The Rietveld Method applied to quantitative phase analysis of minerals containing disordered structures

Abstract

The Rietveld method was successfully used for the quantitative phase analysis (QPA) of zeolitized rocks containing montmorillonite, a phase in which the atomic positions cannot be determined exactly. The freely distributed program FULLPROF was used in its profile-matching mode with CuKα X-ray data. This program permit carrying out quantitative analysis without using structural data for one of the phases. This method was applied to a set of reference mixtures of kaolinite and quartz, in order to show its effectiveness compared to normal refinement. The composition of these synthetic mixtures covered the range between 10 wt% and 90 wt% of both components. The absolute errors were lower than 5 wt%. Also, a set of artificial mixtures of quartz, clinoptilolite, and montmorillonite were quantified with the profilematching mode applied to montmorillonite. The absolute errors were lower than 6 wt%. Ten different measurements and refinements were carried out on one of these samples to obtain estimates of the true standard deviations of the concentrations. The average error values obtained are similar to the error reported by the FULLPROF program from a single refinement. The application of the method to two zeolitized tuffs of the Chubut Group, Patagonia, Argentina, with different percentages of clinoptilolite, quartz, feldspars, and clay minerals resulted in an absolute error of 3 wt% (compared to the results estimated by chemical and thermogravimetric analysis). For the zeolite phase (clinoptilolite), it was necessary to refine the occupation parameters of the exchangeable cations and the structural water molecules. The results indicate that quantitative analysis by the Rietveld method, using the FULLPROF program in the profilematching mode for one of the phases, may be used as a routine tool for the characterization of mineral samples that contain phases with disordered structures.

El método de Rietveld fue utilizado con éxito para el análisis cuantitativo (QPA) de rocas ceolitizadas conteniendo montmorillonita, fase en la cual las posiciones atómicas no pueden determinarse exactamente. El programa de distribución gratuita FULLPROF fue utilizado en su modo 'profile-matching' con datos de difracción de rayos X obtenidos con radiación de CuKα. Este programa posibilita la realización del análisis cuantitativo sin usar datos estructurales para una de las fases. Este método se aplicó a un conjunto de mezclas de referencia de caolinita y cuarzo para mostrar su efectividad comparada con el refinamiento convencional. La composición de estas mezclas sintéticas cubrió el rango entre 10% y 90% en peso de ambos componentes. Los errores absolutos fueron menores que 5% en peso. También se analizó un conjunto de mezclas artificiales de cuarzo, clinoptilolita, y montmorillonita, con el modo 'profile-matching' aplicado a la montmorillonita. Los errores absolutos fueron menores que 6% en peso. Para obtener estimaciones de las verdaderas desviaciones estándar de las concentraciones se realizaron diez mediciones y refinamientos diferentes sobre una de estas muestras. La aplicación del método a dos tobas ceolitizadas del Grupo Chubut, Patagonia, Argentina, con diferentes proporciones de clinoptilolita, cuarzo, feldespatos y argilominerales, presentó un error absoluto de 3% en peso (comparados con los resultados estimados a partir del análisis químico y termogravimétrico). Para la ceolita (clinoptilolita), fue necesario refinar los parámetros de ocupación de los cationes intercambiables y de las moléculas de agua. Los resultados indican que el análisis cuantitativo por el método de Rietveld con el programa FULLPROF en el modo 'profile-matching' para una de las fases, puede usarse como una herramienta rutinaria en la caracterización de muestras minerales que contienen fases con estructuras desordenadas.