حيود الأشعة السينية للمعادن الطينية
تُعدّ المعادن الطينية من أكثر المعادن تنوعًا، إلا أنها تشترك جميعًا في حجم بلورات أو حبيبات يقل عن 2 ميكرومتر. كيميائيًا، تُعرَّف الطينات ببنيتها البلورية وتركيبها الكيميائي، والذي يُحدَّد غالبًا باستخدام حيود الأشعة السينية للمعادن الطينية . أحيانًا تُوصَف الرواسب ذات الحبيبات الدقيقة خطأً بأنها طينات؛ وهذا في الواقع وصفٌ لـ"حجم حبيبات الطين" وليس لتركيب الرواسب المعدني. توجد ثلاث مجموعات بلورية للطين: الطينات الصفائحية ( السيليكات الصفائحية )، والمعادن الطينية الليفية، والطين غير المتبلور . تُعدّ السيليكات الصفائحية أكثر أنواع الطينات وفرةً، وتُصنَّف بناءً على طبقاتها المكونة من طبقة رباعية الأوجه وطبقة ثمانية الأوجه . في معظم أنواع الطينات، تتمركز الطبقة ثمانية الأوجه بأيونات الألومنيوم ( Al³⁺ )، أو الحديد (Fe³⁺ ) ، أو هيدروكسيد المغنيسيوم (Mg(OH) ₂ )، ولكن في بعض الأحيان قد تحل محلها أيونات الزنك (Zn²⁺ ) ، أو الليثيوم (Li⁺ )، أو الكروم (Cr³⁺ ) . عادةً ما يكون أيون السيليكون رباعي التكافؤ (Si⁴⁺ ) مركز الطبقة رباعية الأوجه، ولكن غالبًا ما يحل أيون الألومنيوم ثلاثي التكافؤ (Al³⁺) محله جزئيًا، مما يُحدث اختلالًا في الشحنة. تتكون الطينات ثنائية الطبقات من طبقة رباعية الأوجه وطبقة ثمانية الأوجه (TO)، بينما تحتوي الطينات ثلاثية الطبقات على طبقة ثمانية الأوجه محصورة بين طبقتين رباعيتي الأوجه (TOT). عندما يُحدث استبدال أيون الألومنيوم ثلاثي التكافؤ (Al³⁺ ) بأيون السيليكون رباعي التكافؤ (Si⁴⁺ ) اختلالًا في الشحنة، يملأ كاتيون بين الطبقات الفراغات بين الطبقات رباعية الأوجه لموازنة شحنة الطين. [ 1 ]
طريقة حيود الأشعة السينية
تُستخدم الأشعة السينية لتحديد البنية البلورية للمواد. وهي طريقة تجريبية يتم فيها تمرير حزمة من الأشعة السينية عبر عينة من المادة المراد فحصها. ونظرًا لأن الذرات مرتبة بترتيب معين في البلورات، فإنها تميل إلى حيود الحزمة بزوايا وكثافات محددة. ويتم حساب زوايا حيود الأشعة السينية والبنية البلورية للمادة. كما يُمكن تحديد ما إذا كانت المادة بلورية أم لا. [ 2 ]
حيود الأشعة السينية للطين
عادةً، يُمثل حيود الأشعة السينية للمساحيق (XRD) متوسطًا لبلورات دقيقة ذات اتجاهات عشوائية، والتي من المفترض أن تُمثل جميع اتجاهات البلورات بالتساوي إذا كانت العينة كبيرة بما يكفي. تُسلط الأشعة السينية على العينة أثناء دورانها ببطء، مما يُنتج نمط حيود يُظهر شدة الأشعة السينية المُجمعة عند زوايا مختلفة. لا تُعد عينات حيود الأشعة السينية ذات الاتجاهات العشوائية مفيدةً للمعادن الطينية، لأن الطين عادةً ما يكون له أبعاد X وY متشابهة. يختلف البُعد Z من نوع طين لآخر، وهو الأكثر دلالةً لأنه يُمثل ارتفاع طبقة رباعي السطوح-ثماني السطوح (TO) أو رباعي السطوح-ثماني السطوح-رباعي السطوح (TOT). يمكن أن يزيد البُعد Z أو ينقص بسبب استبدال الكاتيون المركزي في كلٍ من طبقتي رباعي السطوح وثماني السطوح. كما يؤثر وجود وحجم كاتيون مُوازن للشحنة في الطبقة البينية لطين TOT على البُعد Z. لهذا السبب، تُحدد المعادن الطينية عادةً بتحضير العينات بحيث تكون موجهة لزيادة انعكاس القاعدة (00 l ). [ 3 ] تُحسب مواقع D باستخدام قانون براغ، ولكن نظرًا لأن تحليل المعادن الطينية أحادي البعد، يمكن استبدال n بـ l ، مما يجعل المعادلة lλ = 2d sin Θ. عند قياس حيود الأشعة السينية للطين، يكون d ثابتًا وλ هو الطول الموجي المعروف من مصدر الأشعة السينية، لذا فإن المسافة من قمة 00 l إلى أخرى متساوية. [ 3 ]
تحديد أنواع الطين باستخدام حيود الأشعة السينية
تُعطي الانعكاسات القاعدية المسافة بين الطبقات القاعدية، والتي تُمثل سُمك طبقات السيليكات ، وغالبًا ما تحتوي وحدة الخلية على طبقات متعددة. [ 1 ] يمكن تمييز قمم معادن الطين عمومًا من خلال عرضها عند منتصف ارتفاع القمة (أي العرض الكامل عند نصف الارتفاع، FWHM). تتميز المعادن البلورية ذات التحديد الجيد بقمم حادة، بينما تُنتج أنواع الطين، التي تتراوح من البلورية إلى غير البلورية، قممًا عريضة ذات عرض ملحوظ على كلا الجانبين. تُسهّل هذه القمم العريضة تحديد القمم التي تُساهم بها أنواع الطين. يمكن مقارنة هذه القمم بأنماط حيود معروفة لتحسين عملية التحديد، ولكن إذا كانت بعض القمم أعرض من غيرها، فمن المحتمل وجود أنواع متعددة من الطين. [ 3 ] تحتفظ جمعية معادن الطين بمجموعة من أنواع الطين لغرض المقارنة مع أنواع الطين غير المعروفة. نظرًا لأن غالبية أنواع الطين المتوفرة لدى جمعية معادن الطين مُتشكلة طبيعيًا، فقد تحتوي على معادن أخرى غير نوع الطين المطلوب. [ 4 ] لا تتطابق أنماط حيود الأشعة السينية المحسوبة باستخدام الطرق النظرية عمومًا مع أنماط الحيود التجريبية، لذا يُفضّل استخدام أنماط الحيود من عينات معروفة للمساعدة في تحديد نوع الطين بدلًا من الحساب. ويمكن استبعاد بعض المعادن من عملية التحديد باستخدام المعلومات الأساسية أو التحليلات السابقة. [ 1 ]
تُعدّ العينات النقية جيدة التبلور مثاليةً لتحليل حيود الأشعة السينية، ولكن هذا نادرًا ما ينطبق على الطين. [ 5 ] غالبًا ما تكون معادن الطين مختلطة بكميات ضئيلة جدًا من معادن أخرى غير طينية، مما قد يُنتج قممًا حادة، حتى عندما تكون كمية المادة غير الطينية في العينة ضئيلة جدًا. إذا كان من المعروف وجود معادن إضافية، فينبغي محاولة فصل الطين عن غيره، وإلا فمن المتوقع ظهور قمم إضافية. من المعادن الشائعة المرتبطة بالطين الطبيعي: الكوارتز، والفلسبارات، والزيوليت، والكربونات، وقد توجد مواد عضوية أحيانًا. [ 3 ] يمكن لتصنيع الطين أن يقلل من وجود بعض هذه المواد المصاحبة، ولكنه لا يضمن نقاء العينات، إذ لا يزال الكوارتز أو غيره من المواد المصاحبة يُنتج عادةً جنبًا إلى جنب مع الطين المصنّع.
مزيج من معادن الطين الطبقية
يشير مصطلحا "الطبقات المختلطة" و"التداخل الطبقي" و"التداخل الطبقي" إلى معادن الطين التي تتكون من نوعين أو أكثر من الطين، وتتميز بطبقات متداخلة. ولا يشير مصطلح "الطبقات المختلطة" إلى الطين المختلط فيزيائيًا. تُصعّب الطبقات المختلطة في الطين عملية التفسير، لذا عادةً ما يكون إجراء تحليلات متعددة ضروريًا. يُعدّ الطين ثنائي المكونات هو الأكثر شيوعًا، بينما يُعدّ الطين متعدد المكونات الذي يحتوي على أكثر من مكونين نادرًا جدًا. يُساهم نمط حيود الأشعة السينية بأكمله في عملية التحديد، ويجب النظر إلى القمم كوحدة واحدة بدلًا من النظر إليها بشكل فردي. [ 3 ]
تُعدّ الطينات ذات الطبقات المختلطة، التي تتكون من عنصرين متساويين (50% من كل نوع)، الأسهل في التحديد. يُنظر إلى هذه الطينات على أنها طينة واحدة غير مختلطة، بمسافة 001 تساوي مجموع مسافات 001 لكلا العنصرين. حتى أن بعض الطينات الشائعة ذات الطبقات المختلطة بنسبة 50/50 تُعطى أسماءً خاصة، مثل الدوزيت، وهو مزيج من السربنتين والكلوريت . أما الطينات المختلطة ذات العناصر غير المتساوية والتراص العشوائي، فتُنتج أنماط حيود 001 غير دورية تُعرف بالأنماط غير المنتظمة. معامل التباين (CV) هو النسبة المئوية للانحراف المعياري لمتوسط d(001) المحسوب من انعكاسات مختلفة. إذا كان معامل التباين أقل من 0.75%، يُعطى المعدن اسمًا خاصًا. أما إذا كان معامل التباين أكبر من 0.75%، فيُستخدم مصطلح "الطبقات المختلطة". [ 3 ]
التحضير لتحليل حيود الأشعة السينية للمعادن الطينية
ينبغي فصل الطين عن المعادن غير الطينية لتقليل تداخل قمم 00l . ويمكن عادةً فصل المعادن غير الطينية بنخل العينات باستخدام منخل ذي فتحات دقيقة. يجب سحق العينات سحقًا خفيفًا دون طحنها، لأن المعادن غير الطينية ستتحول إلى حجم الطين، ما يجعل فصلها عن العينة مستحيلاً. يُساعد السحق الخفيف على تفتيت الطين اللين مع الحفاظ على المعادن غير الطينية الصلبة سليمة ليسهل إزالتها. [ 3 ]
ينبغي أن تكون العينات متجانسة قدر الإمكان، سواءً من حيث حجم الحبيبات أو التركيب، قبل تثبيتها لتحليل حيود الأشعة السينية، وتُعدّ العينات الطويلة والمسطحة والسميكة مثالية. تُستخدم أربع طرق شائعة لتحضير العينات، وتختلف في صعوبتها ومدى ملاءمتها للاستخدام.
طريقة الشريحة الزجاجية
أسهل وأسرع الطرق الأربع الشائعة الاستخدام، ولكنها الأقل دقة. تُغطى شريحة مجهرية زجاجية بمحلول معلق من العينة في الماء، ثم توضع في فرن عند درجة حرارة 90 درجة مئوية وتُترك لتجف. بالنسبة لبعض العينات، قد يؤدي التجفيف عند هذه الدرجة العالية إلى تلف الطين. في هذه الحالة، يُعد التجفيف في درجة حرارة الغرفة خيارًا متاحًا، ولكنه يتطلب وقتًا أطول. عادةً ما يكون التوجيه جيدًا، وتنفصل الجزيئات بحيث تكون أدقها في الأعلى. تُنتج هذه الطريقة أغشية رقيقة تُعطي شدة حيود غير دقيقة عند الزوايا المتوسطة والعالية. [ 3 ]
طريقة المسحة
هذه طريقة سريعة وفعّالة لتحديد مكونات العينات الكبيرة. تُسحق العينة باستخدام مدقة وهاون حتى يصبح المسحوق قابلاً للدهن على شريحة زجاجية. ثم يُخلط المسحوق مع بضع قطرات من محلول مُشتِّت، عادةً ما يكون إيثانول، ولكن تتوفر أنواع أخرى، ويُوزَّع بالتساوي على الشريحة. يمكن استخدام هذه الطريقة مع كلٍّ من أحجام الحبيبات الكبيرة والصغيرة. [ 3 ]
تقنية تقشير غشاء الترشيح
تمنع هذه التقنية فصل الجسيمات حسب الحجم باستخدام الترشيح السريع أو التحريك السريع للتغلب على سرعة الترسيب . تُسكب العينة في جهاز ترشيح فراغي وتُرشح بسرعة، مع ترك كمية من السائل لمنع مرور الهواء عبرها، ثم يُسكب السائل المتبقي. بعد ذلك، تُقلب العينة الرطبة على شريحة زجاجية وتُزال ورقة الترشيح. يسمح الترشيح السريع بتجميع حجم جسيمات مُمثل على ورقة الترشيح، والتي تُقلب بدورها وتُعرض عند تثبيتها على الشريحة. [ 4 ] [ 6 ]
صفيحة مسامية بالطرد المركزي
تُنتج هذه الطريقة أفضل أنماط حيود من بين الطرق الأربع الأكثر شيوعًا، ولكنها تتطلب مهارة عالية وتستغرق وقتًا أطول. عند الانتهاء، تكون العينات ذات تجمعات كثيفة واتجاه مفضل. يُوضع جهاز خاص مُصمم لحمل صفيحة خزفية مسامية في وعاء جهاز الطرد المركزي، ويُملأ بالعينة المُعلقة. يدفع الطرد المركزي السائل عبر الصفيحة المسامية، تاركًا العينة لتُجفف عند درجة حرارة أقل من 100 درجة مئوية. من مزايا هذه الطريقة إمكانية إزالة الكاتيونات القابلة للتبادل بتمرير محلول كلوريد عبر الصفيحة بعد تجفيف العينة. يُمكن أن يكون تبادل الكاتيونات مفيدًا عند تحديد قمم المعايير ذات الكاتيونات المتغيرة بين الطبقات. على سبيل المثال، يحتوي النونترونيت على طبقة بينية قد تحتوي على كل من الكالسيوم والصوديوم. إذا كان يُشتبه في أن عينة مجهولة تحتوي على أحد هذين الكاتيونين فقط، يُمكن تحضير معيار أكثر دقة عن طريق تبادل الكاتيون غير المرغوب فيه. [ 3 ] [ 7 ]
مراجع
- 1 2 3 فور، غونتر (1998). مبادئ وتطبيقات الجيوكيمياء : كتاب شامل لطلاب الجيولوجيا ( الطبعة الثانية). أبر سادل ريفر، نيوجيرسي: برنتيس هول. ISBN 978-0023364501.
- ↑ بيتس، إس. "حيود الأشعة السينية من المواد غير البلورية: نموذج ديباي" (PDF) .
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 رينولدز، دوان م. مور؛ روبرت سي. (1997). حيود الأشعة السينية وتحديد وتحليل المعادن الطينية ( الطبعة الثانية). أكسفورد [ua]: مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 9780195087130.
{{cite book}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط ) - 1 2 شيبرا، إس جيه؛ بيش، دي إل (2001). "دراسات أساسية لطين المصدر التابع لجمعية معادن الطين: تحليل حيود الأشعة السينية للمساحيق". الطين ومعادن الطين . 49 (5): 389-409 . Bibcode : 2001CCM....49..398C . doi : 10.1346/CCMN.2001.0490507 .
- ↑ بريندلي، ج. (1952). "تحديد المعادن الطينية بواسطة تحليل حيود الأشعة السينية". الطين والمعادن الطينية . 201 (1): 119. Bibcode : 1952CCM.....1..119B . doi : 10.1346/ccmn.1952.0010116 .
- ↑ دريفر، جي آي (1973). "تحضير عينات المعادن الطينية الموجهة لتحليل حيود الأشعة السينية بتقنية تقشير غشاء الترشيح" (ملف PDF) . عالم المعادن الأمريكي . 58 : 741-751 .
- ↑ كينتر، إي بي؛ دايموند، إس. (1956). "طريقة جديدة لإعداد ومعالجة التجمعات الموجهة من طين التربة لتحليل حيود الأشعة السينية". علم التربة . 82 (2): 111-120 . doi : 10.1097/00010694-195602000-00003 .
- علم البلورات بالأشعة السينية