的矿物。岩石当中的矿物有低温矿物和高温矿物之分，其中低温矿物在近红外波段会出现倍频现象，所以可以使用近红外光谱区分低高温矿物，同时低温矿物又称作低温蚀变矿物，利用NIRS技术可区分含羟基硅酸的盐矿物以及硫酸盐矿物等，进而为地质工作人员提供鉴别信息。

2 近红外光谱分析法的概述

2.1 近红外光谱分析法的工作原理

近红外线照射激发有机物和无机物分子中的含氢基团，使其产生共振，在共振的同时，含氢基团会吸收一定的光能量，通过测量含氢基团对光的吸收情况，再分析得到很复杂的红外图谱。因此，利用图谱可以较科学的鉴别被测物质的特征和性质。有研究表明在近红外区域很多物质都有着丰富的吸收光谱，各类含氢基团都有独自的吸收特征。因此，近红外光谱法作为获取物质信息的一种有效载体，可准确、科学、快速的鉴别物质的性质。

2.2 近红外光谱分析法的技术组成

近红外光谱法分析技术由三部分组成：①测定样品的实验数据和谱图；②将实验数据分成两部分，一部分用来建立模型，另一部分用来验证模型。③将所建立的模型转化为实际应用。近红外光谱法分析技术的测量过程如下：（1）校正样品集的建立；（2）基础数据和光谱数据的测定；（3）选择合适的化学计量方法把光谱数据和基础数据建立成校正模型；（4）在测定未知样品时，先测定未知样品的光谱数据，然后将所测定的光谱数据与校正模型相对比，从而分析出未知样品的特征和結构。

在NIR分析复杂样品时，首先要用标准或认可的参比方法将样品的近红外光谱数据以及样品的组成、结构、特征等基础参数测得，然后运用化学计量法将所测得的数据建立校正模型；最后通过已经建立的校正模型将未知样品的测量数据进行科学比对，从而实现对未知样品的准确，快速预测。

2.3 近红外光谱分析法的工作过程

一般样品的近红外光谱包含结构与组成信息，一些油品的性质参数（如粘度、终馏点和馏分等）也与其结构、组成息息相关。

因此，样品的近红外光谱和性质参数之间一定存在内在的联系。将两者通过化学计量法进行关联，就可以建立校正模型，确定这二者间的定量或定性关系。在模型建立后，先测量未知样品的近红外光谱数据，再通过软件，在模型库中检索，自动选择适合的模型，对比校正模型和样品的近红外光谱，就可以预测样品的性质参数。所以，一个完整的近红外光谱分析方法包含了校正和预测两个过程。

近红外光谱分析法又被业内称为“黑盒子”分析技术，换而言之就是间接测量技术。通过运用化学计量法对样品红外光谱和其性质参数进行关联，然后建立校正模型，最后通过软件对比校正模型，预测样品的结构和组成。如图1所示为近红外光谱分析法的分析过程示意图。黑色箭头所表示的是近红外光谱法的预测过程。通过使用化学计量学软件，对待测样品的进行光谱分析再对比模型最后计算出其结构和组成的数据。

2.4 近红外光谱分析法的特点

2.4.1 近红外光谱分析应用方式的特点

近红外光谱有较强的穿透能力，能穿透样品，因此其谱区的信息量较丰富。近红外光谱分析运用化学计量法建立的模型可以在很短的时间完成对待测样品光谱的采集测量和性能分析。相比传统的分析方法，近红外光谱分析法的优点主要体现在对复杂物、微损分析、在线分析、原位分析、瞬间分析等领域。对于大量的样品分析，近红外光谱分析技术是十分便捷，快速的。但是由于建立一个科学准确的校正模型需要在近红外光谱分析建立的前期投入大量人力、财力和物力，因此近红外光谱分析对于零星样品或者说量较少的样品的分析显得不太适宜。近红外光谱分析技术是一门二级的分析技术，它主要是用数学模型进行间接分析，所以一般不适合于实验室等对精密度和稳定性有很高要求的单位进行分析；同样近红外光谱分析也不适合做微量分析。

2.4.2 近红外光谱分析方法法的特点

从90年代至今，近红外光谱技术在分析测量方面有如此迅速的发展，主要是因为相比传统分析方法近红外光谱分析技术有很多优点：（1）光谱在近红外区域吸收过程简单，吸收系数较小。因此待测样品不需要用溶剂进行稀释就可以用于生产过程的直接测定；（2）可以运用漫反射技术。光在近红外区内散射效应大，穿透能力强，所以近红外光谱技术能够运用漫反射技术直接对样品进行测定；（3）较强的穿透能力。由于石英和玻璃制品皆不会吸收近红外区的光谱，因此品池容器可以用石英或玻璃制成，使用方便，成本较低；（4）能准确的进行定性分析。将红外谱图数据和化学计量法相结合，建立定量模型，可以准确对样品进行测量，精度高。（5）绿色环保，无污染。近红外光谱分析过程中，不消耗原样品，不进行反应，不损坏周边仪器，只获得样品的光谱信号。因此绿色环保，无污染；（6）整个分析过程十分快速。由于使用计算机对数据进行统计和处理，所以近红外光谱能够在很短的时间内对样品进行测定和分析；（7）对于大量或者经常性测量的样品，近红外光谱法显得十分便捷经济。

3 近红外光谱分析技术在蚀变矿物鉴定中的应用

3.1 常见矿物的近红外光谱

常见矿物近红外光谱如图2所示，曲线形状和吸收峰位在不同矿物光谱上是有很大差别的。依据该特点，可以鉴别区分岩石中的矿物成分。一般情况下，可以把1300-2500nm这个波段划分成多个不同的区间，例如，结晶水峰是指波段在1400nm的矿物，吸附水峰是指波段在1900nm的矿物，而2300nm则是矿物羟基特征峰。

3.2 定性分析

定性分析的重要手段是通过矿物数据库检索。在数据库中，标准矿物的曲线是粉碎纯矿物后测得的，而数据库就是将一系列的矿物曲线打包成为一个文件而建立形成的。在检索时，只需要匹配数据库的峰位，就能够找到矿物的名称及其对应的光谱曲线。矿物吸收峰位又分成结晶水峰、金属元素-0H峰以及吸附水峰。

一般情况下，结晶水峰为介于1380-1400nm的吸收峰，吸附水峰则位于1900nm附近，Al-0H、Fe-0H以及Mg-OH吸收峰峰位则介于2000-2500nm之间。不同矿物的特征峰位和个数都有差别，通过这个特征可以实现矿物的鉴别，只是同种矿物的特征峰会由于采样地点和地质环境的不同有可能出现差别，故检索过程当中需要给定窗口值。

3.3 定量分析

作为矿物的集合体，岩石通常由多种不同的矿物组成，其中又可进一步划分出含水矿物和不含水矿物。近外光谱技术测量含水矿物，测量岩石矿物含量非常复杂，传统化学计量方法又难以精确测量岩石的矿物含量，故一般使用矿物数据库和实测曲线归一化之后，再根据比例迭代技术完成半定量的分析，但该技术得到矿物的含量值而非真实含量，其仅代表相同地区和相同样品矿物含量的趋势，需将数据点除以包洛线最终实现归一化。

3.4 建模分析

（1）是提取数据参数，选择矿物特征的吸收峰，提取峰对称、峰强度、峰位移、半高宽、反射率以及含量等方面的参数；（2）作图，这样就可以得到成矿的模型。在地质意义方面，矿物相对含量由峰强度表示，地质作用的强弱由峰对称反映，矿物形成的相对温度由半高宽表示，数值越大表明结晶度越低，矿物的形成温度也较低，地质作用当中的阳离子交换由峰位移表示，比如白云母矿物的A1-0H特征峰，若数值偏大，矿物当中的K+或者Na+取代Al-OH当中的Al3+，出现贫Al的问题，Al-OH吸收峰就会向高波长方向移动。（3）特征峰强度和吸附水峰强度之间的对比由峰强比表现，其代表矿物形成过程中的相对温度，数值越小代表矿物形成温度越低。岩石的颜色由反射率表示，颜色越亮导致数值偏高。（4）实验室提供含量值，输入软件后，反映元素的含量同上述模型之间的关系可概括为成矿的规律。在处理数据的过程中，通过钻孔来提取计算矿石并选择有效特征峰，一并选择那些有着典型代表意义的矿物光谱曲线。

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