http: PPwww. wuli. ac. cn 物 理粉 晶 X射 线 衍 射 在 矿 物 岩 石 学 研 究 中 的 应 用 3廖 立 兵 1, 李 国 武 1 蔡 元 峰 2 黄 俊 杰 3(1 中 国 地 质 大 学 (北 京 )材 料 科 学 与 工 程 学 院 北 京 100083)(2 南 京 大 学 地 球 科 学 系 南 京 210093)(3 国 土 资 源 部 南 京 地 质 矿 产 研 究 所 南 京 210016)摘 要 文 章 简 单 介 绍 了 粉 晶 X射 线 衍 射 在 岩 石 矿 物 学 研 究 中 的 主 要 应 用 . 指 出 粉 晶 X射 线 衍 射 不 仅 在 矿 物 的 定性 /定 量 分 析 、 晶 胞 参 数 测 定 、 类 质 同 像 研 究 、 多 型 研 究 、 有 序 /无 序 结 构 研 究 、 岩 组 学 研 究 等 传 统 领 域 继 续 发 挥 着 重 要作 用 ,在 矿 物 结 晶 过 程 和 相 转 变 研 究 、 矿 物 表 面 物 相 研 究 、 矿 物 缺 陷 研 究 和 矿 物 晶 体 结 构 测 定 等 新 领 域 也 展 现 出 广 阔的 应 用 前 景 .关 键 词 粉 晶 X射 线 衍 射 ,矿 物 ,岩 石Application of powder X2ray diffraction in m ineralogy and petrologyL IAO L i2B ing1, L I Guo2W u1 CA I Yuan2Feng2 HUANG Jun2J ie3(1 School of M aterials Science and Technology, China U niversity of Geosciences, B eijing 100083, China)(2 D epartm ent of Earth sciences, N anjing U niversity, N anjing 210093, China)(3 N anjing Institute of Geology and M ineral R esources, N anjing 210016, China)Abstract The app lication of powder X2ray diffraction in m ineralogy and petrology is reviewed. It is shown thatpowder X2ray diffraction not only continues to p lay an important role in the traditional fields of phase identifica2tion, quantification and cell parameter determ ination, studies of isomorphism, polymorphism, polytype and order/disorder phenomena in m inerals, petrofabrics and so forth, but have also found app lications in the field of crystal2lization p rocesses, phase transformation and surface study of m inerals as well as in defects investigation and struc2ture determ ination of m inerals.Keywords powder X2ray diffraction, m ineral, petrology3 2007 - 02 - 17收 到 初 稿 , 2007 - 03 - 19收 到 修 改 稿 通 讯 联 系 人 . Email: lbliao cugb. edu. cn地 壳 由 矿 物 、 岩 石 组 成 ,对 其 成 分 、 结 构 和 性 质等 的 分 析 是 矿 物 学 、 岩 石 学 的 重 要 研 究 内 容 . X射 线衍 射 技 术 特 别 是 粉 晶 X射 线 衍 射 技 术 自 发 明 以 来就 被 应 用 于 矿 物 、 岩 石 研 究 ,包 括 广 泛 应 用 于 矿 物 的定 性 、 定 量 分 析 ,晶 胞 参 数 测 定 ,类 质 同 像 研 究 ,多 型研 究 ,有 序 - 无 序 结 构 研 究 等 . 随 着 大 功 率 X射 线源 和 衍 射 仪 技 术 的 发 展 和 应 用 ,粉 晶 X射 线 衍 射 在矿 物 、 岩 石 研 究 中 的 应 用 领 域 也 得 到 进 一 步 扩 大 ,例如 粉 晶 X射 线 衍 射 已 被 应 用 于 矿 物 结 晶 过 程 和 相转 变 研 究 、 矿 物 表 面 物 相 研 究 、 矿 物 缺 陷 研 究 、 岩 组学 研 究 和 矿 物 晶 体 结 构 测 定 等 等 . 粉 晶 X射 线 衍 射提 供 的 丰 富 信 息 对 于 了 解 矿 物 成 因 ,探 讨 成 矿 、 造 岩作 用 以 及 矿 物 岩 石 的 应 用 研 究 都 具 有 重 要 意 义 . 本文 简 单 综 述 粉 晶 X射 线 衍 射 在 矿 物 岩 石 学 研 究 中的 主 要 应 用 及 进 展 .1 矿 物 定 性 、 定 量 分 析矿 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064X射 线 衍 射 应 用 专 题 36卷 (2007年 ) 6期 http: PPwww. wuli. ac. cn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 1, 2 ,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 .2 矿 物 有 序 度 研 究天 然 矿 物 成 分 复 杂 ,广 泛 存 在 由 于 离 子 占 位 而引 起 的 结 构 有 序 /无 序 现 象 . 晶 体 结 构 从 无 序 转 变 为有 序 ,可 能 引 起 晶 胞 扩 大 、 对 称 性 改 变 和 相 应 物 理 性质 的 变 化 . 有 序 /无 序 与 矿 物 的 成 因 及 环 境 等 因 素 有关 ,因 此 研 究 有 序 /无 序 对 于 推 测 矿 物 成 因 、 岩 石 和矿 床 形 成 条 件 等 都 有 重 要 的 意 义 .X射 线 衍 射 是 研 究 矿 物 有 序 /无 序 结 构 的 重 要方 法 ,目 前 广 泛 应 用 于 粘 土 矿 物 、 造 岩 矿 物 、 硫 化 物和 碳 酸 盐 矿 物 等 的 研 究 .粘 土 矿 物 由 于 结 晶 细 小 、 结 构 复 杂 多 变 而 成 为矿 物 学 研 究 的 重 要 内 容 之 一 ,并 已 发 展 成 为 一 门 独立 的 分 支 学 科 粘 土 矿 物 学 . 混 层 粘 土 矿 物 是 结构 最 复 杂 的 粘 土 矿 物 ,它 是 由 不 同 的 粘 土 矿 物 结 构单 元 层 按 不 同 的 比 例 (混 层 比 )和 顺 序 (规 则 和 不 规则 型 )堆 垛 而 成 . 粉 晶 X射 线 衍 射 是 测 定 混 层 比 的最 有 效 手 段 . 混 层 矿 物 的 X射 线 反 射 由 A、 B两 种 不同 结 构 单 元 层 的 同 级 或 非 同 级 反 射 重 叠 而 成 ,混 层矿 物 的 dAB (001)位 于 dA (001)和 dB (001)之 间 ,衍 射 峰 位 置及 强 度 取 决 于 A、 B的 种 类 和 相 对 含 量 ,因 此 通 过 观察 混 层 矿 物 的 衍 射 峰 形 并 测 量 dAB (001)值 ,可 测 定 混层 矿 物 类 型 和 混 层 比 .粘 土 矿 物 中 阳 离 子 类 质 同 像 置 换 普 遍 ,引 起 结构 畸 变 和 结 晶 度 变 化 ,其 特 征 峰 的 峰 高 /峰 宽 比 可 反映 矿 物 的 结 晶 度 . 例 如 ,蒙 脱 石 的 ( 020)衍 射 峰 的 峰高 (H)与 2 /3高 处 的 宽 度 W 之 比 ( H /W )可 作 为 衡量 其 b轴 有 序 度 的 指 数 . 蒙 脱 石 b轴 有 序 度 的 变 化可 反 映 蒙 脱 石 结 构 层 中 异 价 阳 离 子 置 换 情 况 以 及 由活 化 引 起 的 八 面 体 A l3+溶 出 等 造 成 的 结 构 畸 变 大小 .造 岩 矿 物 中 的 有 序 /无 序 多 见 于 长 石 、 辉 石 等 矿物 中 . 长 石 有 序 度 的 本 质 是 长 石 晶 格 中 A l的 占 位率 . 通 常 采 用 Kamencev和 Cmetannikova ( 1977)的计 算 方 法 求 取 长 石 中 A l在 T1o、 T1m、 T2o、 T2m中 的分 配 率 ,用 Thomp son系 数 Y (0. 11)和 Z (0. 13) 3 来衡 量 长 石 有 序 化 程 度 的 高 低 . 斜 长 石 的 有 序 程 度 可表 现 为 晶 系 的 变 化 ,无 序 的 斜 长 石 为 单 斜 晶 系 ,有 序的 斜 长 石 降 低 为 三 斜 晶 系 ,过 渡 状 态 的 斜 长 石 用 三斜 度 来 表 征 . X射 线 衍 射 常 用 X = 12. 5 ( d(131) -d1 3- 1 )来 求 得 长 石 的 三 斜 度 .碳 酸 盐 矿 物 白 云 石 , 其 结 构 中 的 CaCO3 和MgCO3在 c轴 方 向 呈 有 规 律 的 交