X射線衍射在礦物鑒定中的應用

劉柏臣

（鄭州市第一中學，河南 鄭州 450000）

1895年，德國科學家Roentgen在研究陰極射線時發現了一種具有極強穿透力的粒子流，并命名為X射線。1912年，M. Von等學者率先探究了周期性排列的原子結構的“衍射光柵”效應，為X射線衍射學奠定基礎。1913年，W. H.Bragg等人成功測定了NaCl和KCl等物質的晶體結構，并提出了著名的布拉格方程。此后，X射線衍射技術逐漸成長為重要的物質結構測試手段，在凝聚態物理、生命醫學、環境科學等諸多領域發揮積極作用[1]。

1 背景

為探究X射線衍射能否用于鑒定中深埋藏礦物的主要化學組分，本文通過鉆孔取芯在埋深約600m的二疊系下統巖層內收集多組樣本，采用X射線衍射（XRD）和相關分析方法探究其主要組分。

2 試驗過程

根據XRD試驗制樣標準，將巖樣顆粒化并進一步使用研缽細化，見圖1，最終得到粒度10μm左右的粉末狀標準樣。

圖1 研缽細化顆粒狀巖樣

使用DBX射線衍射儀對標準化樣本逐次上機試驗，分別獲取各樣本的衍射圖譜。根據X射線衍射物相鑒定原理，將試驗獲取的衍射圖譜在Jade計算機軟件中與“粉末衍射卡片（PDF卡片）”進行對比，如圖2所示，從而得到各樣本的主要化學組分。

圖2 Jade軟件物相鑒定界面

3 結果及分析

3.1 1#礦物樣本

1#樣本的衍射圖譜見圖3所示，通過Jade軟件對比分析可以看出，SiO2（石英）為主要組成成分，同時含有CaAl2Si2O8(H2O)4（多水高嶺土）、CaAl2Si6O16(H2O)6（斜鈣沸石）、Al4SiO20(OH)4(H2O)n（蒙脫石）和CaSO4（石膏）等礦物成分。

圖3 1#樣本衍射圖譜

3.2 2#礦物樣本

如圖4所示，2#樣本的主要礦物成分同樣為SiO2（石英），并含有多水高嶺土及蒙脫石。相比于前者，2#樣本含有一定量的鋁元素，并以AlSO4（硫酸鋁）和CaAl2Si2O8(H2O)4（水鋁鈣石）化合物的形式存在，此外，還含有一定量的CaCO3（石灰）和Ca0.15Fe2.85O4（鈣鐵氧化物）。

圖4 2#樣本衍射圖譜

3.3 化學組分分析與鑒定

以上礦物樣本的衍射圖譜顯示，除硫酸鋁、水鋁鈣石及鈣鐵氧化物等為2#樣本獨有的化學成分外，兩類礦物中均含有大量的石英和一定量的多水高嶺土、蒙脫石等成分。對于石英而言，其物理及化學性質較為穩定、力學強度大，是主要造巖礦物之一。

純度較高的多水高嶺土呈軟泥狀，蒙脫石呈鱗片狀或解理完全，二者多以絮狀物充填于軟弱巖石的原生裂隙中，具有遇水膨脹的天然特性[3，4]。

因此，可以認為，本次通過鉆孔取芯采集的礦物樣本主要為砂質泥巖，且2#樣本因其獨有一定量的以硫酸鋁化合物形式存在的鋁元素，故可進一步歸類為含鋁泥巖。

4 結論

本文通過X射線衍射試驗測試采集自二疊系下統巖層中的礦物樣本，根據衍射圖譜得到其主要化學組分并進行分析。結果表明：該礦物的主要成分為石英，并含有多水高嶺土和蒙脫石等，初步鑒定為砂質泥巖；部分礦物樣本內存在一定量的含鋁化合物，如硫酸鋁和水鋁鈣石等，該類礦物可細歸為含鋁泥巖。本文進行的實踐及分析，充分證實了采用X射線衍射物相鑒定礦物成分具有準確、便捷的效果。

[1]胡林彥,張慶軍,沈毅.X射線衍射分析的實驗方法及其應用[J].河北聯合大學學報(自然科學版),2004,26(3):83-86.

[2]孫光吉,原鵬博,閆常赫,等.華北二疊系泥巖崩解試驗研究[J].鐵道建筑技術,2016(11):111-114.

[3]戴長祿,等.高嶺土[M].中國建筑工業出版社,1983.

[4]吳平霄,廖宗文.蒙脫石層間域的性質及其環境意義[J].地球科學進展,2000,21(2):228-233.