X射线衍射在矿物鉴定中的应用

刘柏臣

（郑州市第一中学，河南 郑州 450000）

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。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，在凝聚态物理、生命医学、环境科学等诸多领域发挥积极作用[1]。

1 背景

为探究X射线衍射能否用于鉴定中深埋藏矿物的主要化学组分，本文通过钻孔取芯在埋深约600m的二叠系下统岩层内收集多组样本，采用X射线衍射（XRD）和相关分析方法探究其主要组分。

2 试验过程

根据XRD试验制样标准，将岩样颗粒化并进一步使用研钵细化，见图1，最终得到粒度10μm左右的粉末状标准样。

图1 研钵细化颗粒状岩样

使用DBX射线衍射仪对标准化样本逐次上机试验，分别获取各样本的衍射图谱。根据X射线衍射物相鉴定原理，将试验获取的衍射图谱在Jade计算机软件中与“粉末衍射卡片（PDF卡片）”进行对比，如图2所示，从而得到各样本的主要化学组分。

图2 Jade软件物相鉴定界面

3 结果及分析

3.1 1#矿物样本

1#样本的衍射图谱见图3所示，通过Jade软件对比分析可以看出，SiO2（石英）为主要组成成分，同时含有CaAl2Si2O8(H2O)4（多水高岭土）、CaAl2Si6O16(H2O)6（斜钙沸石）、Al4SiO20(OH)4(H2O)n（蒙脱石）和CaSO4（石膏）等矿物成分。

图3 1#样本衍射图谱

3.2 2#矿物样本

如图4所示，2#样本的主要矿物成分同样为SiO2（石英），并含有多水高岭土及蒙脱石。相比于前者，2#样本含有一定量的铝元素，并以AlSO4（硫酸铝）和CaAl2Si2O8(H2O)4（水铝钙石）化合物的形式存在，此外，还含有一定量的CaCO3（石灰）和Ca0.15Fe2.85O4（钙铁氧化物）。

图4 2#样本衍射图谱

3.3 化学组分分析与鉴定

以上矿物样本的衍射图谱显示，除硫酸铝、水铝钙石及钙铁氧化物等为2#样本独有的化学成分外，两类矿物中均含有大量的石英和一定量的多水高岭土、蒙脱石等成分。对于石英而言，其物理及化学性质较为稳定、力学强度大，是主要造岩矿物之一。

纯度较高的多水高岭土呈软泥状，蒙脱石呈鳞片状或解理完全，二者多以絮状物充填于软弱岩石的原生裂隙中，具有遇水膨胀的天然特性[3，4]。

因此，可以认为，本次通过钻孔取芯采集的矿物样本主要为砂质泥岩，且2#样本因其独有一定量的以硫酸铝化合物形式存在的铝元素，故可进一步归类为含铝泥岩。

4 结论

本文通过X射线衍射试验测试采集自二叠系下统岩层中的矿物样本，根据衍射图谱得到其主要化学组分并进行分析。结果表明：该矿物的主要成分为石英，并含有多水高岭土和蒙脱石等，初步鉴定为砂质泥岩；部分矿物样本内存在一定量的含铝化合物，如硫酸铝和水铝钙石等，该类矿物可细归为含铝泥岩。本文进行的实践及分析，充分证实了采用X射线衍射物相鉴定矿物成分具有准确、便捷的效果。

[1]胡林彦,张庆军,沈毅.X射线衍射分析的实验方法及其应用[J].河北联合大学学报(自然科学版),2004,26(3):83-86.

[2]孙光吉,原鹏博,闫常赫,等.华北二叠系泥岩崩解试验研究[J].铁道建筑技术,2016(11):111-114.

[3]戴长禄,等.高岭土[M].中国建筑工业出版社,1983.

[4]吴平霄,廖宗文.蒙脱石层间域的性质及其环境意义[J].地球科学进展,2000,21(2):228-233.