基于X射線衍射分析的礦山巖體地球化學特征分析

摘要：在礦產資源開發過程中，獲取礦山巖體準確的礦物組成、元素含量及晶體結構對于高效、安全開采具有十分重要的意義。主要介紹了X射線衍射技術的基本原理及其在礦山巖體地球化學特征分析中的具體應用，包括礦物鑒定、元素組成、晶體結構分析等方面。試驗結果表明，X射線衍射圖譜可以準確識別出礦山巖體中的礦物種類、含量及其結構特征，能夠為礦山地質勘探、礦產資源評價及環境保護提供科學依據。

關鍵詞：X射線衍射分析；礦山巖體；地球化學特征；礦物組成；元素含量

中圖分類號：P575.5 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）03-00-03

Analysis of Geochemical Characteristics of Mine Rock Mass Based on X-Ray Diffraction Analysis

XIAO Wenwu

（China Building Materials Industry Geologic Exploration Center Liaoning Branch， Shenyang 110003， China）

Abstract： Obtaining accurate mineral composition， element content， and crystal structure of mining rock masses is of great significance for efficient and safe mining in the process of mineral resource development. This article mainly introduces the basic principles of X-ray diffraction technology and its specific applications in the analysis of geochemical characteristics of mining rock masses， including mineral identification， element composition， crystal structure analysis， and other aspects. The experimental results show that X-ray diffraction patterns can accurately identify the types， contents， and structural characteristics of minerals in mining rock masses， providing scientific basis for mining geological exploration， mineral resource evaluation， and environmental protection.

Keywords： X-ray diffraction analysis; mine rock; geochemical characterization; mineralogical composition; elemental content

明確礦產資源化學特征與元素組成是礦產資源勘探、開發和環境保護的基礎工作之一。X射線衍射技術能夠提供巖石和礦物的精細結構信息，揭示其礦物組成、結晶度及地球化學循環過程。隨著高分辨率衍射儀和定量分析軟件的不斷發展，X射線衍射技術的精度和效率持續提高，成為研究礦山巖體元素組成與化學特征的重要手段。分析X射線衍射技術的機理和實際應用，可以揭示礦山巖體的礦物組成、元素分布及其地球化學特征，為礦產資源開發提供數據支持。

1 X射線衍射分析方法機理

X射線衍射分析是一種物理分析方法，主要利用X射線照射結晶性物質產生的衍射現象來分析物質的晶體結構、物相、殘余應力等特性[1]。其中，X射線可認為是一種波長極短的電磁波，穿透力強，具有波粒二象性，當X射線照射物質時，物質中的原子或分子發生散射、吸收和透射等現象[2]。X射線在遇到障礙物或通過空洞時，波前會受到干擾，使得波在傳播方向上發生彎曲和散布，該現象被稱為衍射現象[3]。

通過測量入射角可計算出晶體內部相鄰晶面間距，從而了解晶體內部的原子、離子排列狀態[4]。

X射線衍射層析成像的目的是表征待測樣品內部的晶粒，主要包括6個晶格參數和晶體學取向，從而確定唯一晶格，最終確定待測樣品的物質成分。經典X射線衍射層析成像裝置如圖1所示，其基本原理與同步輻射顯微計算機斷層掃描（Computed Tomography，CT）裝置類似，主要是發射單束平行單色的X射線，并通過具有約束作用的窄縫，隨后對樣品進行照射，照射主要集中在樣品的一個層面，并將其反射在檢測器上，最終得到相應的成果[5]。其中，窄縫約束的作用主要是減少樣品內部晶體被照射的數量，降低衍射斑重疊效應對最終測試結果的影響，測試過程中常采用光束追蹤的思路確定晶格的位置信息，還需要按照一定規律旋轉樣品，以模擬三維探測器，使獲取的樣品信息更加全面和完整，便于后續分析[6]。

2 案例分析

2.1 研究背景

某金屬礦區為典型熱液成因金屬礦床，該礦區的成礦元素包括銅、鐵、塢、鉛等金屬，礦區內巖石主要有次英安斑巖和花崗閃長斑巖等巖漿巖以及砂巖、頁巖等，其中，砂巖、頁巖為主要含礦巖層。為進一步明確礦區內礦產資源情況，需分析斷層剖面的相關填充物，以明確礦區巖體礦化作用與構造作用之間的關系，指導礦產資源的開發。本研究在該礦區的3個斷層剖面中采集9個樣品，采樣編號與類型如表1所示，并使用X射線衍射分析方法分析巖體礦物成分。

2.2 測試過程

測試選用TD-3500型X射線衍射儀，發散狹縫為1.5 mm，接收狹縫為0.8 mm，角度為10°～90°，步進寬度為0.03°，采樣時間為0.5 s，管電壓為30 kV，管電流為20 mA。試驗過程中設備掃描模式為連續掃描，采取雙軸聯動的驅動方式。采用MID jade 6.5軟件進行圖譜物相分析。除X射線衍射儀外，試驗儀器還包括干燥箱、振動磨、壓樣機等輔助設備。

在獲取樣品后，將樣品進行粉碎并過孔徑為74 μm的篩網，于60 ℃烘箱中烘干1 d后冷卻保存，運輸回實驗室。在實驗室中，先對獲取的樣品進行統一編號，隨后取出樣品在帶有鼓風機的干燥箱中以105 ℃的烘干條件連續烘干24 h以上，確保樣品處于恒重狀態。為確保試驗過程的準確性和合理性，采用四分法縮分烘干后的樣品，并使用碾磨設備碾磨樣品，確保樣品直徑在45 μm以內，隨后繼續將樣品在烘干箱中烘干2 h以上。試驗時，取出4.00 g巖石樣品加入硼酸，并將其放入壓樣機，以300 kN的壓力持續壓樣，確保樣品表面光滑平整，并呈現餅狀。

在進行測試時，先打開X射線衍射儀的循環冷卻水機，并確保設備溫度在合理范圍內，再打開X射線衍射儀的主機電源，進入X射線衍射試驗操作系統，連接主要儀器設備，將電壓設置為10 kV，電流設置為2 mA，打開高壓預設X射線管，待X射線管達到預定溫度或加壓預熱10 min后，關閉高壓開關，等待指示燈全部變成綠色后方可進行樣品測試。選取制好的餅狀樣品放在設備樣品室的中心位置，檢查樣品安放是否正確，關閉設備防護門，在點擊操作面板中的開始鍵，待相應位置紅燈亮起時設備防護門鎖緊，按照試驗要求設置測試參數，并點擊樣品掃描按鍵即可開始掃描。依此對試驗樣品進行測試，單個樣品設置平行試樣，以確保試驗結果的準確性。

2.3 測試結果

測試完成后，使用相應的數據處理軟件處理試驗數據，其中斷層2-2中圍巖和礦石樣品的X射線衍射圖譜如圖2所示。由圖2可知，本礦區內圍巖中主要的成分包括石榴石、白云母、石英、方解石、錳鋁綠泥石以及高嶺石，而礦石中的主要成分包括白云母、石英、錳鋁綠泥石以及黃鐵礦等。

根據相關規范要求，針對X射線衍射分析方法中的定量分析工作的質量要求，結合工程實際對于礦石成分分析結果的要求，本工程中絕對誤差應需控制在5%以內。為進一步驗證X射線衍射分析方法的準確性，對礦石部分進行化學分析，對比結果如表2所示。針對礦石礦物成分，X射線衍射方法與化學分析方法的誤差均在合理范圍內。其中，黃鐵礦最大誤差為2.3%，最小誤差為1.0%；石英最大誤差為4.6%，最小誤差為3.6%；白云母最大誤差為1.7%，最小誤差為0.3%，絕對誤差均滿足相關規范要求，進一步論證了X射線衍射分析方法能夠在礦產資源開發利用中應用。

3 結論

深入研究了X射線衍射分析技術的作用機理，并分析了礦山不同位置所采集的巖體樣品，得到了礦區不同巖體的礦物組成和元素含量，并利用化學分析方法評價了X射線衍射分析技術的準確性。評價結果表明，X射線衍射分析技術的誤差最大為4.6%，最小為0.3%，均在合理范圍內。研究內容擴寬了礦產資源地球化學特征分析手段，可為相關工作提供借鑒。

參考文獻

1 彭俊峰，劉 沖，黃向勝，等.X射線衍射在南海西部油田D1井成巖中的應用[J].石化技術，2024（11）：253-255.

2 馬宏偉，李 暉.粉末X射線衍射法解析晶體結構的三種常用方法簡介[J].大學化學，2024（3）：94-102.

3 李 烴，沈 維，易志偉，等.基于X射線衍射指紋圖譜技術的進口鐵礦固廢屬性快速鑒別探究[J].冶金分析，2024（10）：38-44.

4 金 一，安 帥，劉 欣，等.基于X射線熒光光譜-X射線衍射技術的泥土物證分析與區域分類鑒別研究[J].巖礦測試，2024（5）：744-754.

5 劉 斐，王風麗，王 新，等.基于雙能X射線透射成像與能量色散衍射的物質分類與識別虛擬仿真實驗[J].實驗室研究與探索，2024（8）：35-40.

6 劉忠梅，周安梁.X射線衍射法快速測定銅精礦礦物組分的試驗研究[J].中國資源綜合利用，2024（5）：28-32.