岩浆岩岩石学中矿物含量的含义及其规范的表示方法

2017-03-14李凯明

东华理工大学学报(自然科学版) 2017年4期

李凯明

(地质出版社，北京 100083)

在描述岩浆岩的矿物组成特征或定量计算时，都会涉及各种矿物的含量，但绝大部分论著都笼统地用“含量”这一术语来表示各种矿物的相对数量，甚至在岩浆岩分类的国家标准中(国家质量技术监督局，1998)也大量使用“含量”这一概念，且上下文既未对矿物的类别进行甄别，也未对含量数值的物理量给予规范的表示。这就造成初学者在实际计算时，对矿物含量的理解和使用模糊不清，若应用不当就会导致错误的计算结果。因此，有必要对岩浆岩岩石学中涉及的各类矿物及其含量进行分析讨论，搞清其确切的含义。

本文主要从两个方面进行讨论，首先讨论对“含量”这一术语的理解，其次对岩浆岩岩石学中涉及的矿物进行大类区分，并给出了各大类矿物含量规范的表示方法。

1 对含量的定义及理解

《现代汉语词典》对“含量”一词的解释为“一种物质中所包含的某种成分的数量”，给出的释例为“这种食品的脂肪含量很高”。从全国科学技术名词审定委员会(2010)发布的“公布名词2.0”光盘版中，搜索“含量”一词，包含“含量”的名词共有59条，如“灰分含量”，“泥质含量”，“氧含量”等，但仅列出了名词条目，未给出各自的定义。《地球科学大辞典》未对“含量”给出单独的词条，但是在各名词解释的正文中，“含量”这一术语大量出现。

从《现代汉语词典》对“含量”的释义来看，其“数量”的含义范围甚广，既可以用质量表示，也可以用体积表示，也可以用物质的量(过去曾称为摩尔数)表示……因此，出版界和科技界曾以“含量的含义模糊”为由一度想废除这一术语，而用其他确切的物理量来代替。但是，当仅仅定性描述某一物质所占整体的比例大小时，用“含量”来表示的确非常贴切。再者，从“公布名词2.0”光盘版和《地球科学大辞典》检索情况来看，“含量”一词的出现频率也非常高。另外，“含量”一词在人们日常生活及各学科的应用也很普遍，尤其在定性表述时，如“地壳中氧含量非常高”，“SiO2含量是划分岩浆岩大类的主要依据”等，对于这种表述，就没有必要过分追究其确切的含义，也没有必要用其他物理量来替换，这既符合人们的表述习惯，也不至于由于复杂的书写格式而影响或中断了人们的阅读。

当涉及含量的定量表示时，其表示方法有两种：一种为绝对含量，如“100 g岩石中SiO2的含量为65 g”，这种情况是给出了物质整体的具体数量，如“100 g”，这里的“65 g”的含义也是确定的，即用质量表示的绝对数量，因为从其数值的单位可以判断；另一种为相对含量，通常情况下，物质整体数量是不确定的(如一块标本或一件样品)，要描述其中某一物质的含量，就用相对含量来表示，如“某岩石中的SiO2含量为65%”，即对于这一类岩石，无论一块岩石标本的整体质量是100 g还是200 g(或整体体积为100 cm3或200 cm3)，SiO2的相对含量是个相对固定的数值(65%)，但从数值上不好判断是质量上的比例，或者体积上的比例，还是物质的量上的比例。在地质学中，绝大部分情况属于后一种。对于后一种情况，若文中未给出规范的物理量或未做明确说明，读者或初学者就很难准确把握其确切含义，从而导致错误的理解，尤其在具体计算时，就可能得出错误的结果。

这里需要说明的是，本文所要讨论的“含量”，并非指仅在字面上包含“含量”的术语，还包括与之类似的术语，如百分比、丰度、比率、分子百分数、百分含量，等等。因为这些术语与含量的含义类似，均指“部分占整体的多少”，其数值可以表示为10-2(或%)，也可以表示为10-6(过去用ppm表示)或10-9(过去用ppb表示)，其规范的物理量可能为质量分数或体积分数，也可能为摩尔分数。

2 岩浆岩岩石学中各种矿物含量的确切含义及其规范表示

在岩浆岩岩石学中，依据不同的分类方案，可以划分出不同的岩石类别，但涉及矿物含量的定量表述时，一般可以划归为三种情况：实际矿物含量、标准矿物含量和端元矿物含量。然而大部分情况下，文中并未给出属于具体的哪一种矿物的含量，都笼统地称为矿物含量，所以要准确理解岩浆岩岩石学中涉及的矿物含量的确切含义，就应首先区分矿物属于这三类中的哪一类，然后才能用规范的物理量来表示其含量。

2.1 实际矿物含量

实际矿物是指在岩石薄片或手标本上统计出的实际出现的矿物，因此，实际矿物含量是在显微镜下或肉眼观察统计的结果，其含量的确切含义是：某一实际矿物的体积占整体薄片或手标本的体积。所以，实际矿物含量用规范的物理量——体积分数来表示最为合理。过去常用体积比或体积百分数来表示，如过去的岩石学文献中常见到这样的表述：“岩石中石英含量为20v%”或“岩石中长石含量达20%(v/v%，v/%)”，等等。现行规范中，体积分数用代号φB来表示，其中“B”代表多种矿物(当不能确定为具体的一种矿物时)；当表示某一种具体矿物(如石英，代号为Q)的体积分数时，其中的“B”就可以替换为具体的矿物名称或代号，如φQ=20%，在实际中为了排版的方便，也可以书写为φ(Q)=20%，这种表示方法都是十分规范的；但若已知矿物是石英，其体积分数为20%，再用φB=20%来表示，就不是规范的表示方法。

因此，在薄片或手标本上统计出来的实际矿物含量，均为体积分数。在岩浆岩岩石学中，色率定义中所指的暗色矿物含量也属于体积分数，如某一岩石中暗色矿物的体积分数为45%，其色率就等于45%。在岩浆岩分类命名的各类三角图解中，只要是按实际矿物含量进行投点的，如QAP(F)、Ol-Opx-Cpx、Pl-Px-Ol等图解，其三种矿物含量就是用体积分数表示的，只不过投点时，其数值不是按三种矿物的实际体积分数投点，而是将三种矿物的实际体积分数求和，再计算三种矿物分别在求和中所占的比例，最后按三种矿物的相对体积分数进行投点。

总之，在岩浆岩岩石学中只要是实际矿物的含量，如无特殊说明，均指体积分数(φB)。

2.2 标准矿物含量

当岩浆岩中无法直接识别出实际矿物，也无从统计出实际矿物含量时，常常通过全岩化学分析结果(氧化物的质量分数)来计算各标准矿物的含量。在岩浆岩岩石学中，常用的标准矿物有CIPW标准矿物和阳离子标准矿物。

(1)CIPW标准矿物。利用CIPW计算方法得出标准矿物，称为CIPW标准矿物。其计算原理及过程可参考(邱家骧，1991，1985；刘宝良，2011)，目前，都有现成的计算程序，这里不去过多讨论。CIPW计算出各标准矿物的含量，过去常用“重量百分比(wt%)”或“质量百分比(m/m%)”或干脆就用“含量”来表示。例如，某一岩浆岩中，“CIPW标准矿物石英含量为20%(wt%)或10wt%”等表述，其实质就是质量分数(wB)，其规范的书写格式应为w(Q)=20%，或wQ=20%，即表示CIPW标准矿物石英的质量占岩石总质量的比例。

CIPW标准矿物在岩浆岩中应用广泛，如用于结晶细小的熔岩的分类命名，岩浆岩结晶实验的物理化学相图，有关相图中对已知岩石进行物化条件的成因分析，以及通过CIPW标准矿物换算一些岩石学中常用参数等(桑隆康等，2012)。因此，上述应用中所使用的CIPW标准矿物含量，均指质量分数(wB)。例如：常用的TAS判别图解中B区、T区和U1区中所使用的Ne，Q，Ol矿物，对于较酸性岩石的分异指数(DI)公式中的六种矿物Q+Or+Ab+Ne+Le+Kp，用于判断花岗岩成因的Q-Ab-Or图解中的矿物，均为CIPW标准矿物，其数值用质量分数表示。

(2)阳离子标准矿物。在岩浆岩岩石学中，阳离子标准矿物一般指巴尔特-尼格里标准矿物，其计算方法与CIPW法相似，但其计算的结果表示的是：某一标准矿物中阳离子数占岩石中所有阳离子总数的比例。例如，某一岩浆岩中，三种长石的巴尔特-尼格里标准矿物计算结果为：Ab 23.5%，Or 2.3%，An 33.5%，即Ab、Or、An中的阳离子数分别占岩石中所有阳离子数的23.5%、2.3%和33.5%。

事实上，某一离子数占总离子数的比例在数值上等同于摩尔分数。在国家标准中，摩尔分数的物理量用xB来表示(B代表某一物质)，但要注意的是，巴尔特-尼格里标准矿物计算结果表示的是某一种标准矿物阳离子总数的摩尔分数，不是某一矿物的实际摩尔分数，要想得到阳离子标准矿物的实际摩尔分数，需要将计算结果除以该标准矿物的阳离子系数(如Ab，Or，An的阳离子系数为5，Fs，En，Wo的阳离子系数为2，Fo，Fa的阳离子系数为3，等等)，然后将所有标准矿物的该计算结果再加和到100%，最后可以求出每一种标准矿物的摩尔分数，此时计算的结果便为阳离子标准矿物的实际摩尔分数。例如，某一岩石的巴尔特-尼格里标准矿物计算结果分别为：Ap 0.29%，Il 1.96%，Mt 3.62%，Or 2.3%，Ab 23.5%，An 33.55%，Wo 1.42%，En 1.08%，Fs 0.34%，En*18.76%，Fs*5.94%，Q 7.23%(李凡友等，1995)，笔者经过最终计算得出标准矿物的实际摩尔分数分别为：Ap 0.10%，Il 2.8%，Mt 3.45%，Or 1.31%，Ab 13.43%，An 19.17%，Wo 2.03%，En 1.54%，Fs 0.49%，En*26.8%，Fs*8.49%，Q 20.66%。可见巴尔特-尼格里标准矿物的结果值与矿物的实际摩尔分数之间数值差别很大。

阳离子标准矿物在岩浆岩岩石学中应用广泛，如划分碱性和亚碱性系列的图解Ol′-Ne′-Q′(Ol′=Ol+3/4 Opx，Ne′=Ne+3/5 Ab，Q′=Q+2/5 Ab+1/4 Opx)，火山岩分类命名图解Q′-F′-AnOr [Q′=Q/(Q+Or+Ab+An)，F′=(Ne+Lc+Kp)/(Ne+Lc+Kp Or+Ab+An)，AnOr=An/(An+Or)]，划分拉斑玄武岩系列和钙碱性系列图解Al2O3-An中，各参数中除Al2O3为质量分数外，其余参数均为巴特尔-尼格里阳离子标准矿物计算值。

2.3 端元矿物含量

在岩浆岩岩石学中涉及呈类质同象的各种矿物系列时，常用端元矿物含量来表示，如斜长石系列的An值、橄榄石系列的Fo值、辉石中系列的Wo-En-Fs值，等等，在岩石学中一般均笼统地用“含量百分数”，或者用“分子百分数”(或“分子百分含量”“分子百分比”)来表示。确切地讲，这里所指的类似“含量百分数”或“分子百分比”等术语，并不是一个规范的物理量。

下面以斜长石系列为例来说明。斜长石系列用端元矿物An分子百分数表示的牌号，确切含义就是某一斜长石中An分子数(即nAn)占An+Ab分子数(即nAn+nAb)的比例，其实质就是摩尔分数(xB，这里B可以用An代替)。用摩尔分数这一规范的物理量来表示端元矿物含量，其含义就非常明确，因为摩尔分数(xB)，既说明其是物质的量的比例[如nAb/(nAn+nAb)]，也说明其肯定是一个小于等于1的值，就不存在对百分数的理解歧义。如斜长石牌号为20，其确切的含义为钙长石端元矿物的摩尔分数为20%，规范的书写格式应为xAn=20%，只不过在实际应用中，其惯用的An20(或An20Ab80)是去掉了%的一种书写格式罢了，同理，Fo80值(或Fo80Fa20)或Wo20En30Fs50，其含义均为摩尔分数数值去掉了%的形式。

所以，涉及到类质同象系列的矿物端元含量，如无特殊标注，均为摩尔分数。如长石的三端元An-Ab-Or分类图解，辉石的Wo-En-Fs分类图解，橄榄石的Fo-Fa分类图解等，其投点应用时，端元矿物含量均为摩尔分数(xB)。