《Journal of Geochemical Exploration》：VNIR spectral signatures of chromium-substituted goethite and hematite in Sukinda ultramafic laterites, India: From mineral spectra to spaceborne hyperspectral mapping
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本研究针对天然铁（羟基）氧化物中微量元素替代的星载高光谱识别难题，以印度Sukinda铬铁矿区为研究对象，通过多尺度分析手段，首次实现了铬替代针铁矿与赤铁矿的星载VNIR光谱识别。研究揭示了铬诱导的~650-700 nm晶体场吸收特征（CFA1）红移现象，建立了~685 nm波长阈值与~2 wt%铬含量的定量关系，为矿产勘探与环境监测提供了创新技术方案。
在战略金属铬的资源勘探和环境监测领域，如何有效识别和圈定地表铬富集区一直是个技术难题。传统地质调查方法成本高、效率低，而遥感技术虽能快速覆盖大面积区域，却难以探测矿物晶格中微量元素级别的化学替代。印度Sukinda超基性岩带发育着全球重要的铬铁矿床，其强烈的热带风化作用形成了厚层红土剖面，为研究铬在次生矿物中的赋存状态提供了天然实验室。
铁（羟基）氧化物（如针铁矿和赤铁矿）在可见光-近红外（VNIR）波段具有特征的晶体场吸收（CFA）特征，主要源于八面体配位Fe3+的电子跃迁。理论上，离子半径相近的Cr3+（~0.615 ?）对Fe3+（~0.645 ?）的类质同象替代会修饰这些光谱特征，但自然系统中这种替代的光谱表达始终缺乏系统验证。特别是能否通过星载高光谱数据（如PRISMA卫星）检测到替代相关的光谱变化，更是一个悬而未决的问题。
为解答这一科学问题，由Raphael J. Baumgartner领衔的研究团队在《Journal of Geochemical Exploration》上发表了创新性研究成果。研究人员采用"岩心-手标本-矿物颗粒-星像"多尺度研究策略，整合野外采样、岩相学观察、体相与微区地球化学分析、实验室VNIR光谱测定以及星载高光谱影像解析等多种技术手段。研究样本涵盖Sukinda矿区从新鲜基岩（铬铁矿、蛇纹岩）到腐岩、红土乃至铁结壳的完整风化剖面，并辅以铬掺杂合成标准物质作为参照。
关键技术方法主要包括：PRISMA星载高光谱数据预处理与光谱参数提取、全岩地球化学分析（ICP-MS/OES）、微区X射线荧光元素成像（微XRF）、电子探针微区分析（EPMA）、共聚焦拉曼光谱相态识别，以及ASD FieldSpec3?地物光谱仪测量。特别采用Corescan高光谱岩心扫描仪获取亚毫米级光谱图像，为矿物尺度光谱特征与化学成分的关联提供支撑。
研究结果系统揭示了铬替代的光谱响应规律和空间分布特征：
4.1. 红土风化剖面与地球化学趋势
风化剖面呈现明显的垂直分带：新鲜基岩向上渐变为腐碎石、腐泥土，最终过渡为黄色-红色红土和铁质结壳。地球化学数据显示，铁含量随风化程度增强而系统性增加，铬在红土和铁结壳层位显著富集，铬铁矿上覆剖面铬含量超10 wt%。
4.2. 全岩VNIR-SWIR光谱特征
蚀变样品光谱显示铁（羟基）氧化物的三个诊断性吸收特征：~450-550 nm电荷转移吸收（CTA）、~650-700 nm的CFA1和~900 nm的CFA2。SWIR波段则出现含水矿物（滑石、高岭石）的振动吸收。
4.3. 含铬标准物质的VNIR特征
合成材料光谱证实，随着铬含量增加（0-10 mol%），针铁矿CFA1吸收谷从~655 nm红移至~700 nm；赤铁矿CFA1包络线变得平缓并出现~700 nm次级凹陷。铝掺杂样品仅引起微弱光谱变化，反证铬替代效应的特异性。
4.4. Sukinda样品的铬相关VNIR特征
continuum扣除处理后，（CFA1)CS最小值从腐岩的~670 nm红移至铁结壳的~700-710 nm。高光谱成像显示CFA1红移空间模式与XRF铬富集区高度吻合。
4.5. 天然针铁矿和赤铁矿中铬替代的交叉验证
微区分析证实铬优先进入针铁矿结构（浓度达20 wt%），拉曼光谱中630-675 cm-1区间Fe-O振动峰增强成为铬替代的光谱标识。
4.6. 富铬针铁矿和赤铁矿的星载填图
PRISMA影像中，（CFA1)CS最小值≥685 nm可有效识别铬含量≥2 wt%的铁（羟基）氧化物，成功圈定出Sukinda铬铁矿区与Daitari铁矿区的光谱差异。
研究结论创新性地建立了铬替代铁（羟基）氧化物的VNIR光谱标识体系，证实星载高光谱技术可探测天然矿物中微量元素级替代现象。CFA1特征的红移现象主要源于Cr3+的4A2(F)→4T2(F)自旋允许跃迁（~700 nm）与Fe3+跃迁（~655 nm）的叠加效应。这一发现不仅为铬矿勘探提供新的遥感技术手段，在火星表面铁氧化物探测等行星科学领域也具有潜在应用价值。
