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。     

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。     

X射线衍射分析长期钾素盈亏对土壤含钾类矿物的影响

利用1991年—2013年国家紫色土肥力与肥料效益监测站长期定位试验的土壤样品,采用X射线衍射(XRD)光谱分析技术,研究了22年长期钾素投入亏缺和盈余处理中性紫色土壤钾素含量及含钾类矿物的演变特征。XRD图谱分析发现,长期钾素亏缺处理导致土壤云母、钾长石等含钾类原生矿物加速风化,表现为连续施肥22年<连续施肥12年<原始土壤,同时促进了蒙脱石的形成;长期钾素盈余处理土壤云母、钾长石等原生矿物风化程度虽得到有效缓解,但较原始土壤相比仍有明显风化。土壤含钾类粘土矿物的演变与原生矿物变化相似,长期钾素亏缺导致土壤粘粒中伊利石发生了明显崩解,且随着施肥年限的增加,粘粒中伊利石的含量随之减少,长期钾素盈余处理明显缓解了伊利石的风化进程;但是无论是钾素亏缺或盈余处理都出现土壤中伊利石的风化崩解,同时伴随蒙脱石等膨胀型矿物的形成,现有的钾素盈余水平也不能阻止土壤含钾类矿物的风化崩解。另外,长期钾素亏缺导致土壤中速效钾和缓效钾含量逐年降低,22年分别降低62.0%和37.4%;而钾素盈余处理提高了土壤速效钾含量,但缓效钾呈现下降趋势;土壤伊利石的风化程度和土壤缓效钾的演变趋势相吻合。表明中性紫色土壤中伊利石是土壤缓效钾的主要来源,长期钾素亏缺会造成土壤钾素枯竭和含钾类矿物的加速风化崩解,降低土壤供钾能力。     

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。     

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。     

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。     

同步辐射X射线衍射光谱在地带性土壤粘粒矿物研究中的应用

X射线衍射(XRD)光谱是分析土壤粘粒矿物组成的重要手段,但常规XRD分析存在前处理复杂、耗时较长、光谱分辨率低、扫描不充分等问题.为此,该研究依托北京同步辐射装置(BSRF)的4B9A衍射实验站,以我国东部不同气候带(即温带、亚热带、热带)的7种地带性森林土壤(棕色针叶林、暗棕壤、棕壤、黄棕壤、黄壤、赤红壤和砖红壤)...     

NaLuF4∶Yb3+,Er3+微米晶的制备及上转换发光

采用EDTA辅助法合成了NaLuF4∶Yb3+,Er3+微米晶,用X射线粉末衍射(XRD)对样品的结构进行了表征。XRD分析表明样品NaLuF4为六角相。研究了初始反应溶液的pH值对NaLuF4∶Yb3+,Er3+微米晶的组分、形貌和荧光性质的影响。在980 nm光激发下,观察到了4G11/2→4I15/2、2H9/2→4I15/2、2H11/2→4I15/2、4S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2发射,荧光强度比I(2H11/2/4S3/2→4I15/2)/I(4F9/2→4I15/2)和I(4G11/2/2H9/2→4I15/2)/I(2H11/2/4S3/2→4I15/2)随着pH值的变化而变化。研究了样品的上转换发光机制。     

内蒙古草原拜仁达坝矿区地表土壤的X射线衍射和近红外光谱分析

在内蒙古草原拜仁达坝矿区上部的地表覆盖层中均匀采集土壤样品,用X射线衍射和近红外光谱技术对样品进行分析测试,旨在探讨草原矿区土壤成分来源及其与地下岩体的关系。结果表明,该土壤样品主要由石英、石墨、碳酸盐、角闪石、云母、绿泥石、蒙脱石、伊利石、块磷铝矿、硬水铝石、蓝铜矿、赤铁矿等组成,说明了地表土壤成分不仅来源于地表岩体风化产物,与地下岩体及其围岩蚀变作用更加密切相关。土壤中所含蓝铜矿和赤铁矿主要来源于矿体氧化带,可作为找矿标志;蚀变矿物组合主要为绿泥石-伊利石-蒙脱石,推测该区域大致经历了钾化→硅化、碳酸盐化→绢云英岩化→泥化的蚀变过程。通过分析蚀变矿物组合,可以还原围岩蚀变及物理风化过程,为深部找矿以及矿床成因研究提供了重要的参考信息,提高了找矿的成功率。X射线衍射和近红外光谱技术用于矿物、矿床研究方面,有着经济、快速的特点,能很好的鉴定矿区地表土壤中的矿物成分。尤其是近红外光谱分析技术对样品要求低,可以对样品进行快速批量的分析,具有其独特的优越性。随着近红外技术的发展,其在地质领域中将有越来越广泛的应用,并且能在找矿勘探中发挥重要的作用。     

江西“高洲石”的矿物学和谱学特征研究

印章石是我国特有的具有民族历史文化特色的艺术品, 江西“高洲石”是近年来新发现并在市场上流通的印章石品种。采用X射线粉晶衍射(XRD)、X射线荧光光谱分析(XRF)、红外光谱分析(FTIR)、扫描电镜(SEM)及差热分析(DTA)对“高洲石”的矿物学特征和谱学特征进行了系统的研究。粉晶衍射结果表明, “高洲石”的主要矿物成分为高岭石族矿物和叶蜡石, 其次含有少量的绢云母和伊利石等。其中高岭石和地开石多型可通过18°～40°(2θ)范围内一系列地开石特有的衍射峰鉴别。“高洲石”中高岭石族矿物同时出现高岭石和地开石的特征衍射峰, 主要为高岭石-地开石过渡矿物。“高洲石”主要化学成分为SiO2和Al2O3, 次要成分为Fe2O3和K2O和Na2O等, 这与高岭石族矿物的化学成分相一致。红外光谱的结果显示“高洲石”中高岭石-地开石过渡矿物在高频区一般出现3 689, 3 645和3 615 cm-1三个谱带, 其中归属于面外羟基振动的3 689 cm-1谱带和面内羟基振动的3 615 cm-1谱带强度近似相等, 部分略有变化, 其变化因含高岭石层或地开石层较多造成。扫描电镜下观察到“高洲石”中高岭石矿物的形态主要呈直径为0.5～4 μm的不规则片状或假六方板状, 与我国其他产地印石的扫描电镜特征较为相似。差热分析结果表明高岭石族矿物的脱羟吸热谷温度与其矿物种属有一定对应关系, 同时此温度还受矿物颗粒大小的影响。综合研究表明, “高洲石”的矿物类型与我国四大印石(寿山石、昌化石、青田石、巴林石)相似, 作为四大印石的替代品, “高洲石”具有广阔的市场前景。     

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。     

土壤矿物对松嫩平原主要土壤类型反射光谱特征的影响机理

尽管纯矿物的反射光谱特征分析与数据库建设工作已经开展,但土壤中各原生矿物、粘土矿物的测试主要是定性的,即能测定土壤中含有何种矿物,但难以测定准确的矿物组分含量。土壤矿物是土壤学与地质学的交叉点,易被忽视,特别是已有研究忽略了土壤矿物对土壤反射光谱曲线的影响。探讨了土壤矿物在可见光-近红外光谱部分(400~2 500 nm)对土壤反射光谱特征的影响,明确影响土壤反射光谱特征的主要机理。土壤样本于2014年采集于松嫩平原黑龙江部分,包括4个土类和7个土属,共54个土壤样本。土壤样本通过研磨、过筛后,在室内暗室中测得反射光谱数据,土壤矿物的反射光谱数据在2017美国地质调查局(USGS)最新矿物光谱库Spectral Library Version 7中获得,对反射光谱数据进行九点平滑、10 nm重采样和去包络线处理。土壤矿物含量测试采用荷兰Philip X’ Pert Pro 型X射线衍射仪分析样品的矿物组成,测试了土壤中石英、长石、方解石和闪石等原生矿物和蒙脱石、伊利石和高岭石等粘土矿物的含量。首先分析7个土属的反射光谱特征,明确每个土属反射光谱曲线的形状特征和吸收位置,其次分析土属的矿物含量情况,找出不同土属各矿物含量的共性和差异;再次分析不同粘土矿物和原生矿物的反射光谱特征,确定不同土壤矿物反射光谱曲线的形状特征和特征吸收的位置;最后将不同土属的反射光谱特征、不同土属的矿物含量情况和土壤矿物的反射光谱特征结合,得到如下结论：(1)土壤矿物决定了土壤反射光谱的骨架特征,土壤矿物对土属的反射光谱影响最明显,由于土类存在多种反射光谱特征,土壤矿物对土类的影响不明显。(2)粘土矿物对土壤反射光谱特征的影响大于原生矿物,主要受蒙脱石和伊利石等粘土矿物的影响,但砂性土受部分原生矿物的影响,主要是长石类矿物和高岭石的影响。(3)蒙脱石和伊利石分别决定土壤反射光谱的第一个吸收谷和第二个吸收谷特征,高岭石决定1 400和1 900 nm前的两个小吸收谷特征,钾长石和钠长石决定了砂性土的前两个吸收谷特征。(4)蒙脱石含量足够高时,会完全掩盖高岭石和长石类的反射光谱特征,部分掩盖伊利石的反射光谱特征;随着蒙脱石含量降低,伊利石的反射光谱特征逐渐体现;蒙脱石和伊利石的含量降到很低时,高岭石和长石类矿物的反射光谱特征逐渐体现出来。研究结果揭示了不同土属反射光谱特征差异的原因,可以为土壤反射光谱分类、土壤精细制图和基于高光谱图像的矿物分布研究等提供理论依据。     

云南楚雄新发现粘土矿中主要矿物组成分析

为了分析云南楚雄新发现粘土矿中主要矿物组成,确定其主要矿物是否是凹凸棒石粘土,对其五种样品进行了红外光谱与X射线荧光光谱的测试与研究。结果发现,3 437 cm-1处的吸收带是凹凸棒石粘土中的结晶水的羟基振动引起的,3 621和3 651 cm-1处的吸收带是与凹凸棒石粘土孔道边缘的Mg, Al八面体相连的结构水的羟基的对称和不对称伸缩振动产生的;3 699 cm-1处的吸收峰是与结构内部的四面体结构和八面体之间的Mg,Al相连羟基的伸缩振动;1 633 cm-1处的吸收峰是结构水与吸收水羟基弯曲振动的吸收峰;1 010 cm-1处的吸收带是共价键Si-O-Al的Si-O键的特征峰,913 cm-1处的吸收带是二八面体的羟基(Al₂OH)的变形振动的特征吸收峰。表明：粘土矿的五种样品均含有较高凹凸棒石粘土成分;三种黑色样品的中红外光谱与谱库中凹凸棒石粘土谱图比对的相似度在93%以上,三种黑色样品含凹凸棒石粘土成分很高,五种粘土矿样品的主要矿物均是分子式为Al₅Si₈O₂₀(OH₂)₄·4H₂O的凹凸棒石粘土粘土矿样品的凹凸棒粘土的。     

内蒙古扎木敖包铁、石墨矿床钻孔样品的NIR和XRD分析

近年来,科学技术的发展让越来越多的测试技术得以适用于地质领域。相比于采用一种测试技术来解释某些地质问题,地质工作者们开始尝试采用多种测试技术优优结合的方法来提高研究的准确度。综合近红外光谱分析(NIR)和X射线衍射分析(XRD)两种现代测试技术,对扎木敖包矿床4202钻孔线不同层位采取的9个岩心样品进行测试分析,并对两种测试技术的测试结果进行比对和总结。结果表明,不同层位上的矿物成分存在着一定的差异,从上至下不同层位的岩性分别为：第四系、第三系粘土砂砾层-泥岩-云母石英片岩-石英阳起石矽卡岩-矽卡岩化大理岩-铁矿矿层-石墨矿层-云母石英片岩。不同深度的岩石成因上亦有所不同,主要发生了风化、碳酸盐化、绿泥石化及矽卡岩化的作用。研究结果一方面可以完善该矿区的地质特征,另一方面对于该区的勘矿、找矿及采矿亦有重要意义。此外,由于XRD可以初步提供矿物成分信息,NIR则可以在XRD测试数据基础上进一步判断矿物存在与否,综合NIR和XRD的优点,采用两种现代测试技术相互结合的方法,较好地识别出样品中的矿物组成,提高了矿物成分鉴定的准确度。同时也表明在矿物光谱学的基础上,NIR将会更加广泛地应用于地学领域。     

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。