The Application of X-ray Powder Diffraction to Marble Definition and Classification
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摘要:
大理岩主要有方解石大理岩、白云石大理岩和菱镁矿大理岩三种。以往大理岩是依据偏光显微镜下观察岩石结构构造及矿物成分进行分类定名，由于方解石、白云石、菱镁矿都属于三方晶系，具有闪突起、高级白干涉色、一轴晶负光性和菱形解理等相同晶体光学特征，偏光显微镜下区分十分困难。为了准确鉴定大理岩中碳酸盐矿物种类及其相对含量，本文利用岩石薄片偏光显微镜和X射线粉晶衍射技术对32件大理岩岩石样品进行分析测试。岩石薄片鉴定结果表明：大理岩造岩矿物主要有方解石、白云石、菱镁矿、石英、斜长石、白云母、黑云母、绿泥石、黏土和金属矿物。根据岩石结构构造及矿物组分特征，可把32件大理岩样品划分为方解石大理岩、长英质方解石大理岩、石英绿泥白云石大理岩、白云石大理岩、云英质白云石大理岩和菱镁矿大理岩等15个类型。X射线粉晶衍射分析表明：大理岩造岩矿物主要有方解石、白云石、菱镁矿、石英、斜长石、钾长石、云母、绿泥石、滑石和蒙脱石。综合分析认为：岩石薄片偏光显微镜鉴定技术很难区分方解石、白云石和菱镁矿等碳酸盐矿物，以及细小的石英、钾长石和斜长石、滑石和白云母等鳞片状硅酸盐矿物；X射线粉晶衍射分析技术不仅能准确检测出大理岩中方解石、白云石和菱镁矿等碳酸盐矿物种类及相对含量（方解石、白云石和菱镁矿的X射线衍射主峰有明显差异，d值分别为0.303 nm、0.288 nm和0.274 nm），而且能够有效鉴别岩石中粉砂级斜长石、钾长石与石英（三种矿物的X射线衍射主峰d值分别为0.319 nm、0.324 nm、0.334 nm）；且能区分蒙脱石、绿泥石、云母和滑石等层状硅酸盐矿物（四种硅酸盐矿物的X射线衍射主峰d值分别为1.400 nm、0.705 nm、0.989 nm、0.938 nm）。综合岩石薄片偏光显微镜鉴定和X射线粉晶衍射分析结果，最终确定32件大理岩样品划分为22个岩石类型。研究认为：仅根据岩石薄片偏光显微镜鉴定或X射线粉晶衍射技术其中一种方法不能准确鉴定大理岩岩石，应将大理岩岩石野外观察、岩石薄片鉴定和X射线粉晶衍射技术结合起来，才能准确确定大理岩岩石类型。
Abstract:Marble primarily consists of three types: calcite, dolomite and magnesite. Marble classification is based mainly on the structures and mineral compositions seen under the microscope. It is very difficult to determine calcite, dolomite and magnesite under the microscope because each type has the same crystal optical characteristics, such as flash protrusions, senior white interference color, uniaxial optical negative and rhomboid cleavage, which belong to the triclinic system. In order to identify the mineral types and the relative content of the carbonate in marble accurately, 32 marble samples were tested with microscope and X-ray Powder Diffraction using semi-quantitative analysis technology. The identification of thin section results showed that: Marble rock-forming minerals are calcite, dolomite, magnesite, quartz, plagioclase, muscovite, biotite, chlorite, clays minerals and metal ores. According to the characteristics of the rock structure and the mineral components, 32 marbles can be divided into calcite marble, felsic calcite marble, quartz chlorite dolomite marble, dolomite marble, mica-felsic dolomite marble, magnesite marble and other 15 types. The X-ray Powder Diffraction semi-quantitative analysis results showed that: the marble rock-forming minerals are calcite, dolomite, magnesite, quartz, plagioclase, K-feldspar, mica, chlorite, talc and montmorillonite. Comprehensive analysis showed: it's difficult to distinguish calcite, dolomite and magnesite and other carbonate minerals, and tiny quartz, K-feldspar and plagioclase, muscovite and other scaly talc silicate minerals by thin section with microscope identification technology. X-ray Powder Diffraction semi-quantitative analysis technique can not only accurately detect the type and relative content of calcite, dolomite, magnesite, and other carbonate minerals, (D values of dolomite, calcite and magnesite, the major X-ray Diffraction peak, were 0.303 nm, 0.288 nm and 0.274 nm), but also identify effectively the rock silt plagioclase, feldspar and quartz with D values of respectively 0.319 nm 0.324 nm and 0.334 nm; and identify montmorillonite, chlorite, mica, talc and other layered silicate minerals with D values of respectively 1.400 nm, 0.705 nm, 0.989 nm and 0.938 nm. The application of X-ray Powder Diffraction semi-quantitative analysis techniques is a breakthrough on marble mineral identification technology. According to comprehensive results of thin section under polarizing microscope identification and X-ray Powder Diffraction analysis, 32 marble samples are divided into 22 kinds of rock types eventually. The study showed that using microscope or X-ray Powder Diffraction identification technology separately is insufficient for accurately identifying marble rocks. Both techniques should be combined with field observation, to identify accurately the marble type.
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表 1 大理岩主要造岩矿物基本光学特征
Table 1. The main optical characteristics of the rock-forming minerals for marble rocks
矿物特性 方解石 白云石 菱镁矿 石英 斜长石 绿泥石 黑云母 白云母 化学成分 Ca[CO3] CaMg[CO3] Mg[CO3] SiO2 CaAlSi3O8 - - - 晶系 三方 三方 三方 三方 三斜 单斜 单斜 单斜 颜色 无-白 白-暗褐 黄-灰白 无色 无色 无-黄绿 褐-浅黄 无色 形态 柱、板片 粒-块状 粒-土状 粒状 柱状 鳞片 叶片状 叶片状 解理 三组完全 三组完全 三组完全 无 两组完全 一组完全 一组极完全 光性 一轴(-) 一轴(-) 一轴(-) 一轴(+) 二轴晶(+) 二轴晶(-) 二轴晶(-) 二轴晶(-) 突起 闪突起 闪突起 闪突起 正低 正-负低 正低-中 正中 弱闪突 干涉色 高级白 高级白 高级白 Ⅰ级黄白 Ⅰ级灰 Ⅰ级灰 Ⅱ~Ⅳ级 Ⅱ~Ⅳ级 标志特征 {0112}双晶 {0221}双晶 - 波状消光 聚片双晶 异常干涉色 平行消光 鸟眼消光 加稀盐酸 剧烈起泡 不剧烈起泡 粉末无泡 不起泡 不起泡 不起泡 不起泡 不起泡 
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表 2 大理岩岩石薄片检测定名及矿物组分特征
Table 2. The detected name and mineral characteristics of the marbles with microscopic identification
样品编号 岩石类型 样品件数 矿物组分及含量(%) 方解石 石英 斜长石 黏土 白云母 金属矿物 b26、b27、b28、b31、b32、b45、P142 方解石大理岩 7 94~99 0~5 - - < 1 0~3 P139、P144 条带状含石英大理岩 2 90~94 2~5 - - 2~4 1 P96 云英质大理岩 1 70 20 - - 7 3 P141 石英方解石大理岩 1 75 20 - - 4 1 b43 长英质大理岩 1 60 20 18 - - 2 P140 硅砂泥质大理岩 1 62 16 - 18 4 - 样品编号 岩石类型 样品件数 菱镁矿 石英 P77 菱镁矿大理岩 1 97 3 样品编号 岩石类型 样品件数 白云石 石英 白云母 绿泥石 P154、P155 含云石英白云石大理岩 2 70~75 18~25 5~7 0~10 P156 石英绿泥白云石大理岩 1 75 15 - 10 P197 含石英绿泥白云石大理岩 1 90 5 - 5 P196 石英白云石大理岩 1 85 15 - - 样品编号 岩石类型 样品件数 白云石 石英 白云母 金属矿物 绿泥石 黑云母 b33、b34、b35、b46、b47、P79、P80 白云石大理岩 7 94~98 0~3 0~3 0~4 0~3 0~3 P95、P152、P153 云英质白云石大理岩 3 50~70 15~30 15~20 0~5 0~5 - P94、P198 含石英白云石大理岩 2 90~95 5~7 0~2 0~1 - - b40 含云母白云石大理岩 1 80 1 10 4 - 5 注：P号样品采集于辽中南地区，b号样品采集于辽东地区。
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表 3 大理岩主要造岩矿物X射线衍射图谱基本特征
Table 3. The basic characteristics of X-ray diffraction pattern for main rock-forming minerals of marble
矿物 大理岩造岩矿物X射线衍射图谱8个强衍射峰d值及相对强度I值 方解石 I 10 4 5 5 6 5 4 5 d 0.3030 0.2490 0.2280 0.2100 0.1905 0.1873 0.1417 0.1045 白云石 I 10 4 7 4 7 7 4 5 d 0.2880 0.2670 0.2190 0.2013 0.1808 0.1785 0.1387 0.1112 菱镁矿 I 10 4 8 4 7 4 4 6 d 0.2740 0.2510 0.2100 0.1942 0.1702 0.1407 0.1355 0.1069 石英 I 8 10 8 7 6 7 6 6 d 0.4290 0.3340 0.1819 0.1543 0.1383 0.1373 0.1182 0.1082 斜长石 I 6 6 4 4 10 5 5 6 d 0.4030 0.3750 0.3490 0.3360 0.3190 0.3180 0.2930 0.2520 钾长石 I 6 7 5 6 10 6 5 9 d 0.4210 0.3770 0.3460 0.3330 0.3240 0.2995 0.2570 0.1795 云母 I 10 6 7 5 10 5 8 7 d 0.9890 0.4930 0.4430 0.3460 0.3310 0.2972 0.2548 0.1984 滑石 I 10 5 4 10 4 7 4 7 d 0.9380 0.4710 0.4530 0.3120 0.2610 0.2480 0.1873 0.1530 绿泥石 I 10 8 9 6 8 6 5 5 d 0.7050 0.4760 0.3550 0.2660 0.2400 0.2020 0.1670 0.1550 蒙脱石 I 10 7 4 6 4 4 4 7 d 1.400 0.4450 0.3080 0.2550 0.2480 0.1690 0.1645 0.1492 注：d为矿物晶格间距(单位：nm)，I为晶面衍射相对强度。
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表 4 大理岩X射线粉晶衍射分析矿物成分含量
Table 4. The mineral compositions of the marble by X-ray diffraction analysis
XRD+岩石薄片鉴定32件大理岩岩石分类 样品件数 矿物组分含量(%) 方解石 白云石 石英 云母 滑石 钾长石 斜长石 绿泥石 蒙脱石 大理岩 4 90.6~97.9 0~2.7 0.7~4.1 0~0.9 - - - - 1.3~4.2 含白云石大理岩 1 81.5 10.0 4.6 - - - - - 4.0 含绿泥石大理岩 1 88.6 1.3 1.4 - 3.1 - - 5.6 - 白云石长英大理岩 1 51.8 12.0 11.8 2.9 - - 17.7 1.3 2.5 白云石云母大理岩 1 70.4 11.0 4.6 10.9 - - - - 3.1 云母白云石长英大理岩 1 53.4 12.4 15.0 9.4 - 5.4 2.0 - 2.5 含石英白云质大理岩 1 63.5 15.8 8.8 3.9 - 4.3 - - 3.7 云英白云质大理岩 2 30.4~48.0 16.9~19.5 17.4~39.1 9.0~13.5 - 0~2.9 - - 0~3.2 钙质粉砂岩 2 9.0~37.3 6.8~16.4 22.5~38.6 10.8~16.1 - 16.3~20.6 2.0~3.5 - 绿泥钙质粉砂岩 2 - 25.1~35.4 27.4~28.4 12.7~21.8 - 8.6~15.9 0~1.4 5.8~17.5 - 白云石大理岩 1 1.0 88.9 1.5 0.9 2.8 - 2.5 - 2.5 含云母白云石大理岩 2 0~1.1 82.9~92.3 - 5.8~10.9 - - 1.8~1.9 - 0~3.5 含石英白云石大理岩 3 - 81.9~87.4 5.8~8.0 0~4.0 0~5.4 - 1.5~4.2 0~4.4 0~4.8 含滑石石英白云石大理岩 1 - 81.9 6.4 - 5.4 - 1.5 - 4.8 方解滑云白云石大理岩 2 6.5~9.6 64.3~70.7 - 8.9~14.2 7.6~9.5 - 1.3~1.9 1.8~3.6 云母长英白云石大理岩 1 - 59.8 16.2 7.9 - 16.2 - - - 云英白云石大理岩 1 - 71.6 15.4 10.4 - - 2.6 - - 绿泥云英白云石大理岩 1 - 64.1 14.0 10.8 - - - 11.1 - 滑石白云石大理岩 1 4.9 78.0 - 3.2 11.0 - 1.4 - 1.5 大理岩岩石分类 样品件数 方解石 白云石 石英 菱镁矿 滑石 钾长石 斜长石 绿泥石 蒙脱石 菱镁矿大理岩 1 0.7 0.5 1.0 90.6 3.4 - - 3.8 - 滑石菱镁矿大理岩 1 0.7 0.3 1.2 81.5 16.4 - - - - 绿泥滑石菱镁矿大理岩 1 0.8 0.6 0.8 85.8 6.7 - - 5.4 -
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表 5 大理岩X射线粉晶衍射与岩石薄片鉴定检出矿物结果比对
Table 5. The identified minerals of marble detected by X-ray diffraction and rock microscopic identification
比对参数 石英 方解石 云母 白云石 斜长石 菱镁矿 绿泥石 蒙脱石 滑石 钾长石 X射线衍射检出数 27 22 21 31 16 3 11 17 9 6 岩石薄片检出数 28 13 21 18 1 1 5 1 0 0 二者检出率差值 -3.1% 31.1% 0 37.5% 46.9% 6.3% 18.8% 50.0% 28.1% 18.7% 二者检出符合数 23 13 18 16 1 1 5 1 0 0 二者检出符合率 85% 59% 86% 52% 6% 33% 45% 6% 0 0
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表 6 32件大理岩岩石薄片定名与XRD+岩石薄片定名对比
Table 6. Comparison of mineral names of 32 marbles with microscopic identification and X-ray diffraction+microscopic identification
样品编号 大理岩岩石分类 样品编号 大理岩岩石分类 岩石薄片鉴定 XRD+岩石薄片鉴定 岩石薄片鉴定 XRD+岩石薄片鉴定 b26 大理岩 大理岩 P94 含石英白云石大理岩 含石英白云石大理岩 b27 大理岩 含白云石大理岩 P95 云英质白云石大理岩 钙质粉砂岩 b28 大理岩 大理岩 P96 云英质大理岩 钙质粉砂岩 b31 大理岩 大理岩 P139 含石英大理岩 含白云石云母大理岩 b32 大理岩 含绿泥石大理岩 P140 硅砂泥质大理岩 含云母白云石长英质大理岩 b33 白云石大理岩 白云石大理岩 P141 石英大理岩 云英白云石质大理岩 b34 白云石大理岩 含云白云石大理岩 P142 大理岩 含石英白云石质大理岩 b35 白云石大理岩 含云白云石大理岩 P144 含石英大理岩 云英白云石质大理岩 b40 含云母白云石大理岩 方解滑云白云石大理岩 P152 云英质白云石大理岩 绿泥钙质粉砂岩 b43 长英质大理岩 白云石长英质大理岩 P153 云英质白云石大理岩 绿泥钙质粉砂岩 b45 大理岩 大理岩 P154 含云英白云石大理岩 云母长英质白云石大理岩 b46 白云石大理岩 滑石白云石大理岩 P155 含云英白云石大理岩 云英白云石大理岩 b47 白云石大理岩 方解滑云白云石大理岩 P156 石英绿泥白云石大理岩 绿泥云英白云石大理岩 P77 菱镁矿大理岩 滑石菱镁矿大理岩 P196 石英白云石大理岩 含滑石石英白云石大理岩 P79 白云石大理岩 菱镁矿大理岩 P197 含石英绿泥白云石大理岩 含石英白云石大理岩 P80 白云石大理岩 绿泥滑石菱镁矿大理岩 P198 含石英白云石大理岩 含石英白云石大理岩
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表(6)
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