X射線粉晶衍射法在板巖鑒定與分類中應(yīng)用

肖 剛，遲廣成，伍月

（沈陽地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，遼寧沈陽 110032）

X射線粉晶衍射法在板巖鑒定與分類中應(yīng)用

肖 剛，遲廣成，伍月

（沈陽地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，遼寧沈陽 110032）

以往對(duì)板巖的分類和定名主要以顯微鏡下觀察到的巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造及礦物成分為依據(jù)，但在工作中發(fā)現(xiàn)顯微鏡下區(qū)分細(xì)小的砂屑礦物、碳酸鹽礦物和粘土礦物種類十分困難，僅利用顯微鑒定技術(shù)對(duì)板巖進(jìn)行分類定名必然產(chǎn)生很大的誤差，這給地質(zhì)填圖及原巖恢復(fù)工作帶來了極大困難。為此在板巖巖石分類命名工作中，筆者利用X射線粉晶衍射法對(duì)22件板巖樣品進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該方法既能準(zhǔn)確鑒定出顯微鏡下不易區(qū)別的石英與長石細(xì)小碎屑物質(zhì)和碳酸鹽礦物種類，又能檢測出云母、綠泥石、蒙脫石和高嶺石鱗片狀礦物，巖石中礦物組分檢出率明顯比用顯微鏡觀察高出很多。實(shí)踐證明，只有把顯微鑒定技術(shù)與X射線粉晶衍射法有機(jī)的結(jié)合起來，才能準(zhǔn)確鑒定板巖的種類和解決定名不準(zhǔn)確的難題。

板巖；顯微鑒定；X射線；粉晶衍射

板巖是具有明顯板狀構(gòu)造特征的淺變質(zhì)巖石，由粘土巖、粉砂巖或中酸性凝灰?guī)r經(jīng)輕微變質(zhì)作用所形成。原巖因脫水，硬度增高，礦物成分基本沒有重結(jié)晶或只有部分重結(jié)晶，具變余結(jié)構(gòu)和變余構(gòu)造，外表呈致密隱晶質(zhì)（粒度＜0.1 mm），礦物顆粒很細(xì)，肉眼難以鑒別；板巖主要有粘土板巖、硅質(zhì)板巖、粉砂質(zhì)板巖、鈣質(zhì)板巖、碳質(zhì)板巖、凝灰質(zhì)板巖和斑點(diǎn)板巖7種[1]。有時(shí)在板理面上有少量絹云母、綠泥石等新生礦物，使板理面略顯絲絹光澤[2]。據(jù)最新區(qū)域地質(zhì)研究資料表明，板巖有的重結(jié)晶較強(qiáng)，新生礦物可達(dá)50%以上。板巖可按新生礦物進(jìn)一步命名：絹云板巖、綠泥板巖、綠泥絹云板巖和絹云綠泥板巖[3]。

在工作中我們發(fā)現(xiàn)板巖中碳酸鹽礦物顯微鏡下區(qū)分很困難，用稀鹽酸法或染色法區(qū)分也不準(zhǔn)確，粘土礦物、砂屑物質(zhì)、黑云母與綠泥石因顆粒細(xì)小也難以區(qū)分，這給板巖詳細(xì)定名帶來了很大困難。準(zhǔn)確鑒定板巖中細(xì)小的砂屑物質(zhì)、碳酸鹽礦物和鱗片狀礦物種類及其相對(duì)含量對(duì)于基礎(chǔ)地質(zhì)和礦產(chǎn)地質(zhì)研究是一件急需解決的課題。為了解決這一難題，課題組在遼寧省本溪、鳳城、岫巖、海城地區(qū)的江還山組、楊樹溝組、王家溝組、華子峪組、湯家溝組、高家峪組地層采集板巖樣品22件，利用X射線粉晶衍射法對(duì)樣品礦物成分進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示該方法能準(zhǔn)確鑒定板巖中細(xì)小的砂屑物質(zhì)、碳酸鹽礦物和鱗片狀礦物種類及其相對(duì)含量，為板巖準(zhǔn)確定名提供了翔實(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，解決了顯微鏡下板巖巖石定名不精確的難題。

1 板巖巖石礦物顯微鏡鑒定結(jié)果

把野外采集的22件板巖巖石樣品磨制成巖石薄片[4]，經(jīng)偏光顯微鏡鑒定，它們分別具有條帶狀構(gòu)造、板狀構(gòu)造、斑點(diǎn)狀構(gòu)造、千枚狀構(gòu)造、變余層理構(gòu)造和透鏡狀構(gòu)造，以及鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)、鱗片變晶結(jié)構(gòu)、變余砂狀結(jié)構(gòu)、變余凝灰結(jié)構(gòu)、斑狀變晶結(jié)構(gòu)和泥晶結(jié)構(gòu)。巖石中砂屑主要為長石、石英，因顆粒細(xì)小長石種類難以區(qū)分，長石砂屑和石英砂屑均為棱角狀，砂屑沒有重結(jié)晶現(xiàn)象，粒度在0.01～0.1 mm之間。凝灰質(zhì)板巖中長石砂屑和石英砂屑粒度在0.02～0.4 mm之間，砂屑粒度明顯高于傳統(tǒng)意義板巖中礦物粒級(jí)要求。堇青石板巖中堇青石斑晶粒度可達(dá)0.6 mm。鱗片狀礦物主要為絹云母和粘土礦物，絹云母多呈無色-淺黃褐色，鱗片狀，具極完全解理，平行消光，最高干涉色為二級(jí)黃；粘土礦物多呈無色，鱗片狀，一級(jí)灰干涉色。22件樣品（表1）中有4件含有方解石礦物，1件含有綠泥石礦物，4件樣品中所含的黑云母礦物，粒度小于0.1 mm，可視為絹云母。據(jù)顯微鏡下鑒定的巖石組構(gòu)特征，可把P37、P39、P40號(hào)巖石定名為千枚粉砂板巖（圖1）；b178號(hào)巖石定名為千枚狀板巖（圖2）；b167、b168、b169、b172號(hào)巖石定名為絹云粘土板巖；b76、b171、b173號(hào)巖石定名為粉砂鈣質(zhì)板巖（圖3）；b170、b175、b182、b183號(hào)巖石定名為粉砂絹云板巖；b184號(hào)巖石定名為鈣質(zhì)板巖（圖4）；b174號(hào)巖石定名為凝灰質(zhì)板巖（圖5）；b179、b180、b181號(hào)巖石定名為堇青絹云板巖（圖6）。板巖中次要礦物堇青石、金屬礦物、石墨、綠泥石是根據(jù)礦物鏡下光學(xué)特征而定[5-6]，方解石是根據(jù)閃突起、高級(jí)白干涉色等光學(xué)特征，加稀冷鹽酸劇烈起泡而定。

圖1 千枚粉砂板巖Fig.1 Phyllite silt slate

圖3 粉砂鈣質(zhì)板巖Fig.3 Silt calcium slate

圖5 凝灰質(zhì)板巖Fig.5 Tuffaceous slate

圖2 千枚狀板巖Fig.2 Phyllite slate

圖4 鈣質(zhì)板巖Fig.4 Calcium slate

圖6 堇青絹云板巖Fig.6 Calcium sericite slate

2 板巖礦物成分的X射線粉晶衍射分析方法

2.1 儀器和工作條件

儀器：德國布魯克公司生產(chǎn)的X射線粉晶衍射儀，儀器型號(hào)為：Bruker-D8；測量條件為X射線管選用銅靶，管壓為40 kV，管流40 mA，掃描范圍的2θ角為4～65°（全譜）；檢測器為閃爍計(jì)數(shù)器，DS（發(fā)散狹縫）和SS（防散射狹縫）為1.0 mm，RS（接收狹縫）為0.1 mm，步長為0.03°/步，掃描速度為0.4秒/步[7-11]。

2.2 樣品的制備與測試

把顯微鏡下鑒定為板巖的22件巖石，在碎樣間制成74 μm以下粒級(jí)粉末樣品，然后在瑪瑙缽中研磨45 μm左右，制成待測樣。22件板巖樣品在給定的測試條件下，用X射線粉晶衍射儀進(jìn)行掃描，獲得相應(yīng)巖石的X射線衍射花樣圖譜，利用全譜擬合軟件進(jìn)行礦物定性解譯和半定量分析[12-14]。

2.3 板巖樣品X射線衍射圖譜特征解譯

依據(jù)實(shí)驗(yàn)所測得的22個(gè)樣品X射線粉晶衍射圖譜特征，解譯出22個(gè)板巖樣品的巖石礦物[15-18]組成及含量（表2）。據(jù)X射線粉晶衍射半定量礦物成分分析結(jié)果結(jié)合鏡下巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造和礦物組分特征，可把b76、b171、b172、b174、b175、b176號(hào)巖石定為絹云粉砂質(zhì)板巖；b173號(hào)巖石定為綠泥鈣質(zhì)粉砂板巖；b167號(hào)、b168、b169、b184和P37號(hào)巖石定為絹云綠泥板巖；b177、b178、b179、b182、P39和P40號(hào)巖石定為綠泥絹云粉砂板巖，b170、b180、b181和b183號(hào)巖石定為堇青絹云粉砂板巖。

3 結(jié)果與討論

在22件板巖樣品顯微鏡巖石薄片鑒定法檢出21件樣品含有石英，8件樣品含有長石，2件樣品含有堇青石，21件樣品含有絹云母，4件樣品含有方解石，8件樣品含有金屬礦物，18件樣品含有粘土礦物，2件樣品含有石墨，4件樣品含有黑云母，1件樣品含有綠泥石；X射線粉晶衍射法檢出22件樣品含有石英，21件樣品含有斜長石，4件樣品含有堇青石，22件樣品含有絹云母，4件樣品含有方解石，2件樣品含有白云石，2件樣品含有金屬礦物，1件樣品含有菱鎂礦，17件樣品含有綠泥石，12件樣品含有蒙脫石。X射線粉晶衍射法在22件樣品中未檢出石墨，對(duì)絹云母還是黑云母不能有效區(qū)分。同顯微鏡巖石薄片鑒定法比較，X射線粉晶衍射法對(duì)板巖中斜長石、綠泥石檢出率高59%和73%。

表1 顯微鏡鑒定板巖巖石礦物成份含量(wB/%)Table 1 Mineral content of the slate under the microscope

表2 X射線粉晶衍射儀分析板巖巖石礦物成分統(tǒng)計(jì)(wB/%)Table 2 Analysis through X-ray powder diffraction on mineral composition of the slate

X射線粉晶衍射半定量分析結(jié)果顯示：不同類型板巖中都含有石英砂屑，除b184號(hào)樣品外，其余21件樣品也都含有斜長石砂屑；砂屑含量在22%～73%之間，巖石薄片鑒定結(jié)果中石英、長石碎屑含量估計(jì)明顯偏低；巖石中X射線粉晶衍射半定量分析出的絹云母含量遠(yuǎn)沒有顯微鏡下巖石薄片鑒定估計(jì)的高，這是因?yàn)閹r石薄片鑒定法不能有效區(qū)分鱗片狀絹云母和綠泥石所致；有5件巖石樣品含有碳酸鹽礦物，其中b173號(hào)樣品中方解石含量大于20%，其余4件樣品中碳酸鹽礦物含量小于10%。同巖石薄片鑒定法比較，X射線粉晶衍射法能鑒定板巖中細(xì)小的砂屑物質(zhì)、碳酸鹽礦物和鱗片狀礦物種類及其相對(duì)含量，克服了顯微鏡下板巖礦物及含量鑒定不準(zhǔn)的難題。

通過對(duì)巖石薄片鑒定法與XRD和顯微鑒定結(jié)合的巖石定名比對(duì)發(fā)現(xiàn)（表3）：22件樣品巖石定名都有差異，顯微鏡下定名的優(yōu)勢在于能準(zhǔn)確定出巖石構(gòu)造（如千枚狀構(gòu)造、斑點(diǎn)狀構(gòu)造）和結(jié)構(gòu)（如變余凝灰結(jié)構(gòu)，砂屑結(jié)構(gòu)），XRD與顯微鑒定結(jié)合的巖石定名優(yōu)勢在于更準(zhǔn)確體現(xiàn)出巖石中層狀硅酸鹽礦物及粉砂級(jí)碎屑物質(zhì)名稱與含量。這次研究發(fā)現(xiàn)，板巖分類定名必須把巖石薄片鑒定法與X射線粉晶衍射法結(jié)合起來，才能準(zhǔn)確鑒定板巖的名稱。

表3 顯微鏡下與X射線衍射分析巖石定名對(duì)比表Table 3 Rock name contrast between microscope and X ray diffraction analysis

4 結(jié)語

X射線粉晶衍射半定量礦物成分分析在板巖分類命名中起到關(guān)鍵作用，該方法能準(zhǔn)確區(qū)分細(xì)小的碎屑物質(zhì)及碳酸鹽礦物種類，又能檢定出絹云母、綠泥石、蒙脫石、高嶺石層狀硅酸鹽礦物種類以及在巖石中的相對(duì)含量，X射線粉晶衍射法對(duì)于板巖中細(xì)小的長石碎屑、綠泥石有更高的檢出率，為板巖原巖恢復(fù)提供了更多信息，使得板巖巖石分類命名更加準(zhǔn)確。層狀硅酸鹽礦物X射線粉晶衍射法半定量含量估計(jì)可能比實(shí)際巖石中含量高，在巖石定名時(shí)，應(yīng)與巖石薄片鑒定結(jié)果相結(jié)合，才能給出更加科學(xué)合理的板巖巖石名稱。

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Application of X-ray Powder Diffraction Method in Identification and Classification of Slate

XIAO Gang,CHI Guang-cheng,WU Yue
(Shenyang Institute of Geology and Mineral Resources,Shenyang 110032,China)

Previously,the slate identification and classification was based primarily on microscope observation of the rock structures and mineral composition.But under the microscope,it is very difficult to distinguish the species of small psammitic minerals,carbonate minerals and clay mineral.So the slate classification only through the microscopic identification technology could produce a lot of errors,which brought great difficulties in the geological mapping and protolith restoration.During the classification and slate naming,we use the X-ray powder diffraction method to verify.By contrast flake indentification to X-ray powder diffraction of 22 slate samples,it is found that X-ray powder diffraction can not only accurately identify fine detritus distinguish between quartz and feldspar and carbonate mineral species under a microscope,but also detect mica,chlorite,montmorillonite and kaolinite scaly minerals.So the detection rate of mineral components is significantly higher than that observed with a microscope.It is proved that the combination of the microscopic identification technology with X-ray powder diffraction method can accurately identify the type of slate.

slate;microscopic identification;X-ray;powder diffraction analysis;classification naming

O657.34

A

1672－4135（2013）01－0076-05

2012-08-16

國土資源部“變質(zhì)巖巖石礦物鑒定技術(shù)方法研究”項(xiàng)目（201011029-3）

肖剛（1962-），男，高級(jí)工程師，主要從事巖礦測試工作，Email：xiaogang50A20@163.com。