巖漿巖巖石學(xué)中礦物含量的含義及其規(guī)范的表示方法

李凱明

(地質(zhì)出版社，北京 100083)

在描述巖漿巖的礦物組成特征或定量計(jì)算時(shí)，都會(huì)涉及各種礦物的含量，但絕大部分論著都籠統(tǒng)地用“含量”這一術(shù)語(yǔ)來(lái)表示各種礦物的相對(duì)數(shù)量，甚至在巖漿巖分類的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中(國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，1998)也大量使用“含量”這一概念，且上下文既未對(duì)礦物的類別進(jìn)行甄別，也未對(duì)含量數(shù)值的物理量給予規(guī)范的表示。這就造成初學(xué)者在實(shí)際計(jì)算時(shí)，對(duì)礦物含量的理解和使用模糊不清，若應(yīng)用不當(dāng)就會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果。因此，有必要對(duì)巖漿巖巖石學(xué)中涉及的各類礦物及其含量進(jìn)行分析討論，搞清其確切的含義。

本文主要從兩個(gè)方面進(jìn)行討論，首先討論對(duì)“含量”這一術(shù)語(yǔ)的理解，其次對(duì)巖漿巖巖石學(xué)中涉及的礦物進(jìn)行大類區(qū)分，并給出了各大類礦物含量規(guī)范的表示方法。

1 對(duì)含量的定義及理解

《現(xiàn)代漢語(yǔ)詞典》對(duì)“含量”一詞的解釋為“一種物質(zhì)中所包含的某種成分的數(shù)量”，給出的釋例為“這種食品的脂肪含量很高”。從全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)(2010)發(fā)布的“公布名詞2.0”光盤版中，搜索“含量”一詞，包含“含量”的名詞共有59條，如“灰分含量”，“泥質(zhì)含量”，“氧含量”等，但僅列出了名詞條目，未給出各自的定義?！兜厍蚩茖W(xué)大辭典》未對(duì)“含量”給出單獨(dú)的詞條，但是在各名詞解釋的正文中，“含量”這一術(shù)語(yǔ)大量出現(xiàn)。

從《現(xiàn)代漢語(yǔ)詞典》對(duì)“含量”的釋義來(lái)看，其“數(shù)量”的含義范圍甚廣，既可以用質(zhì)量表示，也可以用體積表示，也可以用物質(zhì)的量(過(guò)去曾稱為摩爾數(shù))表示……因此，出版界和科技界曾以“含量的含義模糊”為由一度想廢除這一術(shù)語(yǔ)，而用其他確切的物理量來(lái)代替。但是，當(dāng)僅僅定性描述某一物質(zhì)所占整體的比例大小時(shí)，用“含量”來(lái)表示的確非常貼切。再者，從“公布名詞2.0”光盤版和《地球科學(xué)大辭典》檢索情況來(lái)看，“含量”一詞的出現(xiàn)頻率也非常高。另外，“含量”一詞在人們?nèi)粘Ｉ罴案鲗W(xué)科的應(yīng)用也很普遍，尤其在定性表述時(shí)，如“地殼中氧含量非常高”，“SiO2含量是劃分巖漿巖大類的主要依據(jù)”等，對(duì)于這種表述，就沒(méi)有必要過(guò)分追究其確切的含義，也沒(méi)有必要用其他物理量來(lái)替換，這既符合人們的表述習(xí)慣，也不至于由于復(fù)雜的書寫格式而影響或中斷了人們的閱讀。

當(dāng)涉及含量的定量表示時(shí)，其表示方法有兩種：一種為絕對(duì)含量，如“100 g巖石中SiO2的含量為65 g”，這種情況是給出了物質(zhì)整體的具體數(shù)量，如“100 g”，這里的“65 g”的含義也是確定的，即用質(zhì)量表示的絕對(duì)數(shù)量，因?yàn)閺钠鋽?shù)值的單位可以判斷；另一種為相對(duì)含量，通常情況下，物質(zhì)整體數(shù)量是不確定的(如一塊標(biāo)本或一件樣品)，要描述其中某一物質(zhì)的含量，就用相對(duì)含量來(lái)表示，如“某巖石中的SiO2含量為65%”，即對(duì)于這一類巖石，無(wú)論一塊巖石標(biāo)本的整體質(zhì)量是100 g還是200 g(或整體體積為100 cm3或200 cm3)，SiO2的相對(duì)含量是個(gè)相對(duì)固定的數(shù)值(65%)，但從數(shù)值上不好判斷是質(zhì)量上的比例，或者體積上的比例，還是物質(zhì)的量上的比例。在地質(zhì)學(xué)中，絕大部分情況屬于后一種。對(duì)于后一種情況，若文中未給出規(guī)范的物理量或未做明確說(shuō)明，讀者或初學(xué)者就很難準(zhǔn)確把握其確切含義，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的理解，尤其在具體計(jì)算時(shí)，就可能得出錯(cuò)誤的結(jié)果。

這里需要說(shuō)明的是，本文所要討論的“含量”，并非指僅在字面上包含“含量”的術(shù)語(yǔ)，還包括與之類似的術(shù)語(yǔ)，如百分比、豐度、比率、分子百分?jǐn)?shù)、百分含量，等等。因?yàn)檫@些術(shù)語(yǔ)與含量的含義類似，均指“部分占整體的多少”，其數(shù)值可以表示為10-2(或%)，也可以表示為10-6(過(guò)去用ppm表示)或10-9(過(guò)去用ppb表示)，其規(guī)范的物理量可能為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或體積分?jǐn)?shù)，也可能為摩爾分?jǐn)?shù)。

2 巖漿巖巖石學(xué)中各種礦物含量的確切含義及其規(guī)范表示

在巖漿巖巖石學(xué)中，依據(jù)不同的分類方案，可以劃分出不同的巖石類別，但涉及礦物含量的定量表述時(shí)，一般可以劃歸為三種情況：實(shí)際礦物含量、標(biāo)準(zhǔn)礦物含量和端元礦物含量。然而大部分情況下，文中并未給出屬于具體的哪一種礦物的含量，都籠統(tǒng)地稱為礦物含量，所以要準(zhǔn)確理解巖漿巖巖石學(xué)中涉及的礦物含量的確切含義，就應(yīng)首先區(qū)分礦物屬于這三類中的哪一類，然后才能用規(guī)范的物理量來(lái)表示其含量。

2.1 實(shí)際礦物含量

實(shí)際礦物是指在巖石薄片或手標(biāo)本上統(tǒng)計(jì)出的實(shí)際出現(xiàn)的礦物，因此，實(shí)際礦物含量是在顯微鏡下或肉眼觀察統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，其含量的確切含義是：某一實(shí)際礦物的體積占整體薄片或手標(biāo)本的體積。所以，實(shí)際礦物含量用規(guī)范的物理量——體積分?jǐn)?shù)來(lái)表示最為合理。過(guò)去常用體積比或體積百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，如過(guò)去的巖石學(xué)文獻(xiàn)中常見(jiàn)到這樣的表述：“巖石中石英含量為20v%”或“巖石中長(zhǎng)石含量達(dá)20%(v/v%，v/%)”，等等。現(xiàn)行規(guī)范中，體積分?jǐn)?shù)用代號(hào)φB來(lái)表示，其中“B”代表多種礦物(當(dāng)不能確定為具體的一種礦物時(shí))；當(dāng)表示某一種具體礦物(如石英，代號(hào)為Q)的體積分?jǐn)?shù)時(shí)，其中的“B”就可以替換為具體的礦物名稱或代號(hào)，如φQ=20%，在實(shí)際中為了排版的方便，也可以書寫為φ(Q)=20%，這種表示方法都是十分規(guī)范的；但若已知礦物是石英，其體積分?jǐn)?shù)為20%，再用φB=20%來(lái)表示，就不是規(guī)范的表示方法。

因此，在薄片或手標(biāo)本上統(tǒng)計(jì)出來(lái)的實(shí)際礦物含量，均為體積分?jǐn)?shù)。在巖漿巖巖石學(xué)中，色率定義中所指的暗色礦物含量也屬于體積分?jǐn)?shù)，如某一巖石中暗色礦物的體積分?jǐn)?shù)為45%，其色率就等于45%。在巖漿巖分類命名的各類三角圖解中，只要是按實(shí)際礦物含量進(jìn)行投點(diǎn)的，如QAP(F)、Ol-Opx-Cpx、Pl-Px-Ol等圖解，其三種礦物含量就是用體積分?jǐn)?shù)表示的，只不過(guò)投點(diǎn)時(shí)，其數(shù)值不是按三種礦物的實(shí)際體積分?jǐn)?shù)投點(diǎn)，而是將三種礦物的實(shí)際體積分?jǐn)?shù)求和，再計(jì)算三種礦物分別在求和中所占的比例，最后按三種礦物的相對(duì)體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行投點(diǎn)。

總之，在巖漿巖巖石學(xué)中只要是實(shí)際礦物的含量，如無(wú)特殊說(shuō)明，均指體積分?jǐn)?shù)(φB)。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)礦物含量

當(dāng)巖漿巖中無(wú)法直接識(shí)別出實(shí)際礦物，也無(wú)從統(tǒng)計(jì)出實(shí)際礦物含量時(shí)，常常通過(guò)全巖化學(xué)分析結(jié)果(氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù))來(lái)計(jì)算各標(biāo)準(zhǔn)礦物的含量。在巖漿巖巖石學(xué)中，常用的標(biāo)準(zhǔn)礦物有CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物和陽(yáng)離子標(biāo)準(zhǔn)礦物。

(1)CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物。利用CIPW計(jì)算方法得出標(biāo)準(zhǔn)礦物，稱為CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物。其計(jì)算原理及過(guò)程可參考(邱家驤，1991，1985；劉寶良，2011)，目前，都有現(xiàn)成的計(jì)算程序，這里不去過(guò)多討論。CIPW計(jì)算出各標(biāo)準(zhǔn)礦物的含量，過(guò)去常用“重量百分比(wt%)”或“質(zhì)量百分比(m/m%)”或干脆就用“含量”來(lái)表示。例如，某一巖漿巖中，“CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物石英含量為20%(wt%)或10wt%”等表述，其實(shí)質(zhì)就是質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wB)，其規(guī)范的書寫格式應(yīng)為w(Q)=20%，或wQ=20%，即表示CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物石英的質(zhì)量占巖石總質(zhì)量的比例。

CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物在巖漿巖中應(yīng)用廣泛，如用于結(jié)晶細(xì)小的熔巖的分類命名，巖漿巖結(jié)晶實(shí)驗(yàn)的物理化學(xué)相圖，有關(guān)相圖中對(duì)已知巖石進(jìn)行物化條件的成因分析，以及通過(guò)CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物換算一些巖石學(xué)中常用參數(shù)等(桑隆康等，2012)。因此，上述應(yīng)用中所使用的CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物含量，均指質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wB)。例如：常用的TAS判別圖解中B區(qū)、T區(qū)和U1區(qū)中所使用的Ne，Q，Ol礦物，對(duì)于較酸性巖石的分異指數(shù)(DI)公式中的六種礦物Q+Or+Ab+Ne+Le+Kp，用于判斷花崗巖成因的Q-Ab-Or圖解中的礦物，均為CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物，其數(shù)值用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。

(2)陽(yáng)離子標(biāo)準(zhǔn)礦物。在巖漿巖巖石學(xué)中，陽(yáng)離子標(biāo)準(zhǔn)礦物一般指巴爾特-尼格里標(biāo)準(zhǔn)礦物，其計(jì)算方法與CIPW法相似，但其計(jì)算的結(jié)果表示的是：某一標(biāo)準(zhǔn)礦物中陽(yáng)離子數(shù)占巖石中所有陽(yáng)離子總數(shù)的比例。例如，某一巖漿巖中，三種長(zhǎng)石的巴爾特-尼格里標(biāo)準(zhǔn)礦物計(jì)算結(jié)果為：Ab 23.5%，Or 2.3%，An 33.5%，即Ab、Or、An中的陽(yáng)離子數(shù)分別占巖石中所有陽(yáng)離子數(shù)的23.5%、2.3%和33.5%。

事實(shí)上，某一離子數(shù)占總離子數(shù)的比例在數(shù)值上等同于摩爾分?jǐn)?shù)。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，摩爾分?jǐn)?shù)的物理量用xB來(lái)表示(B代表某一物質(zhì))，但要注意的是，巴爾特-尼格里標(biāo)準(zhǔn)礦物計(jì)算結(jié)果表示的是某一種標(biāo)準(zhǔn)礦物陽(yáng)離子總數(shù)的摩爾分?jǐn)?shù)，不是某一礦物的實(shí)際摩爾分?jǐn)?shù)，要想得到陽(yáng)離子標(biāo)準(zhǔn)礦物的實(shí)際摩爾分?jǐn)?shù)，需要將計(jì)算結(jié)果除以該標(biāo)準(zhǔn)礦物的陽(yáng)離子系數(shù)(如Ab，Or，An的陽(yáng)離子系數(shù)為5，F(xiàn)s，En，Wo的陽(yáng)離子系數(shù)為2，F(xiàn)o，F(xiàn)a的陽(yáng)離子系數(shù)為3，等等)，然后將所有標(biāo)準(zhǔn)礦物的該計(jì)算結(jié)果再加和到100%，最后可以求出每一種標(biāo)準(zhǔn)礦物的摩爾分?jǐn)?shù)，此時(shí)計(jì)算的結(jié)果便為陽(yáng)離子標(biāo)準(zhǔn)礦物的實(shí)際摩爾分?jǐn)?shù)。例如，某一巖石的巴爾特-尼格里標(biāo)準(zhǔn)礦物計(jì)算結(jié)果分別為：Ap 0.29%，Il 1.96%，Mt 3.62%，Or 2.3%，Ab 23.5%，An 33.55%，Wo 1.42%，En 1.08%，F(xiàn)s 0.34%，En*18.76%，F(xiàn)s*5.94%，Q 7.23%(李凡友等，1995)，筆者經(jīng)過(guò)最終計(jì)算得出標(biāo)準(zhǔn)礦物的實(shí)際摩爾分?jǐn)?shù)分別為：Ap 0.10%，Il 2.8%，Mt 3.45%，Or 1.31%，Ab 13.43%，An 19.17%，Wo 2.03%，En 1.54%，F(xiàn)s 0.49%，En*26.8%，F(xiàn)s*8.49%，Q 20.66%?？梢?jiàn)巴爾特-尼格里標(biāo)準(zhǔn)礦物的結(jié)果值與礦物的實(shí)際摩爾分?jǐn)?shù)之間數(shù)值差別很大。

陽(yáng)離子標(biāo)準(zhǔn)礦物在巖漿巖巖石學(xué)中應(yīng)用廣泛，如劃分堿性和亞堿性系列的圖解Ol′-Ne′-Q′(Ol′=Ol+3/4 Opx，Ne′=Ne+3/5 Ab，Q′=Q+2/5 Ab+1/4 Opx)，火山巖分類命名圖解Q′-F′-AnOr [Q′=Q/(Q+Or+Ab+An)，F(xiàn)′=(Ne+Lc+Kp)/(Ne+Lc+Kp Or+Ab+An)，AnOr=An/(An+Or)]，劃分拉斑玄武巖系列和鈣堿性系列圖解Al2O3-An中，各參數(shù)中除Al2O3為質(zhì)量分?jǐn)?shù)外，其余參數(shù)均為巴特爾-尼格里陽(yáng)離子標(biāo)準(zhǔn)礦物計(jì)算值。

2.3 端元礦物含量

在巖漿巖巖石學(xué)中涉及呈類質(zhì)同象的各種礦物系列時(shí)，常用端元礦物含量來(lái)表示，如斜長(zhǎng)石系列的An值、橄欖石系列的Fo值、輝石中系列的Wo-En-Fs值，等等，在巖石學(xué)中一般均籠統(tǒng)地用“含量百分?jǐn)?shù)”，或者用“分子百分?jǐn)?shù)”(或“分子百分含量”“分子百分比”)來(lái)表示。確切地講，這里所指的類似“含量百分?jǐn)?shù)”或“分子百分比”等術(shù)語(yǔ)，并不是一個(gè)規(guī)范的物理量。

下面以斜長(zhǎng)石系列為例來(lái)說(shuō)明。斜長(zhǎng)石系列用端元礦物An分子百分?jǐn)?shù)表示的牌號(hào)，確切含義就是某一斜長(zhǎng)石中An分子數(shù)(即nAn)占An+Ab分子數(shù)(即nAn+nAb)的比例，其實(shí)質(zhì)就是摩爾分?jǐn)?shù)(xB，這里B可以用An代替)。用摩爾分?jǐn)?shù)這一規(guī)范的物理量來(lái)表示端元礦物含量，其含義就非常明確，因?yàn)槟柗謹(jǐn)?shù)(xB)，既說(shuō)明其是物質(zhì)的量的比例[如nAb/(nAn+nAb)]，也說(shuō)明其肯定是一個(gè)小于等于1的值，就不存在對(duì)百分?jǐn)?shù)的理解歧義。如斜長(zhǎng)石牌號(hào)為20，其確切的含義為鈣長(zhǎng)石端元礦物的摩爾分?jǐn)?shù)為20%，規(guī)范的書寫格式應(yīng)為xAn=20%，只不過(guò)在實(shí)際應(yīng)用中，其慣用的An20(或An20Ab80)是去掉了%的一種書寫格式罷了，同理，F(xiàn)o80值(或Fo80Fa20)或Wo20En30Fs50，其含義均為摩爾分?jǐn)?shù)數(shù)值去掉了%的形式。

所以，涉及到類質(zhì)同象系列的礦物端元含量，如無(wú)特殊標(biāo)注，均為摩爾分?jǐn)?shù)。如長(zhǎng)石的三端元An-Ab-Or分類圖解，輝石的Wo-En-Fs分類圖解，橄欖石的Fo-Fa分類圖解等，其投點(diǎn)應(yīng)用時(shí)，端元礦物含量均為摩爾分?jǐn)?shù)(xB)。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)僅僅是定性地描述某一物質(zhì)在整體中所含的數(shù)量高低、大小時(shí)，用含量表示比較貼切，在行文中不會(huì)產(chǎn)生歧義，因此沒(méi)有必要用其他物理量來(lái)代替。

(2)當(dāng)巖漿巖巖石學(xué)中涉及礦物的定量描述或?qū)嶋H計(jì)算時(shí)，首先需要將礦物區(qū)分出實(shí)際礦物、標(biāo)準(zhǔn)礦物和端元礦物大類，然后才能準(zhǔn)確地把握其確切的含義并用規(guī)范的物理量來(lái)表示。

(3)一般情況下，巖漿巖巖石學(xué)中實(shí)際礦物含量可以用規(guī)范的物理量體積分?jǐn)?shù)表示；CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物含量可以用質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)表示；巴爾特-尼格里標(biāo)準(zhǔn)礦物含量和呈類質(zhì)同象系列的端元礦物含量可以用摩爾分?jǐn)?shù)來(lái)表示。

國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.1998.巖石分類和命名方案 火成巖巖石分類命名方案(GB/T 17412.1—1998)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.

李凡友，鐘康慧，李偉. 1995.由C.I.P.W標(biāo)準(zhǔn)礦物換算為巴爾特-尼格里標(biāo)準(zhǔn)礦物[J]. 西南礦產(chǎn)地質(zhì)，(2):84-87.

劉寶良.2011. CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物計(jì)算法應(yīng)用時(shí)存在問(wèn)題的探討[J].地質(zhì)與資源，10(3)：180-183.

邱家驤.1985.巖漿巖巖石學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社.

邱家驤.1991.應(yīng)用巖漿巖巖石學(xué)[M].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社.

全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì).2010.公布名詞2.0(光盤版)[M/CD].北京：高等教育出版社.

桑隆康，馬昌前.2012.巖石學(xué)[M].2版.北京：地質(zhì)出版社.