现代海洋沉积物X 射线衍射全矿物分析方法

江云水

（青岛海洋地质研究所，山东 青岛 266237）

从20 世纪四五十年代开始，X 射线衍射（XRD）分析方法得到了广泛发展，特别是应用于矿物和岩石的日常鉴定和研究工作，随着我国海洋地质调查不断深入开展，现在XRD 分析已成为海洋地质研究必不可少的方法之一。XRD 是一种非破坏性的分析，根据谱图可以直接测定沉积物中各矿物的种类及含量，能够充分反映自然环境中矿物所处的状态和沉积物组合，因此，其是现代海洋沉积物研究的一项相当重要的犀利武器。对现代海洋沉积物的XRD 分析的一般目的有：测定沉积物中矿物的成分，即定性分析；确定不同矿物间的含量比，即定量分析。X 射线衍射物相定量分析理论成熟以后，一直不断地衍生出新的定量分析方法，常规方法一般有内标法[1]、增量法[2]、绝热法[3]、外标法[4]、基体冲洗法[5]（K 值法）及Rietveld 方法[6-7]。这些方法都有各自的优缺点，有的需要在待测样品中加入标准样品并绘制标准工作曲线[8]，当样品中物质种类较多的时候，标准样品会增加衍射线重叠的概率，也会增加基体效应，从而给定量分析带来进一步困难。外标法虽然不需要在样品中加入标准物质，但需要用纯的待测物质绘制工作曲线，而纯的待测物质在自然矿物中也极难获得或提取。在地质研究中，大部分地质样品成分复杂，同时存在几种、十几种不同类型的矿物，很难找到合适的标准样品，所以加标样的定量分析方法在地质研究中应用受到很大限制。在现代海洋地质应用中，迫切需要一种简单、高效的普遍性的多物相无标样定量分析方法。本文就介绍一种满足地质研究需求的简便方法，暂且称为强度因子法，从而为地质研究提供便利。

1 方法原理介绍

海洋沉积物中石英是最稳定的且含量最高的一种矿物，可以作为很好的内标矿物。判断石英采用多重峰判断。以石英的衍射峰为内部标准矿物，根据内标方程，海洋沉积物中两相矿物i 和j 的质量分数比值计算如下

式中：Ki称为i相矿物的强度因子，其是i相矿物对石英的比强度。即

强度因子的意义是i相矿物和j相矿物（石英）各50%组成的混合物衍射图中，石英的特征衍射峰（d=0.334 nm）与i相矿物的特征衍射峰的峰高之比。

在现代海洋沉积物中可能会含有少量的非晶质物质，此部分称为不可定量部分。剩余的所有晶体矿物称为可定量部分，调整所有被检出矿物相对石英的重量含量比值，使其归一化，总和达到100%。

2 实验设计与方法

2.1 实验材料

现代海洋沉积物中的矿物成分一般有：石英、斜长石、钾长石、方解石、白云石、角闪石、石膏等及黏土矿物（伊利石、高岭石、绿泥石）。本文选取我国南海地质调查项目中一批样品进行X 射线衍射全矿物分析。随机选取其中一个样品，进行详细介绍整个测试流程及报告编写情况。

2.2 实验方法

实验测试在青岛海洋地质研究所实验测试室完成，测试的仪器是立本理学公司生产的D/Max-2500型多晶X 射线衍射仪。测试条件[9]：铜靶，40 kV，150 mA；步进扫描，步长0.02°，停留时间1 s，扫描范围3～65°2θ。测量数据的分析，借助MDI Jade 完成。具体实验过程如下。

1）样品前处理。现代海洋沉积物取回的样品一般为泥状样，取约10 g 样品进行低温烘干，然后在研钵内充分研磨（手指无颗粒感即可）。最后，将磨细的样品填充到样品架的凹槽中，压实并进行表面平整。

2）上机测试，并保存原始数据。

3）数据分析。利用Jade 软件导入原始数据：在现代海洋沉积物中样品中，以石英的特征峰26.64°2θ、20.86°2θ 及50.15°2θ 来进行校正所有衍射峰的位置，定性分析确定大致的矿物组成。由于现代海洋沉积物样品中矿物组成复杂，一般以特征单峰进行矿物鉴定，定性分析如图1 所示。

图1 现代海洋沉积物样品XRD 衍射图

由图1 检索结果可知，本批样品中含有的矿物有石英（0.334 nm）、伊利石（1.000 nm）、方解石（0.303 nm）、镁方解石（0.299 nm）、斜长石（0.318 nm）、绿泥石（0.710 nm）、钾长石（0.324 nm），还有微量的角闪石（0.840 nm）。海洋沉积物中都会含有微量的石盐，在各矿物相对含量计算时一般忽略不计。利用矿物的d值和强度因子的乘积作为矿物的强度，分别计算其在所有矿物强度之和中的占比，即为矿物的百分含量。

海洋沉积物中常见矿物的强度因子[10]见表1。

表1 海洋沉积物常见矿物的强度因子

2.3 实验结果

由表1 可知，根据各矿物的强度因子及各矿物特征峰的强度即可计算出各矿物间的比值。最终得到计算结果见表2。

表2 X 射线衍射全矿物分析定量结果（%）

3 结果解释

本文利用上述方法对南海某一位置柱状样品进行研究，发现此方法简便又可靠，能说明不少海洋地质学和沉积学上的问题。

首先，从衍射谱图上可以看出，石英、方解石、斜长石及伊利石是此柱状沉积物中最主要的矿物组分。方解石是此区主要的碳酸盐矿物，在深海沉积物中多为贝壳碎片或者有孔虫外壳，代表本区主要的海洋成因矿物组分。而石英的含量可以代表陆源的组分。黏土矿物中主要以伊利石为主，也普遍存在绿泥石，而高岭石和蒙脱石则较为罕见。总之，在一张谱图上可以发现很多种矿物的矿物资料，相比显微镜的鉴定要快得多。缺点是看不到矿物外部的形态，但能快速查知其矿物种类。

根据表2 的定量分析结果可以说明，石英、方解石和伊利石是最常见的矿物，这3 种矿物约占沉积物总量的72%～79.9%之间。根据含量的不同可以阐述其沉积物的主要物质组成及其变化的基本轮廓。石英（011）/方解石（104）的比值，指石英晶面（011）和方解石晶面（104）的峰高比，此组样品中，均是按照同一条件下操作所得，那么这两者的峰高近似正比于两种矿物的丰度。所以石英（011）/方解石（104）的衍射峰的强度比就有了地质意义：指陆源组分和海洋组分的比值。次组样品中，石英（011）/方解石（104）的值在1.31～1.72 之间，表明陆源组分要比海洋组分高。石英（011）/斜长石（040）比值表示的地质意义：石英是稳定的陆源组分，斜长石则是较易风化的陆源组分，这两者的比表征着陆源组分在海洋环境中的消长的状况，物质来源的变迁。此组样品中，石英（011）/斜长石（040）的值在4.02～8.99 之间，表明石英在海洋环境中变迁相对较少，也侧面反映了其年代轻。

4 结论

本文以南海地质调查项目中某一根柱状样为实例进行方法的阐述，很好论述了现代海洋沉积物X 射线衍射全矿物分析方法——强度因子法。X 射线衍射分析方法最大优点是非破坏性的分析，能直接测定沉积物中各矿物组成的原始分布和结构，充分反映自然环境中原始矿物状态和沉积物组合，根据结果数据来解释地质学意义及气候反演等。此方法不适用于深海沉积物的矿物学研究，也可以适用于浅海沉积物的矿物学研究。其相对简单、快捷，也具有很多独特的特点，完全可以推广到陆上沉积物和土壤分析中。