基于近红外光谱技术的烃类与粘土矿物识别及其地质意义

卢燕; 杨凯; 修连存

doi:10.12097/gbc.dztb-36-10-1884

基于近红外光谱技术的烃类与粘土矿物识别及其地质意义

卢燕^{1, 2,},
杨凯²,
修连存³

1.
中国地质大学 (北京), 北京 100083
2.
中科遥感科技集团有限公司, 天津 300384
3.
中国地质调查局南京地质调查中心, 江苏南京 210016

基金项目:

国防科工局项目《GF-5卫星数据岩矿信息定量反演与矿床蚀变信息智能化识别技术》 04-Y20A35-9001-15/17

科技部项目《岩心光谱扫描仪研发与产业化》 2012YQ050250

详细信息

作者简介:
卢燕(1985-), 女, 在读博士生, 工程师, 从事高光谱遥感地质和岩心光谱扫描技术研究。E-mail:luy@chinarsgeo.com

中图分类号: P585.2;P588.2;P618.13
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出版历程
- 收稿日期: 2017-01-20
- 修回日期: 2017-05-29
- 网络出版日期: 2023-08-15
- 刊出日期: 2017-09-30

Identification of hydrocarbon and clay minerals based on near-infrared spectroscopy and its geolog-ical significance

LU Yan^{1, 2,},
YANG Kai²,
XIU Liancun³

1.
China University of Geosciences, Beijing 100083, China
2.
China RS Geoinformatics Co., Ltd., Tianjin 300384, China
3.
Nanjing Center, China Geological Survey, Nanjing 210016, Jiangsu, China

摘要

摘要:
沉积岩中自生粘土矿物受成岩过程中物化条件控制，是成岩系统物化条件的指示。近红外反射光谱技术对粘土矿物反应灵敏，在金属矿产勘探中已经得到了日益广泛的应用。首次对油气勘探地质井的试验工作，验证了近红外光谱数据不仅可以第一时间从岩石样品中直接提取微量烃信息，还能解译详细的粘土矿物组合及其变化，从而获取对油气勘探有价值的成岩温度和热成熟度信息。对鄂尔多斯富县地区试验样品的数据分析表明，生油和储油层中的粘土矿物组合（包括铵伊利石、绿泥石、高岭石）变化直接反映了成岩和构造演化物化条件的变化，对于全面理解盆地的环境条件并且判断油气生成的有利区位具有实际应用意义。
- 近红外反射光谱 /
- 粘土矿物 /
- 烃 /
- 铵 /
- 热成熟度
Abstract:
Authigenic clay minerals are controlled by, and therefore indicative of, physiochemical conditions of the diagenetic process. In oil and gas exploration, timely acquisition of the information on clay minerals and hydrocarbon is of direct application value in terms of understanding the evolution process and diagnosing the existence of hydrocarbon. The experimental work reported in this paper has shown that near-infrared reflectance spectroscopy is useful for extracting the information on hydrocarbon present in a mi-nor to trace amount in sedimentary rocks and detecting the fact that the spatial variations of a series of clay minerals such as (ammoni-um-bearing) illite, chlorite and kaolinite can directly reflect the changes in temperature and pore fluid composition during the diage-netic process. The results obtained by the authors, therefore, will contribute to improving the understanding of environmental condi-tions and thermal maturity of organic matter in diagenesis.
- near-infrared reflectance spectroscopy /
- clay minerals /
- hydrocarbon /
- ammonium /
- thermal maturity

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豫南一带分布金伯利岩体群，出露于华北陆块南缘，岩石中含有纯橄榄岩、斜方辉橄岩等地幔深源包体，普遍含有尖晶石、铬透辉石、含铬镁铝榴石等金刚石的指示矿物，岩体主要呈北西西走向分布，产状为岩管、岩墙和岩脉状^[1-5]。目前对区内金伯利岩研究程度较低，尤其对其中的金刚石指示矿物未进行过系统的研究。本次根据野外工作成果，在史庄一带用人工重砂选获了一批尖晶石等金刚石的指示矿物，通过电子探针分析对尖晶石的种属进行了划分，根据尖晶石矿物化学成分特征，探讨其对金刚石原生矿的指示意义。

1. 地质背景

1.1 区域地质背景

研究区位于华北陆块南缘，华北板块具有稳定的结晶基底和平缓的沉积盖层，是发育较厚岩石圈的地域，具备形成金刚石所需要的深度和保存条件；其南侧为栾川-明港深大断裂带，该断裂深达地幔，可构成深源岩浆上升的通道^②(图 1)。

图 1 豫南史庄一带区域地质构造简图(据参考文献①修改)

Figure 1. The sketch map of regional geological structure in Shizhuang area, southern He'nan Province

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区内岩浆岩较发育，各个地质时期均有不同程度的岩浆活动，从超基性-基性到中性-酸性岩均有出露；其新元古代周庄变基性岩、早古生代黄岗杂岩、晚白垩世天目山岩体，以及围绕天目山岩体出露的金伯利岩群等分布较广泛。

史庄地区出露地层主要为长城系熊耳群、蓟县系汝阳群和新元古界栾川群。熊耳群为一套高绿片岩相的海相中基性-中酸性火山熔岩，岩石组合为斜长角闪片岩、黑云斜长片岩、白云石英片岩等。汝阳群为一套低绿片岩相变质的滨海-浅海陆源砂泥质碎屑岩沉积系，岩石组合为石英岩、白云石英片岩、钾长浅粒岩和大理岩。栾川群为一套滨-浅海相碱性火山岩-碳酸盐岩组合，岩石组合为白云钾长片(麻)岩、钾长浅粒岩、白云石英片岩及大理岩。

区内构造复杂多样，断裂和皱褶构造均有发育。断裂构造主要为栾川-明港深大断裂带及与主构造线一致的北西西—南东东向或近东西向的韧性-脆韧性断裂、平移走滑断裂等次级断裂，北东向—北东东向脆性断裂与逆冲推覆断裂叠加，常将地层切割成菱形块状，组成复杂的网络系统。此外，华北陆地南缘石滚河褶断带及其次级皱褶较发育，褶皱主体表现为轴面近直立或略向北东倾斜，枢纽倾向为北西西或南东东向，卷入褶皱的地层核部为熊耳群，翼部由栾川群组成，其北翼地层出露完整，与石滚河复向斜的南翼相连；南翼被周庄变基性岩和天目山正长花岗岩体侵入。

1.2 金伯利岩石地质特征

史庄一带金伯利岩体分布广泛，成群出现，多以岩管和岩脉形式产出。岩石类型主要有斑状金伯利岩、含角砾金伯利岩和角砾状金伯利岩；岩石普遍遭受了十分强烈的蛇纹石化、绿泥石化、绿帘石化、碳酸盐化、滑石化等蚀变。

金伯利岩常呈暗绿色，浅灰色，灰绿色，具斑状结构、卵斑结构，基质具隐晶微晶结构，块状构造、岩球状构造，斑晶成分主要为假象橄榄石、橄榄石，次为假象石榴子石、金云母及磁铁矿、钛铁矿、铬铁矿、磷灰石、透辉石等矿物。金伯利岩中角砾含量变化较大，一般为10%~50%，岩体外围角砾含量达80%；角砾成分分为两类：一类来源于深部地壳和地幔的捕虏体、捕虏晶，主要成分为纯橄榄岩、石榴辉橄岩、榴辉岩、辉长岩、煌斑岩等，代表了岩浆源区和深源的岩石矿物特征；另一类角砾为围岩角砾，与围岩成分有关，主要为片(麻)状二长花岗岩、斜长角闪片岩、白云斜长(二长)片麻岩、大理岩等(图 2)。

图 2 史庄一带金伯利岩特征

a—斑状金伯利岩；b—金伯利岩中的榴辉岩角砾；c、d—金伯利岩薄片中的卵斑结构

Figure 2. Kimberlite characteristics in Shizhuang area

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2. 样品特征及测试条件

2.1 样品特征

本区尖晶石主要分布在金伯利岩和地幔包裹体(榴辉岩、橄榄岩等)中，在金伯利岩中尖晶石呈粗晶和基质产出，粗晶尖晶石均有不同程度的磨损，80%以上的尖晶石磨损较强烈，呈浑圆粒状，常发育以磁铁矿为主要成分的次反应边，是源于地幔，金伯利岩浆上升过程中的捕虏晶，为本次研究的主要对象。尖晶石原始晶形呈八面体，后经熔蚀磨损呈浑圆、粒状，黑色，具褐色薄膜，无解理，半金属光泽，断口不平坦，断口处为沥青光泽，粒径一般为0.1~5 mm(图 3)。

图 3 史庄一带金伯利岩中尖晶石特征

Figure 3. Spinel characteristics of kimberlite in Shizhuang area

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2.2 测试方法

本次对豫南史庄一带金伯利岩中的75个尖晶石族矿物单晶样品进行了电子探针波谱微区化学成分分析。样品经过处理后制作成标准的电子探针靶，并磨抛至矿物露出表面，然后进行微区分析。

本次矿物电子探针分析在中国地质调查局天津地质调查中心试验测试室完成，使用仪器为日本津岛公司生产的EPMA-1600型电子探针仪。测试条件为：温度24℃，湿度25%，加速电压15 kV，工作电子束流为20 nA，束斑直径为5 μm，分析元素范围为⁴Be~⁹²U。分析及计算结果见表 1。

表 1 史庄一带金伯利岩中尖晶石电子探针分析结果及主要阳离子系数

Table 1. Electron microprobe analyses of spinel from kimberlite in Shizhuang area and calculation results of main cation coefficients %

编号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19
Na₂O	0.04	0.05	0.04	0.00	0.01	0.02	0.00	0.05	0.03	0.05	0.00	0.03	0.00	0.02	0.34	0.03	0.00	0.01	0.09
MgO	15.33	11.60	10.48	10.61	10.59	14.11	11.49	10.90	10.92	12.57	15.25	10.11	13.16	13.89	7.14	11.89	11.33	10.84	13.97
Al₂O₃	32.83	24.27	21.37	21.67	22.22	30.27	23.42	21.46	20.61	26.27	32.96	19.86	19.30	18.81	10.60	23.30	22.07	21.21	29.72
SiO₂	0.06	0.07	2.72	0.08	0.01	0.21	0.10	0.14	0.06	0.15	0.08	0.13	0.10	0.11	0.15	0.05	0.05	0.01	0.21
K₂O	0.04	0.01	0.01	0.00	0.00	0.01	0.01	0.01	0.02	0.03	0.01	0.01	0.00	0.00	0.22	0.01	0.00	0.00	0.00
CaO	0.02	0.00	0.04	0.01	0.02	0.01	0.03	0.03	0.03	0.02	0.02	0.03	0.02	0.01	0.04	0.01	0.00	0.01	0.00
TiO₂	0.01	0.05	0.07	0.08	0.02	0.01	0.05	0.00	0.03	0.02	0.04	0.01	0.03	0.00	0.03	0.01	0.08	0.09	0.20
Cr₂O₃	32.60	43.96	43.27	44.41	46.72	39.06	46.42	48.05	49.42	43.81	34.30	45.94	33.99	35.05	58.72	43.79	44.90	45.31	38.45
MnO	0.22	0.29	0.21	0.33	0.37	0.22	0.31	0.25	0.30	0.27	0.21	0.33	0.18	0.22	0.50	0.31	0.25	0.37	0.24
FeO	12.12	16.85	18.67	18.20	11.42	14.05	17.90	15.78	15.96	16.43	12.74	18.16	8.39	7.84	20.47	16.29	17.40	17.96	14.71
Fe₂O₃	2.86	0.02	0.00	1.77	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	1.06	1.45	4.34	6.04	1.77	1.59	1.62	2.34	0.88
以4个氧原子为基础的阳离子数
Mg²⁺	0.69	0.54	0.50	0.51	0.53	0.63	0.53	0.52	0.52	0.57	0.68	0.49	0.74	0.76	0.36	0.56	0.54	0.52	0.63
Al²⁺	1.16	0.90	0.81	0.82	0.88	1.07	0.86	0.81	0.78	0.94	1.16	0.77	0.86	0.81	0.42	0.87	0.83	0.80	1.05
Cr³⁺	0.77	1.09	1.09	1.13	1.25	0.93	1.14	1.22	1.25	1.05	0.81	1.19	1.01	1.01	1.56	1.09	1.13	1.14	0.91
Fe²⁺	0.30	0.44	0.50	0.49	0.32	0.35	0.46	0.42	0.43	0.42	0.32	0.50	0.26	0.24	0.57	0.43	0.46	0.48	0.37
Fe³⁺	0.07	0.00	0.00	0.04	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.02	0.04	0.12	0.17	0.04	0.04	0.04	0.06	0.02
Mg/(Mg+Fe²⁺)	55.84	40.77	35.96	36.84	48.11	50.11	39.08	40.85	40.62	43.34	54.50	35.76	61.07	63.91	25.86	42.19	39.43	37.65	48.71
Fe²⁺/(Fe²⁺+Mg)	44.16	59.23	64.04	63.16	51.89	49.89	60.92	59.15	59.38	56.66	45.50	64.24	38.93	36.09	74.14	57.81	60.57	62.35	51.29
Cr/(Cr+Al)	49.83	64.43	66.94	67.21	67.77	56.34	66.46	69.13	70.57	62.52	51.00	69.81	63.79	65.07	84.70	65.28	67.04	68.11	56.41
编号	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31	32	33	34	35	36	37	38
Na₂O	0.00	0.13	0.03	0.03	0.11	0.00	0.01	0.01	0.01	0.93	0.36	0.26	0.12	0.07	0.21	0.08	0.21	0.27	0.17
MgO	9.89	12.08	10.11	13.24	13.23	11.63	14.01	8.24	14.71	9.23	12.61	15.16	12.34	8.50	12.09	5.57	14.13	10.26	11.40
Al₂O₃	20.60	24.90	19.14	29.25	0.01	22.32	30.19	14.86	36.71	19.38	29.35	38.55	28.28	19.76	28.13	27.43	35.64	20.10	15.70
SiO₂	0.02	1.07	0.06	0.11	0.12	0.03	0.05	0.04	0.05	0.16	0.28	0.16	0.27	0.85	0.07	0.39	0.15	0.06	0.20
K₂O	0.00	0.03	0.01	0.00	0.14	0.01	0.00	0.00	0.00	0.08	0.23	0.02	0.02	0.01	0.05	0.02	0.05	0.05	0.06
CaO	0.02	0.25	0.01	0.01	0.35	0.02	0.01	0.02	0.02	0.06	0.12	0.01	0.05	0.04	0.02	0.12	0.10	0.03	0.04
TiO₂	0.00	0.12	0.30	0.07	1.60	0.12	0.00	0.05	0.03	0.06	0.01	0.00	0.01	0.12	0.00	0.05	0.01	0.31	0.02
Cr₂O₃	46.59	40.28	46.76	36.82	61.74	45.97	37.45	51.34	30.32	45.29	37.05	30.12	38.83	46.77	38.32	34.11	32.92	44.30	53.07
MnO	0.27	0.25	0.38	0.23	0.31	0.32	0.26	0.48	0.22	0.36	0.24	0.21	0.24	1.21	0.22	0.99	0.24	0.28	0.28
FeO	16.60	17.15	18.97	15.41	9.96	17.22	14.23	20.41	14.32	15.64	13.85	13.33	15.20	21.57	15.34	25.80	14.14	17.58	13.67
Fe₂O₃	0.00	1.48	2.56	2.04	6.45	1.21	0.87	1.44	1.00	5.41	1.63	0.78	0.00	0.36	0.88	1.72	0.18	4.19	0.00
以4个氧原子为基础的阳离子系数
Mg²⁺	0.49	0.56	0.49	0.60	0.71	0.54	0.63	0.41	0.64	0.45	0.58	0.65	0.58	0.41	0.57	0.27	0.62	0.49	0.57
Al²⁺	0.81	0.91	0.73	1.05	0.00	0.82	1.08	0.59	1.27	0.75	1.07	1.31	1.04	0.75	1.04	1.06	1.24	0.77	0.62
Cr³⁺	1.23	0.99	1.19	0.89	1.75	1.14	0.90	1.37	0.70	1.17	0.91	0.68	0.96	1.19	0.95	0.88	0.77	1.13	1.40
Fe²⁺	0.46	0.45	0.51	0.39	0.30	0.45	0.36	0.58	0.35	0.43	0.36	0.32	0.40	0.58	0.40	0.70	0.35	0.48	0.38
Fe³⁺	0.00	0.03	0.06	0.05	0.18	0.03	0.02	0.04	0.02	0.14	0.04	0.02	0.00	0.01	0.02	0.04	0.00	0.10	0.00
Mg/(Mg+Fe²⁺)	37.33	41.33	34.76	46.21	57.05	40.31	49.61	28.75	50.68	37.12	47.66	53.22	44.82	28.26	44.08	17.74	49.97	36.85	45.47
Fe²⁺/(Fe²⁺+Mg)	62.67	58.67	65.24	53.79	42.95	59.69	50.39	71.25	49.32	62.88	52.34	46.78	55.18	71.74	55.92	82.26	50.03	63.15	54.53
Cr/(Cr+Al)	69.34	61.80	70.96	55.73	100.00	67.32	55.36	77.55	45.24	70.04	55.80	43.86	57.87	70.30	57.67	55.43	48.02	68.79	77.17
编号	39	40	41	42	43	44	45	46	47	48	49	50	51	52	53	54	55	56	57
Na₂O	0.21	0.49	0.54	0.58	0.58	0.46	0.47	0.18	0.44	0.38	0.14	0.19	0.11	0.40	0.67	0.87	0.06	0.04	0.05
MgO	10.98	9.95	11.34	13.96	8.81	13.04	11.51	10.97	6.49	10.50	12.86	10.09	14.20	10.58	10.55	12.27	9.97	12.75	12.19
Al₂O₃	25.74	21.95	31.40	31.68	16.69	27.74	20.55	17.54	9.61	22.37	13.04	21.27	39.07	24.30	25.49	24.92	14.46	30.39	28.26
SiO₂	0.17	0.26	0.38	1.29	0.39	0.14	0.99	0.12	0.06	0.33	0.10	0.14	0.07	0.43	0.44	0.24	0.05	0.04	0.05
K₂O	0.07	0.10	0.17	0.16	0.10	0.07	0.15	0.05	0.06	0.14	0.07	0.07	0.09	0.10	0.20	0.12	0.04	0.03	0.02
CaO	0.95	0.10	0.13	0.19	0.13	0.07	0.28	0.04	0.09	0.11	0.03	0.06	0.03	0.15	0.14	0.15	0.02	0.13	0.02
TiO₂	0.07	0.09	0.10	0.11	0.11	0.05	0.03	0.03	0.04	0.04	0.05	0.08	0.07	0.18	0.07	0.03	0.00	0.05	0.01
Cr₂O₃	35.07	42.39	31.97	32.56	47.08	39.26	42.82	50.19	56.09	42.24	42.62	44.82	27.51	39.15	36.33	40.06	54.09	35.96	37.83
MnO	0.27	0.29	0.25	0.22	0.44	0.27	0.27	0.33	0.52	0.30	0.25	0.35	0.23	0.27	0.32	0.25	0.32	0.20	0.27
FeO	14.16	16.33	14.83	12.22	16.93	13.15	13.04	16.00	20.19	15.79	9.30	17.81	15.41	16.27	13.97	11.23	17.71	15.44	16.46
Fe₂O₃	2.96	2.88	1.84	1.13	3.63	2.38	0.64	1.44	3.26	2.25	8.11	1.85	2.24	2.63	3.28	4.05	0.86	0.55	1.87
以4个氧原子为基础的阳离子系数
Mg²⁺	0.54	0.49	0.53	0.64	0.44	0.60	0.58	0.53	0.34	0.51	0.70	0.49	0.61	0.51	0.52	0.58	0.49	0.59	0.56
Al²⁺	1.01	0.85	1.17	1.14	0.66	1.01	0.81	0.67	0.39	0.86	0.56	0.81	1.33	0.93	0.99	0.94	0.56	1.11	1.03
Cr³⁺	0.92	1.10	0.80	0.79	1.26	0.96	1.14	1.29	1.55	1.09	1.22	1.15	0.63	1.00	0.95	1.01	1.42	0.88	0.93
Fe²⁺	0.39	0.45	0.39	0.31	0.48	0.34	0.37	0.44	0.59	0.43	0.28	0.48	0.37	0.44	0.39	0.30	0.49	0.40	0.43
Fe³⁺	0.07	0.07	0.04	0.03	0.09	0.06	0.02	0.04	0.09	0.06	0.23	0.05	0.05	0.06	0.08	0.10	0.02	0.01	0.04
Mg/(Mg+Fe²⁺)	43.67	37.85	43.33	53.33	34.22	49.80	46.90	40.67	24.34	39.93	58.02	36.17	47.96	39.41	43.01	52.21	36.01	45.23	42.55
Fe²⁺/(Fe²⁺+Mg)	56.33	62.15	56.67	46.67	65.78	50.20	53.10	59.33	75.66	60.07	41.98	63.83	52.04	60.59	56.99	47.79	63.99	54.77	57.45
Cr/(Cr+Al)	57.67	65.88	50.44	50.69	73.82	58.60	67.57	74.11	85.38	65.38	76.57	67.82	41.32	61.71	58.77	61.65	78.90	54.20	57.23
编号	58	59	60	61	62	63	64	65	66	67	68	69	70	71	72	73	74	75
Na₂O	0.03	0.07	0.07	0.14	0.17	0.10	0.05	0.36	0.03	0.03	0.00	0.01	0.02	0.00	0.07	0.09	0.00	0.02
MgO	10.68	12.01	11.68	12.16	9.50	15.87	12.97	12.04	12.09	11.24	11.56	15.00	11.01	13.40	13.32	11.87	10.19	12.04
Al₂O₃	16.22	22.28	24.49	23.50	20.15	35.83	30.38	30.20	25.53	32.28	21.87	28.18	22.24	29.99	27.10	20.59	16.19	23.42
SiO₂	0.03	0.18	0.03	0.10	0.06	0.08	0.07	0.11	0.04	1.55	0.08	0.04	0.04	0.06	0.09	0.25	0.08	0.06
K₂O	0.04	0.09	0.06	0.07	0.08	0.08	0.03	0.21	0.02	0.10	0.01	0.01	0.03	0.03	0.09	0.07	0.02	0.02
CaO	0.03	0.07	0.03	0.06	0.03	0.05	0.08	0.10	0.08	0.05	0.04	0.01	0.02	0.07	0.04	0.06	0.02	0.02
TiO₂	0.00	0.01	0.02	0.00	0.03	0.01	0.00	0.02	0.14	0.04	0.05	0.03	0.10	0.04	0.04	0.11	0.07	0.05
Cr₂O₃	51.22	44.54	42.65	43.53	44.93	31.39	35.64	35.03	40.47	28.47	45.01	31.80	44.22	38.50	41.45	45.50	51.35	43.84
MnO	0.33	0.27	0.28	0.30	0.37	0.20	0.21	0.25	0.22	0.47	0.29	0.24	0.27	0.26	0.27	0.30	0.41	0.33
FeO	16.38	15.11	16.11	14.84	17.97	11.36	14.57	14.76	16.72	18.92	16.65	10.22	16.95	15.05	14.55	14.79	17.81	16.03
Fe₂O₃	0.76	0.87	0.77	1.20	1.89	1.08	0.00	2.71	2.80	0.21	1.38	4.65	0.47	0.00	0.73	0.67	0.92	1.14
以4个氧原子为基础的阳离子系数
Mg²⁺	0.53	0.58	0.55	0.58	0.47	0.70	0.60	0.56	0.56	0.53	0.55	0.72	0.53	0.61	0.61	0.58	0.50	0.57
Al²⁺	0.64	0.84	0.92	0.88	0.79	1.25	1.12	1.10	0.93	1.19	0.82	1.07	0.85	1.07	0.98	0.79	0.63	0.87
Cr³⁺	1.35	1.13	1.07	1.10	1.18	0.73	0.88	0.86	0.99	0.71	1.14	0.81	1.13	0.92	1.00	1.18	1.34	1.10
Fe²⁺	0.46	0.41	0.43	0.40	0.50	0.28	0.38	0.38	0.43	0.50	0.44	0.28	0.46	0.38	0.37	0.40	0.49	0.42
Fe³⁺	0.02	0.02	0.02	0.03	0.05	0.02	0.00	0.06	0.07	0.00	0.03	0.11	0.01	0.00	0.02	0.02	0.02	0.03
Mg/(Mg+Fe²⁺)	39.48	44.28	42.03	45.03	34.58	58.27	47.10	44.92	41.97	37.28	40.99	59.46	39.37	47.09	47.79	44.53	36.39	42.88
Fe²⁺/(Fe²⁺+Mg)	60.52	55.72	57.97	54.97	65.42	41.73	52.90	55.08	58.03	62.72	59.01	40.54	60.63	52.91	52.21	55.47	63.61	57.12
Cr/(Cr+Al)	75.94	66.65	63.53	64.94	69.04	46.70	53.98	53.70	61.32	46.87	67.29	53.01	66.53	56.21	60.47	68.85	76.03	65.18
注：表中FeO、Fe₂O₃含量为铁离子电价调整后的含量^[6]

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3. 分析结果

3.1 尖晶石族矿物端元划分

尖晶石(AB₂O₄)族矿物固溶体中的A组二价阳离子和B组三价阳离子在四面体和八面体中的占位决定尖晶石矿物的类型和性质，A组阳离子主要有Mg²⁺、Fe²⁺及少量的Mn²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺等，B组阳离子主要为Al³⁺、Cr³⁺和Fe³⁺，矿物中根据三价阳离子可将尖晶石分3个系列：尖晶石系、铬铁矿系列列和磁铁矿系列^[7-10]。电子探针分析结果显示，区内尖晶石中二价的A组阳离子主要由Mg²⁺、Fe²⁺和少量Mn²⁺占位，三价的B组阳离子主要由Cr³⁺、Al³⁺和少量Fe³⁺占位，通过以三价阳离子数含量为单元组分做三角图解(图 4)，显示成分投影点沿Al-Cr轴线方向展布，主要集中在Al³⁺和Cr³⁺之间，靠近Cr³⁺端，Cr³⁺主要分布在31.3%~90.8%，Al³⁺主要分布在7.8%~66.2%，Fe³⁺主要分布在0~24.1%，显示了尖晶石中B组的三价配位离子成分具高铬、中等含铝和低铁的特征。表明区内尖晶石Cr³⁺和Al³⁺类质同象交换较普遍，而Cr³⁺和Fe³⁺及Al³⁺和Fe³⁺之间的类质同象代替较有限。

图 4 史庄一带金伯利岩中尖晶石分子Cr³⁺-Al³⁺-Fe³⁺三角图解(底图据参考文献[11])

Figure 4. Triangular diagram of Cr³⁺-Al³⁺-Fe³⁺ in spinel molecules from kimberlite in Shizhuang area

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通过晶体化学计算^[12]，本区尖晶石族端元组分中铬组分占53.3%，铝组分占44.2%，铁组分占2.4%，同时离子系数中Mg²⁺＞Fe²⁺，表明区内尖晶石具富镁特征，根据以上特征确定区内尖晶石族矿物端元主要为镁铬铁矿(MgCr₂O₄)-铬铁矿(FeCr₂O₄)-镁尖晶石(MgAl₂O₄)-尖晶石(FeAl₂O₄)系列，且以镁铬铁矿(Fe，Mg)Cr₂O₄占优势。

3.2 尖晶石矿物化学特征

在山东蒙阴和辽宁瓦房店含金刚石的金伯利岩中，铬铁矿的化学成分含量为：Cr₂O₃为47.96%~64.17%，Al₂O₃为1.86%~11.84%，MgO为7.65%~13.59%，FeO为18.71%~26.67%，MnO为0.05%~0.22%，TiO₂为0.21%~2.58%，显示铬铁矿富镁的特征^③^[11-22]。本区尖晶石的主要氧化物化学成分为：Cr₂O₃含量为27.5%~61.7%，平均41.7%；Al₂O₃含量为2.74%~39.1%，平均23.7%；MgO含量为5.57%~15.8%，平均11.7%；FeO含量为7.84%~31.64%，平均15.7%；MnO含量为0.17%~2.15%，平均0.3%；Fe₂O₃为含量0~12.7%，平均2.2%；TiO₂含量为0.01%~1.6%，平均0.1%。与山东、辽宁金伯利岩中的铬铁矿相比，本区Cr₂O₃和Al₂O₃含量分布范围较广，但Cr₂O₃一般集中分布在40%~60%，具高铬-富铬特征，TiO₂含量较低、MgO含量较高，具低钛富镁特征, MnO、FeO等含量与山东、辽宁等地金伯利岩中铬铁矿基本相同，而Al₂O₃含量偏高。

张安棣等将铬铁矿划分为12种类型(表 2)，根据本区铬铁矿的主要氧化物含量(Cr₂O₃、MgO、TiO₂、Al₂O₃)特征，区内铬铁矿为贫钛富镁高铝型的S5类型，部分铬铁矿TiO₂含量大于0.5%，与来源于金伯利岩型的铬铁矿特征相同^[23-24]。

表 2 十二组铬尖晶石四元素氧化物平均百分含量^[23]

Table 2. Spinel which can be divided into twelve groups according to the average content of four oxides

分组	化学成分特征	Cr₂O₃/%	MgO/%	TiO₂/%	Al₂O₃/%	产状
S1	无—贫钛贫铝富镁	64.00	12.72	0.12	5.29	金刚石包体(及连生体)、含矿金伯利岩、含矿钾镁煌斑岩
S2	含钛贫铝富镁	64.63	11.07	0.42	4.29	金刚石包体(及连生体)、含矿金伯利岩、含矿钾镁煌斑岩
S3	高镁高铬	67.37	15.43	0.36	6.54	金刚石包体、含矿金伯利岩及少数陨石
S4	贫钛富镁富铝	52.81	11.69	0.48	12.17	TiO₂＞0.5%为金伯利岩，TiO₂＞1.1%为钾镁煌斑岩，TiO₂ < 0.5%为非金伯利岩和非钾镁煌斑岩
S5	贫钛富镁高铝	47.21	13.04	0.43	21.67	TiO₂＞0.5%为金伯利岩，TiO₂＞1.1%为钾镁煌斑岩，TiO₂ < 0.5%为非金伯利岩和非钾镁煌斑岩
S6	富钛贫铝镁	57.52	10.89	3.14	3.87	金伯利岩、钾镁煌斑岩
S7	高钛富铝镁	48.43	10.32	4.08	10.25	钾镁煌斑岩、二型金伯利岩
S8	贫铝富铁	54.51	5.91	0.28	3.35	二辉橄榄岩、金伯利岩
S9	低钛贫镁	60.71	3.56	0.68	6.17	陨石、铬铁矿床
S10	低钛富镁高铝	35.38	14.40	0.13	34.14	煌斑岩、不含金刚石的钾镁煌斑岩及金伯利岩
S11	含铬镁铝	14.35	18.56	0.06	52.50	玄武岩
S12	高钛富铁	41.77	0.72	9.15	6.49	陨石
鄄城陨石中铬铁矿	含镁铝富钛	55.47	3.56	2.25	6.72	据“山东国土资源”^[24]

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一般来说，金伯利岩的含矿性和尖晶石的Cr₂O₃含量具有正相关关系，与Al₂O₃含量呈负相关关系^[25-27]。在Cr₂O₃-Al₂O₃和MgO-FeO关系图中(图 5)相关氧化物含量表现出明显的负相关关系，表明随着金伯利岩浆的演化，尖晶石中Al³⁺不断交换代替Cr³⁺，Fe²⁺不断交换Mg²⁺，岩浆在演化过程中向着Cr₂O₃、MgO含量不断降低，Al₂O₃、FeO含量不断增高的趋势进行，该特征与山东、辽宁等地含金刚石金伯利岩中的铬铁矿氧化物变化规律一致^[26-27]。

图 5 铬铁矿中Cr₂O₃-Al₂O₃(a)和MgO-FeO(b)关系图解

Figure 5. Diagrams of Cr₂O₃-Al₂O₃(a) and MgO-FeO(b) relations in kimberlite chromite

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铬铁矿中铬指数Cr^#=Cr/(Cr+Al)是判别金伯利岩含矿性的重要指标，金刚石包裹体中铬铁矿的Cr^#一般在0.9左右，富含金刚石金伯利岩中铬铁矿的Cr^#为0.89，贫矿金伯利岩中铬铁矿的Cr^#为0.69，不含矿金伯利岩中铬铁矿的Cr^#一般小于0.6^[28-30]。本区铬铁矿中铬指数Cr^#值为0.41~0.93, Cr^#值变化范围较大，是Cr³⁺、Al³⁺普遍进行类质同象替换所致，表明铬铁矿来源较广，部分来源于地幔包体，部分来源于金伯利岩浆结晶作用，其中大部分Cr^#值集中分布在0.6~0.7之间(图 6)，同时Cr^#和Fe²⁺/(Fe²⁺+Mg)呈正相关关系(图 7)，这与中国金伯利岩中铬铁矿特征一致^[31-32]。

图 6 史庄一带金伯利岩中铬铁矿Cr^#分布频率图

Figure 6. Frequency distribution of chromite Cr^# in kimberlite from Sizhuang area

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图 7 史庄一带金伯利岩中铬铁矿Fe²⁺/(Fe²⁺+Mg)-Cr/(Cr+Al)关系图解

Figure 7. Relationship between Fe²⁺/(Fe²⁺+Mg)-Cr/(Cr+Al)of spinel from kimberlite in Shizhuang area

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4. 讨论

尖晶石矿物是金伯利岩中重要的特征性副矿物，对金刚石找矿有非常重要的指示意义。在上地幔条件下, 尖晶石中铬组分的含量与其形成压力呈明显的正相关关系，因而，与金刚石密切伴生的铬铁矿表现为高铬低铝的特征^[32]。本区铬铁矿中Cr³⁺与Al³⁺、Fe²⁺与Mg²⁺呈明显的负相关关系，是其形成后随金伯利岩浆上升过程中遭受了强烈的蚀变混染所致，而24号样品中Cr₂O₃含量最高为61.74%，对应Al₂O₃含量为0.01%，表明其初始形成压力非常高，Cr₂O₃与Al₂O₃变化趋势与地幔橄榄岩趋势一致(图 8-a)；本区大部分铬铁矿TiO₂含量较低(小于1.0%)，个别含量大于1%，Ti与Al无明显的相关关系。结合铬铁矿晶体形态特征(粒径大、椭圆形、遭受融蚀)和成分特征(高Cr、高Mg、低Ti)，表明本区铬铁矿为地幔捕虏晶，其地幔岩为橄榄岩，来源可能为上地幔，具备形成金刚石的深度条件^[33-35]。

图 8 山东和史庄铬铁矿中Cr₂O₃-Al₂O₃(a)和MgO-Cr₂O₃(b)图解(底图据参考文献[35])

Figure 8. Relationship between Cr₂O₃-Al₂O₃(a)and MgO-Cr₂O₃(b)of spinel from kimberlite in Shandong and Shizhuang area

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根据铬铁矿中Cr₂O₃-Al₂O₃及MgO-Cr₂O₃关系图解(图 8)，史庄一带金伯利岩中铬铁矿成分变化受Al³⁺-Cr³⁺类质同象作用控制，变化趋势代表尖晶石原地幔岩为橄榄岩。山东含矿较好的50号岩管的金伯利岩中铬铁矿几乎全部落在金刚石包裹矿物的稳定区域，含矿性相对稍差的30号岩管和常马庄金伯利岩铬铁矿成分点均落在含矿金伯利岩区域，而史庄一带铬铁矿成分点近一半落在含金刚石金伯利岩区域，表明这部分铬铁矿与金刚石具有密切的伴生关系^[36]，而且有1个样品点落在金刚石稳定区域，因此，史庄一带金伯利岩具有一定携带金刚石的能力。

5. 结论

(1) 根据矿物化学特征，豫南史庄一带金伯利岩中的尖晶石族矿物端元主要为镁铬铁矿(MgCr₂O₄)-铬铁矿(FeCr₂O₄)-镁尖晶石(MgAl₂O₄)-尖晶石(FeAl₂O₄)系列，且以镁铬铁矿(Fe，Mg)Cr₂O₄占优势；铬铁矿中MgO、Al₂O₃含量较高，TiO₂含量较低，以低钛富镁高铝型的S5型铬铁矿为主。

(2) 铬铁矿中成分变化受Al³⁺-Cr³⁺类质同象作用控制，Cr₂O₃、Al₂O₃和MgO、FeO呈负相关关系，表明Al³⁺和Cr³⁺及Fe²⁺和Mg²⁺类质同象普遍且广泛，金伯利岩浆向着Cr₂O₃、MgO含量不断降低，Al₂O₃、FeO含量不断增高的趋势演化。

(3) 铬铁矿为地幔捕虏晶，其地幔岩为橄榄岩，来源可能为上地幔，具备形成金刚石的深度条件。

(4) 史庄一带金伯利岩具有一定的携带金刚石的能力，与山东50号、30号及蒙阴常马庄金伯利岩相比，史庄一带金伯利岩含金刚石的可能性较大，但其金刚石含矿性可能相对较弱。

致谢: 中石油勘探开发研究院提供试验用钻井样品，南京地质调查中心光谱仪器室提供了光谱测试仪器，南京地质调查中心郑志忠研究员审阅并修改了本文初稿，在此一并表示感谢。

图 1 研究区位置

Figure 1. The location of the study area

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图 2 同一样品的反射光谱(a)、标准化光谱(b)、导数光谱(c)（伊利石、绿泥石、铵、烃的吸收谱带标在反射光谱上）

Figure 2. Reflectance (a), normalized (b) and derivative (c)spectra of the same sample

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图 3 矿物的标准反射光谱(选自SpecMIN光谱库)

1—高岭石；2—伊利石；3—铵伊利石；4—绿泥石；5—蒙脱石

Figure 3. Standard reflectance spectrum of minerals

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图 4 MP1与ZP1号井样品的反射光谱（叠置）

Figure 4. Reflectance spectra (stacked) of samples from wells MP1 and ZP1

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图 5 烃的吸收光谱（引自Texas大学红外吸收光谱库）（中心波长位于1730nm和2310nm的2个吸收谱带常用于鉴定岩石中的石油。图中显示的是吸收（A）光谱，而本次所测的是反射（R）光谱。对于不透明表面(如岩石)，吸收A与反射R的关系为A≈1-R）

Figure 5. Absorption spectrum of hydrocarbon

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图 6 样品1730nm与2310nm吸收强度的相关性（吸收强度以二阶导数(2D)标定。1730nm和2310nm的2个吸收谱带的高度相关性指示着二者源于同一物质（烃）的吸收）

Figure 6. Correlation of absorption intensity between 1730nm and 2310nm bands

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图 7 烃与矿物组成的关系

Figure 7. Relationship between hydrocarbon and mineral composition

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图 8 烃类（1730nm与2310nm强度平均值）与铵（2010nm强度）吸收关系

Figure 8. Relationship between the average intensity of 1730nm and 2310nm bands and the absorption intensity of ammonium

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图 9 粘土矿物结晶度与铵含量关系（虚线为拟合的线性关系）

a—1910nm吸收谱带的半深宽；b—1410nm吸收谱带的半深宽

Figure 9. Relationship between crystallinity of clay minerals and absorption intensity of ammonium

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表 1 所测样品表及其对应的地层岩性特征

Table 1 The samples and their corresponding stratigraphic lithology

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参考文献(20)

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1. 地质背景
1.1 区域地质背景
1.2 金伯利岩石地质特征
2. 样品特征及测试条件
2.1 样品特征
2.2 测试方法
3. 分析结果
3.1 尖晶石族矿物端元划分
3.2 尖晶石矿物化学特征
4. 讨论
5. 结论

基于近红外光谱技术的烃类与粘土矿物识别及其地质意义

作者简介: 卢燕(1985-), 女, 在读博士生, 工程师, 从事高光谱遥感地质和岩心光谱扫描技术研究。E-mail:luy@chinarsgeo.com

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