地壳由矿物、岩石组成，对其成分、结构和性质等的分析是矿物学、岩石学的重要研究内容。X射线衍射技术特别是粉晶 X射线衍射技术自发明以来就被应用于矿物、岩石研究，广泛应用于矿物的定性、定量分析。粉晶 X射线衍射提供的丰富信息对于了解矿物成因，探讨成矿、造岩作用以及矿物岩石的应用研究都具有重要意义。粘土矿物的物相定量分析在地质研究中有着广泛的应用。一般的化学分析方法只能给出试样中各种化学元素的含量，很难给出各种物质成分 (物相) 的含量。特别是对于含有相同元素组合，但是成分不同的试样。用 X射线衍射相定量分析方法测定各物相的含量是一种较好的方法。每种物质成分都有各自特征的衍射图谱，而且衍射强度与其含量成正比(不是严格成立的)。在混合物中，每一种物质成分的衍射图谱与其他物质成分的存在与否无关。也就是说试样的衍射图谱是试样中各组成物质的衍射图谱组成的，这就是X射线做相定量分析的基础。

1.X射线衍射仪原理

X射线衍射仪（XRD）以布拉格实验装置为原型，融合了机械与电子技术的等多方面的成果。衍射仪由X射线发生器、测角仪、辐射探测器、和辐射探测电路4个基本部分组成。当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关，这就是X射线衍射的基本原理。

图1：布拉格定律：2dsinθ=nλ（d为晶面间距）

发生衍射的相干条件是光程差必须为波长的整倍数。由于d和h的不同同一种晶体不同面和产生不同位置的衍射峰；同时在θ介于0°~90°之间，d、2d、3d…也可能会产生成倍数的衍射峰。任何一种结晶物质都具有特定的晶体结构，不同晶体结构形成不同的衍射花样，多相试样的衍射图谱是各个物相衍射花样的简单叠加。通过建立一个粉末衍射图谱数据库(PDF)，将所测图谱与数据库中的图谱进行对比,确定物相。

图2：衍射图谱(上)与标准卡片的对比（中、下）

由于每一种矿物的晶体都具有特定的X射线衍射图谱，图谱中的特征峰强度与样品中该矿物的含量正相关，因此，采用实验的方式可以确定某种矿物的含量与其特征衍射蜂的强度之间的正相关关系——K值，进而通过测量未知样品中该矿物的特征峰的强度而求出该矿物的含量，这就是x射线衍射定量分析中的“K值法”。

特别要指出的是，所谓相，不是指化学元素，XRD一般也不能分析出材料中所包含的元素，相反，化学元素成分作为物相分析的一个已知条件。

2.全岩XRD测试

将1g-2g样品破碎至1cm以下，适合研磨。用玛瑙研钵将岩石样品研磨至全部粒径小于200目（0.0750mm），由于样品筛分会影响其组分测试，若样品部分未过筛，过筛部分也不能当作测试样品，必须重新磨制；过筛前可以预先用手摸样品至无颗粒感。

正压法：压片时，将粉末样品加入到样品架的凹槽中间，使松散样品粉末略高于样品架平面(图3-2)；取载玻片轻压样品表面，让粉末样品表面刮平与框架平面一致，并将多余的不在凹槽内的粉末刮掉(图3-3)；如果样品量不多，类似图3-3的样品也可以用来进行XRD分析；如果样品量足够，应该将未填满的地方补加样品，压平，直至整个样品槽被填满(如图3-4所示)。压平时，务必保持整个表面均匀平整且与凹槽平面一致。

图3：粉末压片法

图4：全岩衍射图谱及结果

3.黏土矿物XRD测试

黏土矿物测试时，需要制备定向片（具体步骤可根据全岩数据适当调整）；定向片的制作：（a）去除有机质、碳酸盐：将10g左右黏土粉末样品倒入高型烧杯，加蒸馏水至400ml左右，用玻璃棒搅拌一下，再放上磁力搅拌机搅拌、加热，温度控制在70℃以下，促进化学反应进行；滴入浓度低于3%的稀盐酸，反应20min左右去除碳酸盐；随后加入过氧化氢，反应15min左右去除有机质；盐酸和过氧化氢的滴入量及反应时间主要根据反应中气泡的产生量，直至无气泡产生后，升温至90℃，搅拌10min，将多余的盐酸、过氧化氢会发出去；（b）离心去除液体杂质：将样品倒入离心瓶，加水至等量，放入离心机，转速4000r/min离心10min，使颗粒全部沉淀，倒掉上部液体；（c）黏土分散、悬浮：将（b）中样品加入适量蒸馏水和几滴六偏磷酸钠，放入超声震荡仪震荡分散1min，让尽可能多的黏土悬浮；放入离心机，转速1000r/min离心3min；

黏土矿物提取：将（c）中离心的样品平稳拿出，用注射器吸取上部液体，注入新的离心瓶，以4000r/min的速度离心10min使黏土矿物全部沉降，倒掉液体，加入适量蒸馏水，摇匀，准备制片；

悬浮液法制备自然片：用胶头滴管吸取0.7ml~0.8ml的悬浮液滴于载玻片上，风干。

黏土提纯制作定向片目的是去除杂质及非黏土矿物，同时平铺后让黏土晶体定向排列，增强黏土矿物特征峰的相对强度，便于数据处理分析，提纯后的样品不能保证完全只含有黏土矿物。

图5：风干后的黏土自然片

乙二醇饱和片的制作：将自然定向片置于乙二醇蒸气气氛中进行饱和处理，乙二醇蒸气气氛应恒定在60℃，恒温时间不少于8h；

高温片的制作:在450℃~550℃条件下将乙二醇饱和片恒温不小于2.5h，自然冷却至室温。经处理后若伊利石的0.1nm峰强度下降太大，则应通过实验调整加热温度与恒温时间。

图6：黏土矿物N、E、T在专用软件中处理效果

4.数据采集与分析

全岩及黏土矿物分析方法参照SY/T 5163-2018《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物 X 射线衍射分析方法》，由中国石油勘探开发研究院的林西生老师编写软件Rockquan及Clayquan II的基本功能：（峰位校正；平滑化；背景扣除；积分求面积以及分峰等）基础上，增加了对蛭石（V）,伊利石/蛭石混层I/V(土壤与露头的沉积岩)，叶蜡石（Py）（高温矿物，热液变质）,滑石（Ta）与蛇纹石（Se）（变质岩与某些风化了的岩浆岩）定量计算。

图7：全岩及黏土矿物分析结果

众所周知，粘土矿物是泥页岩的主要组分，是砂岩中的主要胶结物，碳酸盐岩、变质岩和火山碎屑岩中也往往会含有或多或少的粘土矿物;石油、自然气的生成，储集、运移和开采更是无不和粘土矿物亲热相关。因此，粘土矿物争辩成果可以用于恢复沉积盆地的古气候、古盐度、古湿度和物源区，可以用于成岩作用和地层比照等方面的争辩。粘土矿物对环境很敏感，粘土矿物争辩成果可以用于推断古环境。在肯定范围内，对于地层比照，尤其是缺少化石的哑层比照，粘土矿物争辩具有独特效果。粘土矿物的成岩转化与有机质热演化亲热相关，将两者结合起来，可以更有效的划分成岩阶段和生油门限值。粘土矿物在防治油层损害和提高采收率方面的成效已引起很多学者和宽阔工程技术人员的极大关注，由于不同地层所含的粘土矿物成分不同，不同的粘土矿物的性质差异很大，所以当其遇到不相匹配的工作液就会产生井壁垮塌和油层损害等问题。