X射线衍射技术在地学中的应用
长安大学
摘要：X射线衍射技术是现代分析测试物质组成和结构的基础手段之一，多种学科中都广泛应用，在地质学领域中的应用同样占重要地位。本文综述了X射线衍射技术在岩石学、矿物学、矿床学、煤田、石油天然气、构造地质、地质灾害、宝石学以及与地质学相关的学科研究中的应用。作为一种高效、准确、无损样品的测试分析手段X射线衍射技术在地质学中的应用领域将会不断扩展，发挥越来越重要的作用。
关键词：X射线衍射地质学应用
引言
1895年，德国维尔茨堡大学校长兼物理研究所所长伦琴教授在研究阴极射线时意外发现X射线[1]；1912年德国物理学家劳厄（von Laue M）发现了X射线通过晶体时产生衍射现象[2]，证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性，并获得了劳厄晶体衍射公式；随后，小布拉格(Bragg WL)推导出著名的布拉格方程。此后100余年间，作为19世纪末20世纪初物理学的三大发现之一，X射线的新理论和新应用不断产生，飞速发展。劳厄的衍射理论与实验证明了X射线具有波动特性，是波长为几十到几百皮米的电磁波，并具有衍射的能力[3,4]。在基础理论和科学技术的支持下，X射线衍射技术在物质定性和物相组成等方面的探测已经成为现代分析测试技术的基础组成部分，在材料、药物、金属、生物等领域的科学研究中均占有重要地位。同样，X射线衍射在地质学领域中的应用也十分普遍。
1.基本原理和分析方法简介
X射线是一种电磁辐射，波长（0.01—100埃，常用的为0.5—2.5埃）与物质晶体的原子间距（1埃）数量级相同。利用晶体作为X射线的天然衍射光栅，当X射线入射时晶体原子的核外电子产生相干波彼此发生干涉，当发生波的加强
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就称之为衍射。晶体结构决定了X射线的衍射方向，通过测定衍射方向可以得到晶体的点阵结构、晶胞大小和形状等信息。地质学中的X射线衍射分析就是通过这个原理确定样品物质的组成和结构等（图1）。
图1 X射线衍射分析工作原理图
一般的X射线衍射分析方法有：a.劳厄法：连续X射线照射固定的单晶体，用照相底片记录衍射斑点；b.转晶法：单色X射线照射转动的单晶体，用照相底片记录平行分布的衍射斑点；c.粉末法：准直的单色X射线照射多晶粉末样品，圆筒状底片记录衍射斑点；d.衍射仪法：用各种辐射探测器和辐射测量控制电路记录衍射信号。前两种为单晶体研究，后两者为多晶体研究。其中，衍射仪法（XRD）为现代最主要和应用最广泛的X射线衍射分析方法[6]。
2.地质学中的应用
随着地质学研究的更深入、更具体，传统的地质调查已经不能满足当下的研究需求，精确度更高、准确度更强、灵敏度更好的现代测试分析技术在地学研究工作中的重要性越来越突出。作为一种实用性好、适用范围广、测试分析成本相对低的基础测试方法，X射线衍射分析已经成为一种必不可少的手段，应用在地学领域的各方各面（表1）。
表1X射线衍射分析在地质学中的应用 领域 应用 岩矿鉴定 提供岩石演化证据 岩石学 层位划分提供依据 岩组学研究 类质同象和同质多象多型研究 岩石成因研究 粘土矿物研究 矿物学 矿物结构分析 矿物习性分析 矿石矿物赋存状态研究 矿床学 提供找矿线索 分析有害组分 有机化学结构分析 煤和油气 构造学 地质灾害 宝石学 原油降凝降粘过程研究 天然气水化合物结构类型及转化规律 断裂形成过程研究 滑坡滑带粘土研究 宝石的成因研究 宝石的鉴定 冶金学 其他交叉学科 材料学 医药学 2.1岩石学中的应用：
岩矿鉴定：传统的岩矿鉴定方法通常采用薄片显微镜下鉴定，但鉴定结果容易受到薄片本身切片方向和矿物光性特征，以及鉴定者的水平和经验的影响，只能定性的给出结论。许乃岑等[7]（2015）对比了多种测试分析方法在玄武岩岩矿鉴定中的应用（图2），选用女山玄武岩（未经蚀变）和团山玄武岩（经过蚀变）两组样品，未经蚀变玄武岩样品的显微镜分析和X射线衍射分析结果一致，而对
蚀变玄武岩显微镜下分析的斜长石和蚀变矿物绿泥石，经X射线衍射分析应当为微斜长石和蒙脱石，由此看来X射线衍射分析在区分细小蚀变矿物和对造岩矿物准确定量方面更具有优势。
提供岩石演化证据：冯涛等[8]（2008）用X射线衍射仪粉末法对武广客运专线韶关至花都段岭牌隧道工点的钻孔花岗岩进行半定性半定量分析，得出花岗岩物相含量与风化程度之间的变化关系。
层位划分：细粒沉积岩成分复杂、结构微观，在岩石类型判定和层位划分时据有一定困难性。鄢继华等[9]（2015）对沧东凹陷孔二段细粒沉积岩进行X射线衍射分析，对比矿物组成得到细粒沉积岩纵向分布规律，很好的解决了这一困难。其实早在1993年曲高生[10]在碳酸盐沉积地质学研究中已经使用该方法对西沙群岛深航岛地区当时颇有争议的第四系地界确定提供了定量分析依据，结果与野外宏观地质特征、地球化学特征等对地层划分结果及其变化趋势几乎完全一致。
除了上述应用，X射线衍射分析还应用于岩组学研究、矿物的类质同象和同质多象多型研究和岩石成因研究等方面[11]。
图2女山和团山玄武岩样品的X 射线衍射谱图（许乃岑等，2015）
2.2矿物学中的应用：
粘土矿物研究：X射线衍射分析是研究粘土矿物最有效的方法之一，可以快速地鉴定出粘土矿物的成分及百分含量。自然界中黏土矿物分布广，颗粒细小，具有层状结构的特征[12]，主要由含水的层状铝硅酸盐矿物组成（高岭石、伊利石、
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蒙脱石等），即便分析影响因素多，对其做衍射谱图仍可以对黏土矿物结构、结晶度、粒度、应变和含量分析有较好的指示意义。谭罗荣[35]（1981）认为X射线衍射分析测定粘土矿物颗粒取向排列的特征具有统计的性质；张荣科等[14]（2003）给出了粘土矿物X射线衍射分析方法和样品处理过程。
分析矿物结构：X射线衍射分析新矿物结构，分析速度快、准确性高、对样品基本无损害。天然矿物结构分析研究形成环境和其他矿物赋存状态：殷科等[36]（2013）通过X射线衍射确定网纹红土中铁矿物与粘土矿物赋存关系，对获得高
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纯度的粘土矿物样品剔除铁矿物时提供指示；聂轶苗等（2015）对石墨尾矿的云母族矿物分析，为后续选矿奠定了基础（图3）；叶美芳等[16]（2016）研究斑岩铜矿区绢英岩带中云母的形态、结构等揭示了成矿流体演化特征。
研究矿物习性：孙云等[17]（2012）利用高分辨X射线衍射研究磷酸二氢钾晶体晶格应变应力，为晶体防裂方法提供理论基础；陈传敏等[37]（2006）结合热重分析研究氧/二氧化碳气氛下石灰石硫化的特性，总结石灰石煅烧和高温脱
硫所需条件；周静等[18]（2103）研究发现高压下钶铁矿结构原位 X 射线衍射谱图在 10. 6 GPa以上有旧峰消失和新峰出现，表明压缩过程中发生了一个可逆压致相变（10 GPa—16 GPa），继续增加压（大于20 GPa）则形成无序状态。
图3石墨尾矿 X 射线衍射图谱（聂轶苗等，2015）
2.3矿床学中的应用：
研究矿石矿物赋存状态：陈蓉美[19]（1988）对湘南某钨矿床中黑钨矿研究，获得类质同像和矿物成分和结构的精细变化关系的结论，并为矿床成因提供依据；范裕等[20]（2008）对安徽香泉独立铊矿床中含铊黄铁矿进行分析，证实铊在黄铁矿中有2种赋存状态，铊主要以类质同象形式替代铁进入黄铁矿晶格，其次以微细铊矿物包裹体形式产出，为后续研究成矿作用和金属铊的选冶提供依据。
提供找矿线索：罗松英等[21]（2014）对内蒙古草原拜仁达坝矿区地表土壤研究发现该土壤成分既有地表岩体风化产物，又与地下岩体及围岩蚀变密切相关，为深部找矿提供线索；周姣花等[22]（2015）利用X射线衍射等技术研究河南汤家坪钼矿区主要矿物标型特征，对矿床评价、总结成矿规律和找矿标志、选矿试验等具有重要意义（图4）。
分析有害组分：胡晓静等[23]（2011）在滑石矿中使用X射线衍射分析鉴定是否含有微量石棉，对样品是否必要进一步用偏光显微镜或电子显微镜观察石棉的必要性提供参考。
图4辉钼矿晶胞参数测量结果（周姣花等，2015）
2.4煤和油气中的应用：
使用X射线衍射分析研究煤和油气的有机化学结构已经有几十年的历史了。翁成敏等[24]（1981）对峰峰煤田的煤测试分析，得到镜煤有机化学结构特征变化规律以及高变质煤衍射特征；徐龙君等[38]（1999）也同样使用该方法对突出区煤的大分子多核芳香分子结构和微晶芳环层片组成进行研究，为预测煤和瓦斯
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突出提供依据；张付生等（1995）结合红外光谱与X射线衍射研究原油降凝降粘剂的作用机理，对原油降凝降粘过程有理论指导意义。X射线衍射分析技术是对海洋或冻土区钻获的天然气水合物样品鉴定的有利工具，国外已经广泛应用但在国内才刚刚起步，刘昌岭等[26]（2014）分析天然气水化合物得到其结构类型及相互转化规律，为天然气水合物相关研究提供借鉴。 2.5构造和地质灾害中的应用：
断层作用的研究：党嘉祥等[39]（2012）对虹口八角庙－深溪沟炭质泥岩同震断层泥研究，发现同震新断层泥是在老断层泥基础上发育而成，并且同震新断层在地震错动中有富含K的流体参与。通过X射线衍射分析对构造的形成和演化研究具有指示意义。
地质灾害的研究：严春杰等[27]（2001）研究了三峡库区、黄河小浪底等地40个滑坡滑带土的微结构及物质组合，总结滑带土表面粘土矿物定向排列规律（图5）；王洪兴等[28]（2004）对小浪底库区庙上北滑坡滑带土粘土矿物研究，定量分析计算粘土矿物颗粒的定向度，分析滑坡成因。通过X射线衍射分析滑坡滑带土粘土矿物特征为滑坡治理和稳定性评价提供依据。
图5不同地区滑带土的X射线半定量分析与强度参数（严春杰等，2001）
2.6宝石学中的应用：
宝石的成因研究和人工合成宝石的鉴定很难用常规的手法鉴别，因此需要现代分析测试技术的辅助。使用X射线衍射貌相技术得到宝石形成的相关信息，为判定宝石的成因和产地提供依据；可以有效的区分一些常规手段难以区分的人工合成宝石；另外分析宝石内部结构缺陷可以准确判断是否经过优化处理。田亮光等[40]（1999）就利用该技术研究山东蓝宝石改色的机制和退色机制，为宝石学研究提供了新的研究手段；任伟等[29]（2010）研究分析了新疆祖母绿宝石获得
