文摘

二十绿泥石的矿物化学样本美国地质调查局(USGS)光谱库和其他两个地区,拥有广泛的铁和镁含量和相对稳定Al和Si含量,研究了通过红外(IR)光谱、近红外(NIR)光谱,x射线荧光光谱仪分析。五20个样品的吸收特性接近4525,4440,4361,4270,4182厘米⁻¹被观察到,在4440年和4280年两个诊断特性厘米吗⁻¹是公认的。作业的两个诊断功能是由两个组合乐队(和)通过回归与红外基本吸收。此外,近红外波段位置因素的基础上通过比较发现乐队相对位置的组件。结果表明,铁/(铁+毫克)值是负相关的两个近红外波段组合。近红外光谱的发现提供了一种解释带形成和演示一个简单的方法来使用近红外光谱分辨绿泥石与不同的组件。更重要的是,光谱检测绿泥石矿物化学变化为地质学家提供了一个工具来收集信息从hyperspectral-resolution遥感数据在热液蚀变区。

1。介绍

绿泥石随处可见铁镁矿物层状硅酸盐epimetamorphic中最常见的岩石热液蚀变产品并在沉积物侵蚀后连同各种粘土矿物(1,2]。绿泥石组矿物的晶体结构可以被描述为一个2:一种含水的铝硅酸盐与八面体片(talc-like层)之间的“夹”两种截然相反的四面体床单和联系在一起的一个额外的八面体片(brucite-like层)。绿泥石矿物的结构简化公式可以被描述为毫克₆毫克₆(如果₈O_20.)(哦)₄(哦)₁₆滑石,床单(毫克₆(如果₈O_20.)(哦)₄)和水镁石(毫克₆(哦)₁₂)包括(图1)。brucite-like和talc-like表由长连着另一个氧原子之间的氢键的硅氧烷表talc-like层和羟基组brucite-like层。阳离子代换在绿泥石中非常普遍,导致广泛的化学成分。在某些情况下,部分替换的毫克^{2 +}由铁^{3 +}伴随着耦合发生在brucite-like层电荷补偿,而替换Si^{4 +}由半岛^{3 +}发生在四面体片talc-like层。这些替换产生各种clinochlorites结构式的毫克₄艾尔₂毫克₆(如果₆艾尔₂O_20.)(哦)₄(哦)₁₂。艾尔的八面体和四面体表是必要的,以确保类似的水晶细胞的形成一个稳定的结构参数。毫克^{2 +}也可以取而代之的是铁吗^{2 +},导致一种Fe-rich绿泥石称为铁绿泥石(Fe的理论公式^{2 +}、镁)₃艾尔₃(铁^{2 +}、镁)₆(如果₅艾尔₃O_20.)(哦)₄(哦)₁₆(3]。

大部分可用的振动光谱的研究集中在红外,拉曼,和其他振动光谱的绿泥石,一些光谱特性和化学成分之间的相关性已经出版。Tuddenham和里昂4)观察到替换的艾尔斯之间的关系在四面体位置的波数Si-O伸展。此外,Stubican和罗伊(5)表示,半岛的替换Si密切相关的位置最强Si-O乐队在665到685厘米⁻¹地区。Hayashi和Oinuma6]报道一个乐队从540到560厘米⁻¹了越来越八面体铝含量但相反的转变增加Mg和铁含量。此外,Hayashi和Oinuma观察转向低频率的乐队620至692厘米⁻¹随着八面体毫克铁和八面体铝含量减少。此外,他们观察到另一个转向低频率哦拉伸乐队从3400年到3436厘米⁻¹从3560年到3586厘米⁻¹随着铁含量。这些变化在哦拉伸乐队被解释为由于短-哦层间距离Fe-rich绿泥石。附近的两大乐队3560和3420厘米⁻¹被归因于夹层哦弱肩带大约3620厘米吗⁻¹相关的内部哦2:1表[7]。两个乐队通常是分配给相对强劲(硅铝层),和(AlAl),振动8),和强度主要是由四面体表组成,而确切的乐队的位置也与八面体氢氧化层间的成分表。

绿泥石的近红外(NIR)光谱也被一些研究者研究,但大多集中在近红外光谱的应用区别与其他矿物绿泥石。邮报》和克劳福德(9)观察转变泛音乐队从7102厘米⁻¹到7205厘米⁻¹和建议,这种转变可能会让绿泥石的识别遥感更加困难。杨et al。10)和Laakso et al。11(4424厘米)观察羟基吸收转变⁻¹到4456厘米⁻¹)对更高频率的增加毫克和对低频率增加铁,但是他们没有讨论羟基吸收带近4273厘米⁻¹。小et al。12)分配的近红外光谱特征八面体蒙脱石(2:1层)近4550厘米⁻¹和4370厘米⁻¹羟基拉伸和弯曲的组合模式。矿物质与层2:1、绿泥石的近红外光谱特征也可能与羟基的组合在八面体片拉伸和弯曲。

红外光谱研究和近红外光谱研究历史上不同于另一个。前者主要集中在官能团和光谱的解释,而后者则侧重于统计分析。光谱的使用单位厘米⁻¹(波数)的红外光谱和纳米(波长)的近红外光谱是症状的历史分裂分离这些研究社区。

本文的目的是比较近红外光谱数据和红外数据对Fe /(铁+ Mg)值和识别的变化发生在近红外光谱红外特性和阳离子的函数替换。近红外反射技术,尤其是快速有效识别矿物轴承羟基一半和碳酸盐矿物,将有助于检测带和热液产品在地球表面映射土地使用多或高光谱遥感(13]。

2。材料和方法

2.1。样品

矿物成分和红外和近红外光谱数据8样本来自美国地质调查局光谱库。这些绿泥石的描述和条件已发表(见表的引用1),只有突出的特性将总结和讨论。红外特性被用来分配组合乐队绿泥石的近红外光谱区域。另一个12个样本来自这两个地区在中国西北部(Nachtai和Arjin地区)(表2)。样本,和绿泥石矿物提纯。近红外光谱仪和用于收集光谱和确定矿物的组件。20个样品的矿物成分数据被用来阐明光谱特性和某些组件之间的关系通过对比红外和近红外波段位置。

2.2。近红外光谱

近红外光谱都是获得使用PANalytical ASD FieldSpec Pro®3谱仪(以下简称ASD),从350到2500纳米波长记录光谱(4000到28571厘米⁻¹)地区10 nm的光谱分辨率和采样间隔1海里的短波红外(1300 - 2500 nm)地区。光谱仪是连接到一个接触探针与内部卤素灯泡,数据收集期间确保稳定的照明条件。at-sensor光芒的原始值被转换为表面反射率值使用Spectralon™反射面板(即。,the “white reference,” SRT-99-100, Labsphere Inc., North Sutton, New Hampshire), which is a commercially available plate made of polytetrafluoroethylene [16]。最后,这些相对反射率值转换为绝对反射率值通过乘以每个波长的反射率因子相对反射率值获得的校准证书Spectralon面板中,按照程序克拉克et al。17]。光谱的波长被转换为与红外波数,以便比较数据。

2.3。光谱仪分析

12个样本来自这两个地区地面和集中,然后分析PANalytical Axios Wavelength-Dispersive x射线荧光光谱仪(WDXRF)来确定氧化组件。这种方法可以确定的内容₂O₃、SiO FeO说,分别以(表2)。光谱仪光谱仪器配备了六个数组分析晶体和装有4 kW铑的目标。真空值之间的5和100 Pa是用作分析中,以避免x射线与空气粒子的相互作用。地面样品与李₂B₄O₇被放入黄铂金坩埚。然后,10分钟的样本被融化的冶炼厂和冷藏光谱仪测量。

2.4。光谱成分分析

光谱操作,包括基线调整,平滑、归一化,利用编写的程序处理Microsoft Excel VBA的软件。绿泥石的吸收特性位于2250至2340海里(4440和4270厘米⁻¹)可以明确地分为吸收其组成乐队使用Gaussian-Lorentz模型(18),个人的数学描述形状吸收是准确的(19- - - - - -24]。开发和验证的Gaussian-Lorentz模型实证研究孤立的振动吸收带的传输和反射光谱的钙铀云母,绿高岭石和蒙脱石(25,26]。Gaussian-Lorentz模型拟合进行直到与一个可重复的结果R²大于0.995。

3所示。结果

3.1。米尔乐队

米尔光谱来自美国地质调查局光谱库是由Si-O吸收乐队大约在1070和1030厘米⁻¹,这些特性与近红外光谱(27];因此它们不是在以下提到的讨论。

3.1.1。乐队在3664 - 3406厘米⁻¹光谱范围

红外光谱从3664到3406厘米⁻¹如图2和表3与一些绿泥石矿物报告显示比较文学为了协助绿泥石光谱的观察到乐队的分配。相对较弱的肩带附近的红外光谱观察3662厘米⁻¹,这也发生在滑石的红外光谱,并归因于的拉伸哦组2:1层[28,29日]。两个额外的广泛吸收发生大约3554到3423厘米⁻¹非常强劲和重叠大宽度高度的一半。红外光谱显示这些乐队的频率的增加Fe-Mg替换恒定Al / (Al + Si)和一个稳定的频率恒定铁/铝替代(铁+毫克)。乐队发生近3554厘米⁻¹被分配到羟基拉伸(AlAl), (),乐队发生近3423厘米⁻¹被分配到(硅铝层),拉伸()[7,30.]。此外,普列托et al。30.]发现增加诱导中铁含量低这两个乐队转向频率。这种关系也被验证使用美国地质调查局的样本,如图3。

3.1.2。乐队在1033 - 428厘米⁻¹光谱范围

八个样品的红外光谱收集来自美国地质调查局的光谱库显示三个强烈的乐队在1060,1030,956厘米⁻¹(图4和表3)。这些乐队被分配到Si-O拉伸2:1层[13,30.),也观察到在其他层状硅酸盐与2:1层[31日,32]。第二种类型的吸收在这个区域是位于约850,757,649厘米⁻¹。这些乐队被分配到(AlAl),噢,(硅铝层),,,(茜茜公主),弯曲吸收( , ,和),分别13,33]。850厘米的频率⁻¹乐队转向更高的频率越来越铁含量。在400 - 550厘米⁻¹附近的地区,红外光谱显示三个乐队555年,472年,432厘米⁻¹。这些乐队被分配到(铁、镁)-O-Si或Al-O-Si弯曲(30.]。

3.2。近红外光谱波段

许多天然层状硅酸盐组合乐队发生在近红外光谱区域广泛和重叠(图5)。光谱成分分析,四个或五个独立乐队被观察到约4525,4440,4361,4270,4182厘米⁻¹(2210、2252、2293、2341和2391海里),这是所有20个样品的平均带的位置。两个典型的样本(HL-01 HL-13),包括4和5独立的吸收波段,如图所示6。弱带近4525厘米⁻¹被分配到的组合哦拉伸和变形振动Al-OH组织2:1层,这个乐队也观察到类似的频率在高岭石34]。另一个弱带近4361厘米⁻¹是暂时归因于Mg-OH组合乐队(10]。吸收4440点附近,4270厘米⁻¹强烈,已经成功地用于检测绿泥石在使用遥感数据作为诊断功能35,36]。两个吸收特性发生从4424到4451厘米⁻¹从4240年到4298厘米⁻¹。乐队在4440厘米⁻¹密切相关的红外波段3554和850厘米吗⁻¹和积极的近红外光谱波段之间的线性相关性建立了4440厘米⁻¹和红外波段3554和850厘米⁻¹回归后如图7(一)和7 (b)。这些回归表明近红外光谱乐队(羟基组合乐队)近4440厘米⁻¹可以分配的组合(AlAl),拉伸()和(AlAl),弯曲(在红外区域。乐队在4280厘米的吸收⁻¹很可能与红外波段在3427和750厘米吗⁻¹。两个近红外光谱之间存在正相关性乐队在4270厘米⁻¹和红外波段3423和757厘米⁻¹,如图7 (c)和7 (d)。这些回归表明近红外光谱的频率乐队在4270厘米⁻¹可能引起的组合(硅铝层),拉伸()和(硅铝层),弯曲模式()。

所需的能源组合乐队拉伸和弯曲的和乐队的均匀间隔的能级。虽然波数与能量成正比,组合乐队应该发生在波数的总和拉伸和弯曲基本面。然而,由于振动的非简谐特性,结合乐队出现在一个波数高于之和基本乐队(37]。观察到的近红外光谱带作业通常由类比与IR和乐队(26,38]。尽管如此,解释光谱,研究人员往往需要建立关系,让他们估计的波数组合乐队在近红外波数的基本面(和在红外,反之亦然(38]。非谐性常数X,这是由振荡器的性质和可能会影响到羟基环境(阳离子形成氢键,分子间相互作用,电负性,等等),计算如下(39]: 在哪里的波数在近红外区域和乐队组合和拉伸和弯曲带的波数,分别在红外区域。非简谐振动的值不变X计算的频率(波数)的基本振动和相同的组合振动哦组(表吗4)。4440厘米的非简谐振动常量值⁻¹乐队从16到70厘米⁻¹,平均值为36厘米⁻¹。4270厘米的非简谐振动常量值⁻¹乐队从85到109厘米⁻¹,平均值为94厘米⁻¹。

从(1)、乐队组合之间的关系()和基本的乐队(和)如下:

沿着化学系列,组合乐队将逐步从4423厘米⁻¹到4450厘米⁻¹从4240厘米⁻¹到4298厘米⁻¹。图8显示了两个直接带位置之间的线性相关性和Fe / 20绿泥石(铁+ Mg)值从美国地质调查局收集的样本光谱库和两个地区,和这种关系表明,吸收近红外光谱中观察到的地区转向更高频率的Fe /(铁+ Mg)值下降。

这些相关性表明Mg-Fe替换将在近红外波段的主导因素的位置。换句话说,乐队的位置两个诊断组合乐队可以用来区分不同绿泥石与各种Fe-Mg内容。柯蒂斯等人报道(40),绿泥石与高铁/(铁+ Mg)值(> 0.5)鲕绿泥石和较低的值(< 0.5)将斜绿泥石。假设两个羟基的吸收系数组合乐队很相似,可以区分不同的绿泥石用Fe /(铁+ Mg)值。鲕绿泥石的频率吸收应低于4440厘米⁻¹、斜绿泥石的频率吸收应该高于4440厘米⁻¹。此外,鲕绿泥石的频率吸收应低于4270厘米⁻¹、斜绿泥石的频率吸收应该高于4270厘米⁻¹。

4所示。讨论

绿泥石与各种Fe-Mg样本替换研究建立的基本振动之间的相关性( , , ,和)和组合乐队(和在绿泥石矿物结构哦)组织。直接线性波数之间的关系被发现的基本吸收和乐队组合,从而能够识别哪些拉伸和弯曲带红外地区形成绿泥石的组合乐队在近红外光谱区域。它已经表明,这些关系可以用于任何其他矿物质,尤其是OH-bearing矿物和碳酸盐矿物。收集和实验数据都配备了(2)和(3基于非谐振动理论)。这一理论最初是用小et al。39在滑石)学习第一色彩,而我们使用这个方法来确定组合乐队之间的关系和基本乐队首次在绿泥石。

从表4样品的红外吸收哦拉伸乐队来自美国地质调查局的光谱库范围从3565.44到3543.46厘米⁻¹(包括22厘米⁻¹),从3452.80到3406.57厘米⁻¹(包括46厘米⁻¹)。IR哦弯曲吸收特性的范围从763.87到748.73厘米⁻¹(包括15厘米⁻¹),从653.91到642.25厘米⁻¹(包括12厘米⁻¹)。红外波段位置的结果表明,近红外光谱组合乐队的位置可能是由红外哦拉伸乐队。

Fe-Mg替换与Fe /(铁+ Mg)值在0.03和0.83之间相对稳定Al / (Al + Si)值从0.13到0.44是伴随着转向低频率和扩大的红外哦拉伸乐队。这些结果证实了假设的小et al。34],红外哦拉伸带频率取决于Fe-Mg替换的数量。根据Shirozu [8)、铁代替镁绿泥石间接地削弱了过剩负电荷的表面氧和结果的增加,距离和进一步降低的频率哦红外延伸带。组合乐队是由哦拉伸和弯曲,近红外光谱哦组合乐队的位置也同样依赖Fe-Mg替换的数量。

之间的相关性建立以上哦组合乐队和基本乐队提供了一个技术决定的阳离子环境哦组和寻找相应的基本乐队在红外区域的解释哦,结合近红外光谱区域。红外光谱和拉曼光谱相比,几乎是近红外光谱无损、快速、易于执行(没有准备样品)和高灵敏度羟基环境。结果清楚地表明分析粘土矿物的近红外光谱技术的效率。然而,整个的解释观察到的吸收特性需要进一步量化方法和补充研究使用严格的数学模型。的拉曼光谱的基本振动哦组也可以补充道,和方法开发的四郎等人可以应用(41]。然而,这种方法需要大量的知识的组件样品。因此,上述关系可以普遍应用于更好的区分某些类型的绿泥石矿物的存在。

5。结论

绿泥石的近红外光谱波段光谱的分配和绿泥石光谱的主要影响因子是通过比较近红外光谱吸收特性和红外吸收特性和光谱仪组件的结果。近红外光谱法的应用研究绿泥石显示潜力巨大的理解之间的交互的基本吸收,组合吸收。可以得出的结论基于近红外光谱:(A)绿泥石是通过两个近红外光谱吸收特征;附近的波数带高4440厘米⁻¹可以归因于(AlAl)的组合,拉伸和弯曲(AlAl),红外地区和低波数4280厘米附近乐队吗⁻¹可能引起的组合(硅铝层),拉伸和弯曲(硅铝层),在红外区域。(b)的位置两个诊断与Fe /近红外光谱吸收都有负相关性(铁+ Mg)值。可能发生的近红外光谱吸收特性Fe-rich绿泥石频率低于4440厘米⁻¹和4270厘米⁻¹和近红外光谱吸收特性的Mg-rich绿泥石可能发生位置高于这两个频率。

绿泥石的NIR光谱的解释也很重要映射hydroxyl-bearing矿物使用遥感高光谱图像和地质实地调查。光谱分析与光谱图像或磁场谱通常被用来区分在蚀变矿物成分变化系列,这是很重要的,因为矿物成分可能会系统地改变系统的函数不同的温度和成分接近区域的热液流体和成矿。映射这些改变可以使遥感研究人员和地质学家定位样品在一个变更系统区分某些矿物和其他矿物质和定义变更关系(11,42,43]。准确的解释光谱可能导致更精确的定量分析层状硅酸盐和更好的理解他们的矿化关系。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

进行这项研究作为基础研究资助计划的一部分,中国国家自然科学基金(投反对票。41502312),中国科技部(投反对票。2015 bab05b03-01),中国地质调查局基金会(投反对票。DD20160002)。作者感谢美国地质调查局光谱库(https://speclab.cr.usgs.gov/spectral-lib.html),为黄土地区地质灾害重点实验室,中国国土资源部和中国地质调查局西安中心为这次调查的贡献。