X射線粉晶衍射儀測(cè)定螢石晶胞參數(shù)

遲廣成，肖剛，伍月

（沈陽(yáng)地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，遼寧沈陽(yáng) 110032）

X射線粉晶衍射儀測(cè)定螢石晶胞參數(shù)

遲廣成，肖剛，伍月

（沈陽(yáng)地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，遼寧沈陽(yáng) 110032）

利用X射線粉晶衍射儀對(duì)純螢石礦物進(jìn)行全譜掃描，在確定螢石礦物衍射5強(qiáng)峰基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確標(biāo)出螢石5強(qiáng)峰相應(yīng)的d值，按2θ角值由大到小的順序排成縱行，計(jì)算出不同d值的1/d2值，用1/d2值最小一條線的值去除其余各條線的1/d2值，得出的數(shù)值D仍依次排列；據(jù)D值小數(shù)部分是0.36或0.68數(shù)值，推斷實(shí)驗(yàn)所測(cè)螢石低角度的第一條線是{111}網(wǎng)面衍射產(chǎn)生的，其相應(yīng)的h2+k2+l2值為3，以第一條線h2+k2+l2值3分別乘以其余各條線的D值，得出的數(shù)據(jù)h2+k2+l2值仍依次排列，分別為8.04，11.04，16.08和19.08，由于測(cè)量的誤差，舍去小數(shù)點(diǎn)后數(shù)據(jù)，保留整數(shù)位，即可得到相應(yīng)的h2+k2+l2值3、8、11、16和19，據(jù)h2+k2+l2值查出相應(yīng)網(wǎng)面指數(shù)為{111}、{220}、{311}、{400}和{331}，根據(jù)晶胞參數(shù)公式：a=d(hkl)(h2+k2+l2)1/2計(jì)算出螢石晶胞參數(shù)值為0.546 nm。

X射線衍射；螢石衍射圖譜；指標(biāo)化；晶胞參數(shù)

自然界中螢石礦物有多種成因和多種顏色，無(wú)色者極少，常呈黃、綠、藍(lán)、紫、紅等顏色。當(dāng)加熱時(shí)，其色可退，受倫琴射線照射后又可恢復(fù)顏色。無(wú)色透明晶體可因金屬鈣蒸氣的作用和放電作用而顯紫色，這可能是由于晶體結(jié)構(gòu)中有中性Ca和F原子出現(xiàn)而引起。引起螢石礦物顏色多變的原因是復(fù)雜的，晶體缺陷、包裹體、混入物（如暗紫色者含Sr量增多）均能引起不同顏色。有人認(rèn)為螢石顏色與成礦溫度有關(guān)，紫色者形成溫度高，淡藍(lán)色者形成溫度次之，二者均與W、Sn、Mo礦床有關(guān)，而綠色者形成溫度較低，與硫化礦床有關(guān)[1]。螢石礦物顏色與其晶胞參數(shù)大小是否有關(guān)？為了研究這一課題，很多地學(xué)工作者希望通過(guò)測(cè)試不同顏色的螢石晶胞參數(shù)找到答案。如何利用X射線粉晶衍射儀測(cè)得準(zhǔn)確的螢石晶胞參數(shù)值？本次實(shí)驗(yàn)首先挑選不同產(chǎn)地和顏色變質(zhì)熱液成因的螢石礦物純樣，然后把不同顏色螢石純樣磨制至45μm左右，壓制成待測(cè)樣，在設(shè)定的測(cè)試條件下對(duì)不同顏色螢石純樣進(jìn)行X射線粉晶衍射掃描，對(duì)所得到的純螢石X射線粉晶衍射圖譜進(jìn)行指標(biāo)化，根據(jù)指標(biāo)化結(jié)果，計(jì)算出螢石礦物的晶胞參數(shù)值。實(shí)驗(yàn)首次利用螢石{111}、{220}、{311}、{400}和{331}面網(wǎng)分別計(jì)算螢石的晶胞參數(shù)值并加以比對(duì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用X射線粉晶衍射儀可以精確測(cè)定不同顏色螢石晶胞參數(shù)，所測(cè)得的螢石晶胞參數(shù)誤差均在允許范圍內(nèi)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和測(cè)量條件

儀器：德國(guó)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(cè)量條件：X射線管選用銅靶，管壓為40 kV，管流40 mA，掃描范圍為2θ角為5～65°；檢測(cè)器為固體探測(cè)器（XOL-D），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(zhǎng)為0.02°/步，掃描速度為0.4秒/步[2]。

1.2 測(cè)試樣品的制備

把要測(cè)的螢石樣品進(jìn)行粗碎，在實(shí)體顯微鏡下挑選純凈的螢石礦物，每件樣品3克，在瑪瑙缽中研磨至45μm左右，用制樣盤(pán)制成待測(cè)樣。

1.3 計(jì)算公式

螢石化學(xué)分子式為CaF2，化學(xué)組成為Ca51.1，F(xiàn) 48.9，等軸晶系，面心格子，C5-Fm3m；a0=0.545 nm；Z=4，鈣離子分布在立方晶胞的角頂和面中心，如果將晶胞分為八個(gè)小立方體，則每一立方體之中心為F-1所占據(jù)，配位數(shù)Ca=8，F(xiàn)=4。據(jù)晶格常數(shù)和面

網(wǎng)間距的關(guān)系，可推導(dǎo)出螢石礦物的晶胞參數(shù)計(jì)算式（1）[3]。

d為網(wǎng)面間距，是指一組平行的面網(wǎng)中相鄰面網(wǎng)之間的垂直距離，它決定于晶格參數(shù)（a、b、c，α、β、γ）和晶面符號(hào)｛h k l｝；h、k、l為一晶面在X、Y、Z軸上截距系數(shù)倒數(shù)比即面網(wǎng)指數(shù)。

2 樣品測(cè)試

將純凈的螢石礦物樣品在給定的測(cè)試條件下，用X射線粉晶衍射儀進(jìn)行掃描測(cè)試，在確定螢石礦物物相的基礎(chǔ)上[4]，對(duì)所測(cè)得的螢石礦物樣品X射線衍射峰的5強(qiáng)峰的d值進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定（表1）。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)的計(jì)算與討論

3.1 螢石礦物的面網(wǎng)指標(biāo)化

計(jì)算螢石晶胞參數(shù)方法[5]：1）按2θ角值由大到小的順序排成縱行，并計(jì)算出不同d值的1/d2值。2）用1/d2值最小一條線的值去除其余各條線的1/d2值，得出的數(shù)值D仍依次排列。3）等軸晶系礦物D值大致有四種情況：（a）如果D值大部分（或全部）都是整數(shù)時(shí)，低角度的第一條線是{100}網(wǎng)面的衍射線；（b）如果D值只有一小部分是整數(shù)，其余的D值小數(shù)部分是0.5時(shí)，低角度的第一條線是{110}網(wǎng)面的衍射線；（c）如果D值小數(shù)部分是0.33或0.67時(shí)，低角度的第一條線是{111}網(wǎng)面的衍射線；（d）如果D值小數(shù)部分是0.25、0.50或0.75時(shí)，低角度的第一條線是{220}網(wǎng)面的衍射線；表1中數(shù)值顯示所測(cè)螢石計(jì)算的D值情況基本符合（c），即螢石低角度的第一條線是{111}網(wǎng)面衍射產(chǎn)生的，其相應(yīng)的h2+k2+l2值為3。4）以第一條線h2+k2+l2值3分別乘以其余各條線的D值，得出的數(shù)據(jù)h2+k2+l2值仍依次排列，分別為8.04，11.04，16.08和19.08，由于測(cè)量的誤差，舍去小數(shù)點(diǎn)后數(shù)據(jù)，保留整數(shù)位，即可得到相應(yīng)的h2+k2+l2值為3、8、11、16和19。5）據(jù)h2+k2+l2值查出相應(yīng)網(wǎng)面指數(shù)為{111}、{220}、{311}、{400}和{331}。6）根據(jù)式（1）計(jì)算出螢石晶胞參數(shù)值為0.546 nm（表1）。

表1 螢石粉末X射線衍射數(shù)據(jù)指標(biāo)化Table 1 X-ray diffraction data index of the fluorite powder

3.2 計(jì)算的晶胞參數(shù)討論

不同樣品螢石礦物計(jì)算出的晶胞參數(shù)值略有不同（表2），本次實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的17個(gè)螢石礦物樣品，據(jù)所計(jì)算的晶胞參數(shù)值，可將樣品劃分為1～5號(hào)、6～7號(hào)、8～11號(hào)、12～15號(hào)和16～17號(hào)5類，每種類型{111}、{220}、{311}、{400}和{331}面網(wǎng)計(jì)算出的晶胞參數(shù)值基本相同。

所測(cè)的17個(gè)螢石礦物晶胞參數(shù)值表明，不同螢石礦物樣品相同面網(wǎng)計(jì)算出的晶胞參數(shù)值略有不同，17個(gè)測(cè)試樣品，以{111}面對(duì)應(yīng)計(jì)算出螢石晶胞參數(shù)值為基準(zhǔn)，可劃分1～7號(hào)（0.545581± 0.000002）、8～15號(hào)（0.546149±0.000001）和16～17號(hào)（0.546611±0.000001）3類；以{220}面對(duì)應(yīng)計(jì)算出螢石晶胞參數(shù)值為基準(zhǔn)，可劃分1～11號(hào)（0.546064±0.000002）號(hào)和12～17號(hào)（0.546393± 0.000001）兩類；以{311}面對(duì)應(yīng)計(jì)算出螢石晶胞參數(shù)值為基準(zhǔn)，可劃分1～5號(hào)（0.546080±0.000002）、6～15號(hào)（0.546337±0.000001）和16～17號(hào)（0.546512±0.000001）3類；以{400}面對(duì)應(yīng)計(jì)算出螢石晶胞參數(shù)值為基準(zhǔn)，可歸為1類（1～17號(hào)0.546352±0.000003）；以{331}面對(duì)應(yīng)計(jì)算出螢石晶胞參數(shù)值為基準(zhǔn)，可劃分1～11號(hào)（0.546229± 0.000002）和12～17號(hào)（0.546413±0.000001）兩類。

實(shí)驗(yàn)所測(cè)試的不同螢石晶格網(wǎng)面衍射強(qiáng)度數(shù)據(jù)表明，螢石礦物{111}面網(wǎng)X射線衍射強(qiáng)度最強(qiáng)，{220}面網(wǎng)次之，{311}面網(wǎng)、{400}面網(wǎng)和{331}面網(wǎng)X射線衍射強(qiáng)度依次減弱。

螢石礦物X射線粉晶衍射法晶胞參數(shù)的測(cè)試是

用步進(jìn)掃描進(jìn)行的，掃描圖譜衍射峰d值的標(biāo)定，是采取手動(dòng)完成，一律把d值標(biāo)在衍射峰最高線段的中間位置，所標(biāo)d值與螢石PDF卡中螢石d值誤差小于0.002，不影響螢石晶胞參數(shù)的計(jì)算。螢石樣品中有時(shí)含有0.5%～5%左右石英、方解石或重晶石等礦物，這幾種礦物的衍射峰與所測(cè)螢石礦物衍射峰不重疊，不影響螢石衍射峰d值的測(cè)定。

實(shí)驗(yàn)所測(cè)的螢石礦物X射線粉晶衍射圖譜，Kα1線衍射峰和Kα2線衍射峰僅在低角度28.3°±有時(shí)分峰不好，其余較高角度Kα1線衍射峰和Kα2線衍射峰分峰效果良好，所測(cè)d值的精度可達(dá)萬(wàn)分之二[6]。

表2 螢石礦物不同網(wǎng)面計(jì)算晶胞參數(shù)表Table 2 Cell parameters calculating diagram of the fluorite mineral on different network surface

4 結(jié)語(yǔ)

在螢石礦物X射線粉晶衍射數(shù)據(jù)指標(biāo)化過(guò)程中，1/d2值和D值都只保留三位有效數(shù)據(jù)，計(jì)算出的螢石礦物晶胞參數(shù)值均保留3位有效數(shù)據(jù)[7]，晶胞參數(shù)數(shù)據(jù)可近似為0.546 nm，雖然17個(gè)樣品不同網(wǎng)面所求的晶胞參數(shù)值有所差異，但所測(cè)的晶胞參數(shù)值范圍都在0.5456～0.5466 nm之間，不同網(wǎng)面所求得的晶胞參數(shù)值平均差在-0.00097和+ 0.00057之間，基本上不影響所測(cè)樣品的晶胞參數(shù)值的準(zhǔn)確性，相對(duì)于X射線粉晶衍射儀掃描數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性[8]，該結(jié)果令人比較滿意。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，螢石礦物顏色與其晶胞參數(shù)大小沒(méi)有明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。

[1]潘兆櫓.結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社,1985，257-258.

[2]劉粵惠，劉平安.X射線衍射分析原理與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003，72-77.

[3]彭志忠.X射線分析簡(jiǎn)明教程[M].北京：地質(zhì)出版社, 1982，1-196.

[4]遼寧省地質(zhì)局.礦物X射線鑒定表[M].北京：地質(zhì)出版社, 1977，307.

[5]李樹(shù)堂.X射線衍射實(shí)驗(yàn)方法[M].北京：冶金工業(yè)出版社, 1993，50-128.

[6]Jenkins R.Adrances in X-ray Analysis[M]].Plenum Press.1980，270-279.

[7]張?jiān)旅?、傅平秋?礦物X射線粉晶鑒定手冊(cè)[M].北京：科學(xué)出版社,1978，59.

[8]葉大年.X射線粉末法及其在巖石學(xué)中的應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社,1984，76-128

Detecting of Fluorite Crystal Cell Parameters by X-ray Powder Diffraction

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

The pure fluorites were full spectrum scanned by the X-ray powder diffractometer.On the basis of top 5 strong diffraction peaks of the fluorites,the values of the peaks can be accurately marked.The values of the angle 2θ were arranged in descending longitudinal,which could calculate the 1/d2values of different d values.The value of the minimum line of the 1/d2value divided by the 1/d2values of the remaining lines,with the result value D still lining;According to the decimal part of D value is 0.36 or 0.68,it’s deduced that the first line of the fluorite low angle is surface{111}diffraction,and its corresponding h2+k2+l2value is 3.The value 3 of the first line h2+k2+l2multiplied by D values of the remaining lines respectively.The results of h2+k2+l2values were still lined,such as 8.04,11.04,16.08 and 19.08.Due to the error of measuring,abandoning the data after the decimal point,keeping integer bits,it can be obtained the corresponding h2+k2+l2values,as 3、8、11、16 and 19. According to h2+k2+l2values,it could be obtained the corresponding net surface index,as{111},{220},{311}, {400}and{331}.According to the crystal cell parameters formula:a=d(hkl)(h2+k2+l2)1/2,it could be calculated the value of crystal cell parameters,0.546 nm.

X-ray diffraction;fluorite diffraction pattern;index;cell parameters

P575.7

A

1672－4135（2013）04－0077-04

2013-08-03

國(guó)土資源部“變質(zhì)巖巖石礦物鑒定檢測(cè)技術(shù)方法研究”項(xiàng)目（201011029-3）

遲廣成（1964-），男，高級(jí)工程師，從事巖礦測(cè)試工作，E-mail:chiguangcheng@126.com。