Лабораторные методы исследования горных пород. Рентгенографический фазовый анализ презентация

и человека «Дубна»

Дубна

Разработка и гидродинамическое моделирование нефтяных и газовых месторождений

д.т.н. Якушина Ольга Александровна

Рентгенографический фазовый анализ

методы рентгеноструктурного анализа и рентгенографического фазового анализа, а по типу объектов, используемых в эксперименте, - монокристальные и порошковые методы.
В основе всех этих методов лежит явление дифракции рентгеновских лучей на кристаллах, которые благодаря периодическому внутреннему атомному строению и соразмерности межатомных расстояний с длиной волн рентгеновского излучения являются естественными дифракционными решетками для рентгеновских лучей.

закону пространственной решетки - бесконечной совокупности эквивалентных точек, периодически повторяющихся в пространстве с помощью трех основных трансляций (a,b,c)..

решетки элементарную ячейку: параллелепипед с наименьшим объемом и векторами a, b, c, направленными вдоль координатных осей x, y, z.
Координатные оси выбирают согласно установленным правилам для определенных классов симметрии (сингоний).
Элементарная ячейка характеризуется линейными параметрами a, b, c, угловыми параметрами α, β, γ и объемом. Форма элементарной ячейки зависит от симметрии кристалла.

Атомы располагаются в элементарной ячейке по правильным системам точек, координаты и кратность которых определяются пространственной группой симметрии.
Координаты атома x, y, z задаются в долях от размера ребер элементарной ячейки.
Трехмерная постройка из регулярно повторяющихся элементарных ячеек со всем их содержимым отображает кристаллическую структуру минерала в целом.

(сеток), повторяющихся через равные промежутки d, называемые межплоскостным расстоянием. Это – семейство плоских сеток.
Ориентация семейства плоских сеток в решетке характеризуется символом (hkl) в соответствии с отрезками a/h, b/k, c/l, отсекаемыми на координатных осях ближайшей к началу координат плоскостью.

отражения n-го порядка
HKL = nh,nk,nl

определению символов семейства параллельных плоскостей

Различные плоскости в системе координат

съемки
F2HKL – структурный фактор
D – температурный фактор
A – фактор поглощения
dV – облучаемый объем вещества
Vяч – объем элементарной ячейки

fj –атомный фактор рассеяния j-го атома
xj, yj, zj – координаты j-го атома в элементарной ячейке

кристалл постоянный, но меняется длина волны (метод Лауэ),
2) длина волны постоянная, но меняется угол падения (методы вращения монокристалла, метод порошка).
В любом случае симметрия и геометрия дифракционных картин отражают симметрию и геометрию пространственной решетки кристалла, а интенсивность дифракционных максимумов –природу и взаимное расположение атомов (ионов, молекул) в кристаллическом пространстве.
Различного рода нарушения строгой периодичности в расположении атомов в кристаллической структуре приводят к изменению (уменьшению) интенсивности брэгговских дифракционных максимумов и появлению специфических эффектов, обусловленных диффузным рассеянием рентгеновксих лучей.

дифракционную картину, расположение дифракционных максимумов в которой определяется метрикой решетки, а их интенсивность – природой и распределением в кристаллическом пространстве материальных частиц (атомов, молекул, ионов).
Рентгенограмма порошка кристаллической фазы (рентгеновский дифракционный спектр) является диагностической характеристикой.
Рентгенограмма порошка полиминеральной смеси представляет собой аддитивную совокупность дифракционных спектров всех минеральных фаз, присутствующих в этой смеси.

высокодисперсных минеральных выделений
Выявление оптически неразличимых минеральных фаз, находящихся в виде разнообразных включений в других минералах
Определение минерального состава тонкодисперсных руд, горных пород и техногенных продуктов, в том числе глинистых фракций горных пород
Количественное определение минерального состава руд, горных пород, техногенных продуктов
Определение тонких структурных особенностей минеральных фаз

минеральной фазы в анализируемом объекте (свободные зерна, сростки, включения и т.п.)
Определение суммарного содержания минеральной фазы в анализируемом объекте, независимо от разнообразия ее форм нахождения

меньше 0,02-0,01 мкм.
Высокий порог обнаружения кристаллических фаз: от 0,1% до 3%, в среднем 1-2%. Для высокодисперсных фаз порог обнаружения может достигать 4-5%.
Неоднозначность диагностики кристаллической фазы, если существуют несколько различных фаз с идентичными дифракционными спектрами. Для идентификации фазы требуется дополнительная информация (например, данные элементного анализа).
Мешающим фактором для диагностики минералов в полиминеральном материале является наложение дифракционных линий разных минеральных фаз друг на друга, а также недостаточное число диагностических линий минералов с низким содержанием.

структуры
Определение ориентации кристаллов.
Определение дефектности кристаллов.
Порошковые методы
Диагностика кристаллических фаз (минералов)
Определение фазового состава материалов на качественном и количественном уровне
Определение параметров решетки
Уточнение кристаллической структуры
Определение структурных особенностей минералов (политип, изоморфные замещения, степень упорядоченности, нарушения периодичности)
Определение размера кристаллитов и микроблоков, микродеформаций
Определение формы нахождения элементов-примесей
В минералогической практике применяются, главным образом, методы порошковой рентгенографии.

поиска фазы-аналога с идентичным дифракционным спектром с помощью базы дифракционных данных. В настоящее время наиболее полной является база данных ICDD PDF-2, наиболее совершенной – PDF-4.
Для удобства сравнения интенсивность рентгеновских линий выражают в относительной 100-балльной шкале, принимая за 100 интенсивность самой сильной линии.
Рентгенографическим методом минералы идентифицируются с точностью до:
- минерального вида
- минеральной разновидности в изоморфных рядах
- минеральной группы
- структурного типа

схеме на отражение):

k- аппаратурный коэффициент
n – фактор повторяемости плоскости (HKL)
μ - коэффициент массового поглощения
ρ – плотность образца

Относительная интенсивность линий дифракционного спектра:

параметрами элементарной ячейки;
минимально допустимой величиной d=λ/2;
погасаниями отражений, обусловленными симметрией кристаллов;
наложением отражений от симметрически эквивалентных атомных плоскостей (фактор повторяемости).

форстерит

Монокл. ортоклаз

Монокл. мусковит

Трикл. микроклин

Трикл. альбит

+ брусит

Рентгенограммы серпентинов

в ряде случаев, особенно при фазовом анализе полиминеральных смесей

флюорит

уранинит

сфалерит

в минералах изоморфного ряда тремолит-актинолит

рядах магнезит-кальцит, сидерит-кальцит, родохрозит-кальцит и FeCO3 в рядах магнезит-сидерит и родохрозит сидерит

магнетит, ильменит

гетитом

минерала

Каолинит

этиленгликолем

Прокаленный при 550˚С

Хлорит+гидрослюда+кварц

М- монтмориллонит, И – иллит, С – слюда, Х – хлорит, К-каолинит, Кв - кварц, Д – диккит

этиленгликоля

линий кристаллической фазы от ее содержания в облучаемой пробе:

метод полнопрофильного анализа
- метод «добавления определяемой фазы»
- метод бинарных смесей
и др.

для фазовых количественных и полуколичественных анализов

10
Псевдорутил 28
Рутил 13
Анатаз 2
Брукит 2
Хромшпинелид 5
Монацит 1,5
Кианит 6
Силлиманит 1
Ставролит 2,5
Турмалин 4
Эпидот 3,5
Гранаты 2
Кварц 1,5
Сумма 99