XRD分析在矿物学研究中的应用

XRD分析在矿物学研究中的应用

王晓东1，孔星蕊1

河北地质大学 地球科学学院，河北 石家庄 050031；

摘要：X射线衍射是测定物质结构的主要分析手段，X射线衍射技术自从诞生开始变在岩石研究和矿物分析中获得了广泛应用，另外，在矿物的定量分析和定性分析中也有着大规模的应用。本文对 XRD粉晶衍射仪的基本工作原理进行了简要的介绍，粉晶Ｘ射线衍射法在造岩矿物、黏土矿物、岩组学、类质同象和结晶度的测定等领域发挥的重要作用。随着测量技术的发展，X射线衍射技术在矿物学领域具有非常广阔的应用前景。

关键词：XRD粉晶衍射仪 ；矿物学；矿物成分；矿物 

Application of XRD analysis in mineralogy research

WANG Xiao-dong1,KONG Xing-rui1

College of Earth Sciences, Hebei GEO University, Shijiazhuang 050031,

Abstract: X-ray diffraction is the main analytical method to determine the structure of materials. Since its birth, X-ray diffraction technology has been widely used in rock research and mineral analysis. In addition, it also has large-scale applications in quantitative and qualitative analysis of minerals. In this paper, the basic working principle of XRD powder diffraction instrument is briefly introduced. Powder X-ray diffraction plays an important role in the fields of rock forming minerals, clay minerals, petrography, isomorphism and crystallinity determination. With the development of measurement technology, X-ray diffraction technology has a very broad application prospect in the field of mineralogy.

Keywords: XRD powder diffractometer; Mineralogy; Mineral composition; mineral

作者简介：王晓东（1997- ），男，硕士研究生，矿物学、岩石学、矿床学专业，E-mail: 649786433@qq.com；

1  测试方法的产生与发展

1895年，德国科学家Roentgen在研究阴极射线时发现了一种具有极强穿透力的粒子流，并命名为X射线。1912年，M. Von等学者率先探究了周期性排列的原子结构的“衍射光栅”效应，为X射线衍射学奠定基础。1913年，W.H.Bragg等人成功测定了NaCl和KCl等物质的晶体结构，并提出了著名的布拉格方程[2]。此后，X射线衍射技术逐渐成长为重要的物质结构测试手段，XRD (X射线衍射仪)以布拉格实验装置为原型，融合了机械与电子技术等多方面的成果。衍射仪由x射线发生器、测角仪、辐射探测器和辐射探测电路4个基本部分组成，是以特征x射线照射多晶体样品，并以辐射探测器记录衍射信息的实验装置。现代x射线衍射仪还配有控制操作和运行软件的计算机系统。x射线衍射仪的成像原理与聚焦法相同，但记录方式及相应获得的衍射花样不同。衍射仪采用具有一定发散度的入射线，也用“同一圆周上的同弧圆周角相等”的原理聚焦，不同的是其聚焦圆半径随的变化而变化。衍射仪法以其方便、快捷、准确和可以自动进行数据处理等特点在许多领域中取代了照相法，现在已成为晶体结构分析等工作的主要方法[3,4]。

2  基本原理

XRD粉晶衍射仪同聚焦法的成像原理一致，然而其记录方式与相应的衍射方法却存在差异。XRD粉晶衍射仪采用带有一定发散度的入射线，也使用同一圆周上的同弧圆周角想等的聚焦原理，不同之处在于其聚焦圆半径随着2θ的变化而产生相应的变动。XRD粉晶衍射仪的工作原理如下所示：通过一个高压发射器产生一个设定好的高压至X射线管的两极，阴极产生的阴极电子流触碰到阳极就会产生X射线，产生的X射线通过梭拉狭缝S1，经发散狭缝FS直接照射至岩石样品表面，衍射线分别通过散射狭缝JS、梭拉狭缝S2、接收狭缝FSS,然后至石墨单色器，最终被收入检测器中，检测器对接收的衍射线进行检测分析，将检测结果转换成电信号，通过先进的计算机技术的处理变为可见的数字信息。在实际的操作过程中，样品台与检测样品按照相应的步径与速度转过角度θ（掠射角），检测器也随之转过衍射角2θ（2倍于掠射角），此种驱动的方式也被叫做θ-2θ方式

[5]。

3  物相分析方法

矿物的X射线定性相分析指的是用粉晶X射线衍射数据对样品中存在的矿物相进行鉴别。岩石往往由多种矿物组成,岩石学研究经常需要鉴定岩石中的矿物组成, 特别是含量较少的矿物组分,因此矿物定性分析是粉晶X射线衍射在矿物岩石学研究中的最主要应用。此外,由于天然矿物成因、成分复杂,同族矿物的不同矿物种以及同种矿物的不同变体往往很难用其他方法区分,粉晶X射线衍射便成为最有效的分析方法。矿物粉晶X射线衍射数据库的不断丰富以及计算机检索技术的发展,使矿物的X射线定性相分析更加便捷,而大功率X射线源的出现则使微量矿物的发现与鉴定成为可能。很多粉晶X射线定量相分析方法,如直接分析法、内标法、基体清洗法(K值法)、增量法(冲稀法)、无标样法等,都已被应用于矿物的定量相分析中,但由于矿物标样难以获得以及对样品和实验要求高等原因, 相对于定性相分析,矿物的粉晶X射线定量相分析应用较少。最近的应用多集中于岩石和土壤中的粘土矿物定量分析方面[6,7],但由于粘土矿物成分、结构易变,择优取向明显,分析结果误差较大。

晶体的X射线衍射图像实质上是晶体微观结构的一种精细复杂的变换,每种晶体的结构与其X射线衍射图之间都有着一一对应的关系,其特征X射线衍射图谱不会因为它种物质混聚在一起而产生变化,这就是 X射线衍射物相分析[8]方法的依据。制备各种标准单相物质的衍射花样并使之规范化,将待分析物质的衍射花样与之对照,从而确定物质的组成相,就成为物相定性分析的基本方法。鉴定出各个相后,根据各相花样的强度正比于各组分存在的量(需要做吸收校正者除外),就可对各种组分进行定量分析[8]。

4  样品制备与测试方法实列

以墨江金矿三、四期矿样的物质成分研究进行说明X衍射的工作方法和分析步骤 ,具体是:(1)矿样特征。由于墨江三、四期矿样均为褐色砂状矿样,以氧化物为主,用水析分离后表明三期矿石风化程度较大。(2)光谱分析。对矿样的平均样品进行光谱分析,确定矿样中大致上所含元素种类。光谱分析结果表明硅、铝、镁、铁含量较高,同时还有其他元素少量或微量。(3)化学分析。对含量较高的元素进行化学分析,得出元素在矿样中的具体含量。化学分析结果表明矿样的主要元素为二氧化硅,次要元素为铁、氧化铝和氧化镁。三期矿石含硫较低,其他金属元素含量也不相同。其中三期含金高含银低。(4)X衍射分析。挑选矿物和单矿物进行XRD实验分析。使用仪器为日本理学3015升级型X射线衍射仪。XRD分析,按照矿样的外貌特征和颜色特征方面进行挑选,务求将每种单矿物都筛选出来,之后进行对单矿物的XRD试验得出衍射图谱。对水析细部分矿样进行XRD试验,得出水析细部分矿样的衍射图谱。对平均矿样分析,得出平均矿样的衍射图谱。对得出的衍射图谱进行分析,运用电脑分析,确定各种矿物组成。(5)三、四期矿物样品组成以及含量。根据挑选矿物和单矿物的 XRD的分析结果,进行定性分析。根据衍射图谱和化学分析结果进行矿样的定量分析,因为依据衍射图谱对物质定量是依据他们最强峰的高度或面积进行计算。根据物质的组成元素在物质中所占的含量,以及衍射图谱中各物质的最强峰高度和面积进行确定各物质在矿样中所占含量的多少[9]。

5  XRD在矿物学中的应用

5.1  环境岩土工程中岩土矿物成分分析

Ｘ射线衍射分析是鉴定土中的矿物成分应用最为广泛的方法，特别是在环境岩土工程的研究与实践中，当涉及物理化学或化学过程时（例如垃圾填埋场工程、土及地下水污染治理等领域），必须使用Ｘ射线衍射分析探明土中的矿物成分及其相对含量[17]。

5.2  材料的物相成分分析

测定水泥熟料中的物质组成和含量，常用的方法有Bouge法、显微镜统计法和Ｘ射线衍射法，通过对比发现Ｘ射线衍射法具有潜在的优越性。在常规水泥混凝土路面质量检测方法中，采用回弹仪、射钉法和超声回弹法等只能确定水泥混凝土的宏观强度，所反应的是一个综合的评定值，而引起材料强度或耐久性不足的具体原因则无法确定。采用Ｘ射线衍射技术分析路面水泥混凝土材料中的构成元素以及各元素存在状态，进而确定其材料性能并分析工程问题的具体原因，可找出产生问题的症结所在[18-19]。

6  结语

粉晶Ｘ射线衍射是矿物、岩石学研究的重要手段。随着实验技术的发展，粉晶Ｘ射线衍射在矿物种属确定、类质同象和结晶度研究、岩组学研究和有序/无序测定等传统领域继续发挥重要的作用，在矿物结晶过程研究、矿物表面研究、矿物定量相分析和矿物晶体结构测定方面也均有新的应用。可以预见，粉晶Ｘ射线衍射将在矿物岩石学研究中发挥更重要的作用。