应用XRD光谱研究水旱利用方式下盐碱土粘粒矿物演化特性

以吉林省典型盐碱土为研究对象,对比分析水田与旱田利用方式下土壤粘粒矿物的组成特征,并利用X射线衍射(XRD)光谱研究两种利用方式下粘粒矿物的演化规律。结果表明,水田利用方式下,盐碱土各项理化性质均优于旱田利用,且水田利用较旱田利用更能促进盐碱土颗粒风化,提高粉粒颗粒含量。水田利用下土壤有强烈的脱钾过程,粘粒矿物的水化程度较高,伊利石结晶度降低。XRD光谱分析表明,两种利用方式下粘粒矿物组成相似,但衍射峰的强度及峰位存在差异。旱田利用的盐碱土粘粒矿物演变过程主要为S/I混层矿物→蛭石,水田方式下演变过程则主要为黑云母→伊利石和S/I混层矿物→蛭石→高岭石;长期水田利用后的盐碱土会出现一类羟基化的“绿泥石化”矿物。研究结果表明水田利用更有助于改善土壤结构,培育高肥力土壤,对盐碱土的改良效果较好。利用XRD光谱分析方法,较为全面的测定了粘粒矿物的各项特性,并针对两种利用方式进行对比分析,是土壤矿物研究的新视角。     

两种典型耕作土壤粘粒矿物XRD光谱特性分析

以东北粮食主产区典型耕作黑土和黑钙土为研究对象,在测定同一气候和地理位置下两种耕作土壤颗粒组成特征情况的基础上,采用X射线衍射(XRD)分析方法,对两种耕作土壤的粘粒矿物组成及相关差异进行分析,深入探讨其内在变化机理,是土壤矿物研究的新视角。结果表明：两种供试土壤颗粒组成均以砂粒为主,粘粒、粉粒次之;当颗粒累积率达到50%时,中央粒径分布在15～130 μm区间,除胜利乡黑土剖面外,各采样地两类土壤的剖面中粘粒含量的分布顺序呈现出与中央粒径大小相反的趋势。土壤粘粒在两种土壤剖面中呈现不同的分布规律,黑土剖面中粘粒在表层富集(18.82%),而黑钙土剖面中在钙积层富集(17.41%)。除泉眼岭黑土剖面外,其余采样地的土壤剖面中粘粒含量均在母质层中最少。XRD图谱分析显示,不同土壤中粘粒矿物图谱的差异不仅表现在衍射峰的强度及部分衍射峰位的变化上,还表现在矿物组成上。黑土、黑钙土均以2∶1型粘粒矿物为主,黑土组成为蒙伊混层-伊利石-蛭石型,黑钙土为蒙伊混层-伊利石-蒙脱石型,且均含有少量的高岭石、绿泥石、石英等原生矿物。     

东北4种典型土壤粘粒矿物的初步表征

以黑土、白浆土、棕壤和褐土为研究对象,采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)及扫描电镜(SEM)等方法对东北4种典型土壤的粘粒矿物进行了表征,结果显示,它们属于蒙脱石型图谱。4种土壤的主要矿物成分均为石英,但黑土和白浆土还有蒙脱石和高山石等成分,棕壤和褐土还有高山石和云母等成分。黑土、棕壤和褐土的粘土矿物颗粒均呈层状结构,表面具有十分明显的非均匀特性,其中黑土粘土矿物表面粗糙不平,而棕壤和褐土的粘土矿物表面比黑土要光滑;与此相反,白浆土的粘土矿物表面轮廓清晰、表面光滑,且有较多的空洞。分析结果表明土壤粘粒矿物的组成和特性可以利用土样的光谱特征进行分析和检验,得到的信息是准确有效的。     

X射线衍射法在土壤粘粒矿物测定方面的研究进展

土壤是由大小不同、形状各异的颗粒组成,其中土壤粘粒矿物是土壤的重要组成部分之一,它不仅蕴含着土壤的形成轨迹、发生学特征以及成土环境的变化,而且还能够对土壤中的营养物质以及水分起到保蓄的作用。同时,由于不同类型土壤的粘粒矿物组成不尽相同,不同利用方式以及长期定位施肥都会对土壤粘粒矿物的演变产生影响,因此研究土壤粘粒矿物的组成及演变规律,可以更加全面的了解不同类型土壤之间的发生学规律,对探究土壤肥力的可持续性具有重要意义。目前对土壤粘粒矿物展开研究已经成为农业绿色发展研究的重点之一, X射线衍射分析法(XRD)作为研究土壤粘粒矿物最有效的手段,具有方便、快捷、测量精度高以及对样品无污染等优点,近年来受到国内外学者的广泛关注。文章介绍了X射线衍射分析法测定土壤粘粒矿物的基本原理和分析方法,综述了该技术在测定土壤粘粒矿物方面的国内外研究进展,并对X射线衍射分析法测定粘粒矿物的应用前景进行了展望。应用XRD对土壤粘粒矿物进行研究,结合传统分析方法对土壤基本性质进行测定,可以揭示不同类型土壤的粘粒矿物组成及差异,以及不同利用方式下的土壤粘粒矿物的组成和演变规律,从而为土壤肥力的可持续利用及农业绿色发展提供理论基础和技术支撑。目前有关土壤粘粒矿物演变展开的研究多集中于长期定位施肥处理上,而对于长期秸秆还田以及不同耕作方式引起的土壤粘粒矿物演变的研究却非常少,相信未来, XRD可以被应用到土壤研究的更多方面,为农业绿色发展做出贡献。     

同步辐射红外谱学显微光束线站的空间分辨率测试

同步辐射红外光源具有宽光谱范围、高准直性、高亮度等特点。相比于传统的红外热光源,同步辐射红外光源的尺寸非常小,空间分辨率可达到衍射极限。为了得到准确的空间分辨率信息,对上海光源BL01B1红外谱学显微光束线站的空间分辨率进行了测试。使用刀片法和鉴别率板对上海光源BL01B1红外谱学显微光束线站水平和垂直方向的空间分辨率进行了详细测量,两种测试方法的结果都表明在所测的中红外波段,同步辐射红外谱学显微技术的空间分辨率达到衍射极限,与理论值十分符合。     

大宝山多金属矿床氧化微粒的X射线衍射和近红外光谱分析及其意义

利用XRD和NIR技术对大宝山东岗岭组下亚组氧化矿中7个氧化物样品微粒进行分析,其中前4个样品为同一标高,后3个样品为不同标高。XRD,NIR研究结果表明随着氧化程度的加深（04-2→04-3→04-4）,Al-OH矿物吸收峰位所对应的波长不断加大（2 160.72→2 163.05→2 200.36 nm）,说明矿物中的阳离子Al被取代,产生贫Al现象;且对应的峰的强度从7.08×10-4, 7.83×10-3到6.66×10-2,说明Al-OH矿物的含量不断上升;另外SO2-₄矿物所对应的吸收峰位（1 938.80→1 946.94→1 926.47 nm）的强度从5.635×10-2, 1.82×10-2到1.668×10-2,说明随着氧化的进行,SO2-₄矿物的含量不断下降, 结合前人研究, 我们可以推测出早期形成的铜多金属硫化物矿床在后期发生强烈氧化作用, 使得硫化矿体氧化, 其中的硫经氧化形成强酸性硫酸溶液, 围岩受到硫酸溶液的腐蚀, 转变成松散的黏土;在04-2, 04-3, 13-1号样品中发现钠明矾石和钾明矾石,矾类矿物的大量发现说明该矿区的氧化淋滤作用仍在进行;通过XRD与NIR技术发现了石英、绢云母、方解石、绿帘石、角闪石、透闪石、金云母、绿泥石、高岭土等矿物,很好的反映出蚀变类型,且与此区域的地质特征相吻合,目前近红外已开始用于矿床勘查中的蚀变填图。通过光谱分析发现了矿床深部氧化过程与阳离子取代间的关系, 并以光谱学的视角验证了前人对于大宝山矿床成因的解释。研究表明一方面XRD和NIR可以有效的分析土壤和岩石的矿物成分,从而为该地区矿床矿石研究提供服务;另一方面NIR可以波长的迁移情况反映离子交代,峰的尖锐程度反映结晶程度,峰的强度反映矿物含量,这些独具的优势使其可以从微观角度研究矿物的氧化。不过有一点需要指出来,和近红外与X射线衍射在其他领域的研究相比,这两种技术在地质学的应用需要进一步加深,包括地质学应用的理论基础研究和光谱的分析解释手段,以尽量做到不仅可以通过光谱技术分析出所对应的矿物类型还能快速分析出不同矿物的含量及同一矿物的不同构型。     

利用土壤的近红外光谱特征测定土壤含水量

以新疆玛纳斯县不同质地土壤(砂壤土、粉粘壤土和粘土)室内光谱反射率作为研究对象,采用包络线去除法对土壤光谱曲线进行处理,与土壤含水量进行相关分析并建立模型。结果表明：不同质地土壤光谱反射率大小依次为：粘土>粉粘壤土>砂壤土;砂壤土、粉粘壤土和粘土分别以田间持水量20.01%,24.10%和30.43%为临界点,在低于该临界点范围内含水量与反射率呈反比,在高于该临界点范围内含水量与反射率呈正比;在1 390～1 623 nm波段内,土壤含水量与光谱归一化反射率有较好的负相关,并达到显著水平,所建立的土壤含水量预测模型R2值达到0.8以上,模型平均相对误差为10%。结果表明,建立不同质地土壤含水量光谱预测模型可以较准确反映土壤含水量,其快速、无损、准确的优点,为测定土壤含水量提供了一种新方法。     

等离子体增强脉冲激光沉积o-BN薄膜

利用等离子体增强脉冲激光沉积系统在Si（100）基底上沉积出了高质量的o-BN薄膜,利用红外光谱（FTIR）、X射线衍射谱（XRD）和原子力显微镜照片对o-BN薄膜进行了表征.通过红外光谱（FTIR）得到o-BN薄膜的红外峰特征峰值为1189cm^-1,1585cm^-1和1450cm^-1;由XRD谱得到o-BN薄膜的（111）,（020）,（021）,（310）和（243）各晶面的衍射峰, 特别是（310）和（243）晶面的衍射峰非常强;通过原子力显微镜照片清楚看到BN薄膜具有尖状突起的表面形貌. 关键词： 等离子体增强脉冲激光沉积 氮化硼薄膜 X射线衍射谱     

我国几种地带性土壤中磷素形态的研究

探明土壤磷素的存在形态,有助于揭示其在环境中的累积、迁移和转化过程及生物有效性。目前,在大尺度样带上开展土壤磷素形态空间变异规律的研究较少。本研究中,沿纬度方向采集了我国东部不同气候带分布的7种地带性林地土壤（包括寒温带的棕色针叶林土、中温带的暗棕壤、暖温带的棕壤、北亚热带的黄棕壤、中亚热带的黄壤、南亚热带的赤红壤和热带的砖红壤）,将化学浸提法与溶液磷-31核磁共振（31P NMR）波谱法相结合,分析了土壤中磷素形态以及与其他土壤性质之间的关系,以期为阐明土壤磷素形态的空间变异性及其驱动因素提供基础资料。结果表明：供试土壤中,全磷、有效磷、无机磷和有机磷的含量范围分别为179.8～825.2,2.41～15.3,92.6～351.2和14.7～474.4 mg·kg-1,其中活性、中等活性、中等稳定性和高稳定性有机磷组分的含量范围分别为1.38～30.9,8.63～213.7,3.01～32.2和1.73～199.2 mg·kg-1。根据溶液31P NMR波谱,鉴定出供试土壤中含有无机形态的磷素即正磷酸盐和焦磷酸盐,同时也鉴定出了磷酸单酯、磷酸二酯和膦酸盐等有机形态磷素的存在,其中磷酸单酯中又鉴定出了新-肌醇六磷酸、D-手性-肌醇六磷酸、RNA单核苷酸、α-磷酸甘油、肌-肌醇六磷酸、β-磷酸甘油和鲨-肌醇六磷酸,磷酸二酯中又鉴定出了DNA的存在;所有土壤中均未检测出多聚磷酸盐的存在,除棕色针叶林土和暗棕壤外的其他土壤中未检测出膦酸盐的存在,而赤红壤中未检测出DNA的存在;无机形态的磷素以正磷酸盐为主,而有机形态的磷素则以磷酸单酯为主。总体来看,无论化学浸提法还是溶液31P NMR波谱法,从寒温带的棕色针叶林土到热带的砖红壤,全磷、有效磷、无机磷、有机磷及其组分的含量均呈现下降趋势。溶液31P NMR波谱与化学浸提法鉴定的磷素形态之间存在相关关系,其中正磷酸盐与活性有机磷的关系最为密切,磷酸单酯和膦酸盐与中等活性有机磷的关系最为密切,而焦磷酸盐和磷酸二酯与中等稳定性有机磷的关系最为密切。与化学浸提法相比,溶液31P NMR波谱法能从详细的分子水平上揭示土壤磷素形态的空间变异规律。     

基于FP微阵列的压缩感知光谱重建研究

针对现有星载扫描光谱成像中无法同时实现高通量、高光谱分辨率的问题,提出采用法布里珀罗（FP）微阵列与压缩感知光谱成像方法。该方法通过在成像探测器前加FP微阵列,FP微阵列调制器每一单元对应不同高度,进而对输入光信号进行调制得到不同的光谱响应。结合扫描和压缩感知复原算法,最终获得高光谱图像数据立方体。该系统光谱范围为400 nm～700 nm,光谱通道数高达700个。通过仿真激光入射光谱与压缩感知重构光谱进行对比,仿真均方误差（MSE）为0.002。此外,通过实验对两个不同颜色的单色光光谱进行重构,实验结果与标准光谱仪测得的光谱基本一致,验证了该方法光谱重构的可行性。该方法可广泛应用于高通量、高光谱星载或扫描光谱成像测量中。     

墨脱区域滑坡滑带土矿物谱学特征及其工程意义

利用X射线衍射、X射线荧光光谱及红外吸收光谱对墨脱县北侧和格林村两处洪积扇滑坡面内采集的滑带土样品测试,分析了的主要矿物、黏土矿物的组成和含量及其化学成分。结果表明,滑带土中主要矿物组成受洪积扇组分控制,其黏土矿物含量分别占9%和10%,墨脱县附近滑动面中滑带土样品的黏土矿物含大量的伊利石,反应出该滑坡事件在很短的时间内完成,滑坡体滑动速率非常高;两处滑带土样品的红外吸收光试均未发现CO2-₃,HCO1-₃或C—H等振动相应产生的吸收峰,表明洪积扇滑动之后,滑坡面处于封闭系统,没有力学性质较差的碳酸盐等外来矿物或含腐蚀质的次生黏土沿滑动面充填进去,其结果增加了滑坡体的稳定性;样品中含有一定量的埃洛石,反应了区域洪积扇发育在非常潮湿温暖的环境中,同时封闭体系内滑带土所含的Na₂O和CaO等化学组分不能通过淋滤作用排出,滑坡面内发生强烈的水-岩相互作用,促使其内部的黏土矿物发生伊利石-伊利石/蒙脱石混层-蒙脱石趋势的转化,导致格林村附近滑坡面内的滑带土中含大量后期分解形成的伊利石/蒙脱石混层。该类黏土矿物组合很大程度上降低了滑带的摩擦强度值,从而提高了再次发生滑坡的危险性。     

四川平通512地震地表破裂带土壤近红外光谱分析及意义

在四川省平武县平通镇的512地震地表破裂带中采集黄色土壤样品,采用现代近红外光谱分析技术进行分析测试。通过对土壤中的矿物微粒特征吸收峰的快速鉴别,表明土壤样品主要由方解石、白云石、白云母、绢云母、伊利石、蒙脱石、滑石、透闪石、阳起石、绿泥石等矿物组成,其矿物成分与四川地区分布的黄壤成分基本一致。分析对比发现,土壤中的部分矿物与破裂带下部岩体的矿物组成特征相符合,说明该破裂带中的部分土壤矿物的演化与该地区岩石的矿物组成密切相关;地表破裂带土壤中的粘土矿物组成与北方的马兰黄土相似,推测这两种土壤中的粘土矿物可能具有相似的成因。研究结果说明近红外土壤矿物的分析技术可以有效分析土壤中的矿物微粒、指示成土环境,从而论证了将近红外光谱分析技术应用于土壤矿物的快速分析、地质研究的可行性。同时研究结果可以成为该地区土壤矿物分析的基础,为以后的土壤矿物以及地震破裂带的研究提供新的思路和方法。     

过氧化氢和连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-碳酸氢钠处理对红土中黏土矿物的影响

过氧化氢(H₂O₂)和连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-碳酸氢钠(DCB)作为土壤沉积物前处理的经典方法,对土壤沉积物中黏土矿物的富集有着举足轻重的作用,但关于二者对黏土矿物的影响研究较少。运用X射线衍射作为检测技术,对比研究H₂O₂和DCB两种前处理方法对红土中黏土矿物的影响。结果表明,H₂O₂或DCB处理均可促进土壤矿物颗粒的充分分散,有效地将石英等杂质分离,进而提取到很纯的黏土矿物。同时发现,DCB处理由于其Na+与黏土矿物层间阳离子交换导致数据失真,而H₂O₂处理可以保证数据的真实性。结果表明：采用H₂O₂进行前处理能获取较为准确的黏土矿物学信息。     

广东省红粘土中铁杂质及其赋存形式分析

中国细白瓷历经数百年的发展,使得优质粘土矿物资源的紧缺形势日益严峻,对中低品质矿物的提纯和利用越来越受到关注。其中,劣质矿产的除杂即是提高其品质要解决的重点问题。铁杂质是陶瓷生产中最主要的有害物质,对Fe的赋存方式进行探究可为除杂技术的应用建立相关基础。目前,对中低品质的粘土矿物中铁杂质赋存形式的研究仍较少。广东省红粘土分布广、储存量大,但其较高含量的Fe降低了其使用价值,限制其作为优质资源进一步利用。该研究对中国广东省梅州市的低品质红粘土中铁杂质和其赋存形式进行分析。Fe在矿物中的赋存形式复杂,结晶程度较低,采用传统的测试方法难以对其进行有效地分析。因此,通过拣选红粘土原矿中红、黄、灰绿三种杂质组分,并分别进行淘洗和过筛法分离粘土矿物。采用X射线荧光光谱、扫描电镜和能谱、透射电镜和选区电子衍射、可见光-近红外吸收光谱仪及可见光一阶导数光谱法对其矿物组成、化学成分、显微结构及谱学特征进行测试分析,探讨Fe元素的赋存形式。结果表明：Fe元素是影响该红土矿外观颜色的最主要元素。所有样品中粘土矿物主成分为高岭石和伊利石。红色和黄色杂质组分中,Fe元素主要以赤铁矿-针铁矿的自由团聚体夹杂或附着于片状粘土矿物表面;灰绿组分中Fe元素主要以Fe-Mg云母的结构铁形式存在。研究发现,在对红粘土矿物的分离过程中,Fe杂质以自由铁和结构铁的形式随着粘土矿物一同被选出。该研究结果有助于南方红粘土提纯方法的选择,并有助于提高低品位粘土的处理效率和质量。     

白-黄色系绿松石“伴生矿”的红外光谱表征及其意义

近期在市场上出现了许多与绿松石相似的天然矿物,市场上俗称绿松石“伴生矿”,被商家作为天然绿松石的特殊品种售卖。这些与绿松石外观极为相似的天然矿物,给鉴定工作带来了一定的困难。为了探索识别的方法,选取市场上常见的白色和黄色品种的天然绿松石伴生矿,通过常规宝石学测试,红外吸收光谱及X射线粉晶衍射对其宝石学特征及矿物组成进行了分析和研究。结果表明：白色系和黄色系天然似绿松石矿物样品均显示不同程度的土状光泽-弱玻璃光泽,均不透明,结构比较疏松。白色系样品折射率约为1.51,相对密度为1.86～2.28;黄色系样品折射率约为1.57～1.60,相对密度为2.32～2.72。白色和黄色天然绿松石伴生矿的组成类型复杂,同色系样品的矿物组成也不尽相同。X射线粉晶衍射测试结果显示：白色系样品的主要矿物为磷铝矾和磷钙铝矾;黄色系样品的主要矿物为钠明矾石。白色和黄色系样品的红外吸收光谱均显示有SO₄/PO₄的基团振动,峰形、峰位区别较大。根据不同样品的主要矿物组成特征,将其红外吸收光谱进行分类,可对其进行快速有效的无损鉴定。     

九江网纹红土中粘土矿物过渡相的矿物学特征及成因

为研究长江中下游网纹红土中粘土矿物过渡相的矿物学特征及成因,采用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外吸收光谱(FTIR)、以及高分辨透射电子显微分析(HRTEM)等现代测试技术方法,对江西九江红土剖面网纹红土中粘土矿物过渡相开展系统、深入的研究。X射线衍射及红外吸收光谱分析结果表明,九江剖面网纹红土中粘土矿物组成主要有伊利石和高岭石,少量蒙脱石和伊利石/蒙脱石及微量高岭石/蒙脱石混层矿物过渡相。在高分辨透射电子显微镜下,可观察到蒙脱石晶层向高岭石晶层转化的现象。伊利石/蒙脱石过渡相是伊利石向蒙脱石转化的过渡产物,而高岭石/蒙脱石过渡相则为蒙脱石向高岭石转化的过渡产物,网纹红土中这两种过渡相的出现说明了粘土矿物风化演化的过程,即：伊利石→伊利石/蒙脱石混层矿物→蒙脱石→高岭石/蒙脱石混层矿物→高岭石的演化,同时表明网纹红土形成于风化作用增强的温暖潮湿气候环境。     

艾比湖滨岸盐碱土中碳酸盐的XRD衍射特征与微观形态分析

结合X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)方法,对现代盐湖沉积环境下,新疆艾比湖滨岸盐碱土中碳酸盐的分布特征、存在形式以及与其他土壤原生、次生矿物之间的关系进行探讨,结果表明：艾比湖滨岸盐碱土中的原生矿物主要是石英和长石,粘土矿物主要为绿泥石和伊利石,土壤矿物的风化程度顺序为北部>西部>东部,西部样点的现代盐湖化学沉积作用最为显著,北部样点则生物风化过程十分强烈;XRD方法和气量法分别测得的碳酸盐含量之间呈极显著正相关关系,判定系数R2达0.640 9。当盐碱土中含有较高的绿泥石时,碳汇潜力会增加,同时,XRD方法对碳酸盐相对含量的鉴定误差也明显增加,衍射峰形变得复杂,碳酸盐含量明显被低估,低估原因可能与有机质含量高导致的弥散散射增加及粘土矿物含量高使得类质同象现象增加有关;西部和北部土壤矿物溶蚀强烈,石膏以纤维状或长柱状晶体分散或放射状分布于方解石晶体之间,方解石则以异质成核形式呈颗粒状或片状在其他矿物或底质表面生长,表现为次生碳酸盐形貌特征。