路遠(yuǎn)發(fā),李文霞
(長江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,武漢 430100)
CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物計算方法是將巖石氧化物質(zhì)量百分?jǐn)?shù)換算為氧化物分子數(shù),然后按照一定的規(guī)則結(jié)合成若干理想成分的標(biāo)準(zhǔn)礦物(也有稱標(biāo)準(zhǔn)礦物分子)的方法。該方法最初由美國的三位巖石學(xué)家Cross、Iddings和Pirrson及一位地球化學(xué)家Washington[1-2]共同設(shè)計,為紀(jì)念他們的貢獻,后人以他們姓名的首字母組合成CIPW表示該計算方法[3]。該方法自創(chuàng)立以來100多年的時間里,很多學(xué)者都曾嘗試進行改進,但總的來說變化不是很大,所遵循的規(guī)則基本一致,只是在部分細(xì)節(jié)上有所不同。
雖然“標(biāo)準(zhǔn)礦物”與實際礦物之間存在一定的差異,但將其作為一個統(tǒng)一的對比標(biāo)準(zhǔn),對研究巖石學(xué)問題非常有用。很多巖石學(xué)家專門建立了以標(biāo)準(zhǔn)礦物為基礎(chǔ)的巖石分類圖解,如Q’-Anor-F’分類圖解[4-5]、CI-An%分類法分類圖解[6-7]、花崗巖類An-Ab-Or分類圖解[7]和含副長石的標(biāo)準(zhǔn)礦物-MgO分類圖解[8]等。也有不少學(xué)者將標(biāo)準(zhǔn)礦物用于巖石系列劃分,如Irvine和 Baragar[6]所建立的 Ol’-Ne’-Q’圖解和 Cpx-Ol-Opx圖解(劃分堿性系列和亞堿性系列)、An-Ab’-Or圖解(劃分鈉質(zhì)系列和鉀質(zhì)系列)等。此外,一些傳統(tǒng)上用實際礦物建立的有關(guān)圖解,有被標(biāo)準(zhǔn)礦物圖解代替的趨勢。
CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物計算是巖漿巖巖石學(xué)研究中必不可少的計算方法,在大多數(shù)巖漿巖巖石學(xué)專著和教材中都有介紹[9-13]。隨著計算機的普及,用于CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物計算的軟件[14-20]與Excel表格越來越多,其中由美國聯(lián)合學(xué)院(Union College) Hollocher[21]教授根據(jù)Johannsen(1931)[22]的計算步驟設(shè)計的Excel表格深受廣大地學(xué)工作者的歡迎,也是目前國內(nèi)使用的主流軟件(表格)之一。Hollocher的工作表早期版本一次只能計算一個樣品,升級后一次可以處理多件樣品,但仍存在一些不足,如表格設(shè)計復(fù)雜、缺乏靈活的選項(如是否需要進行鐵調(diào)整、是否需要閉合等)、所有樣品只能統(tǒng)一按給定的Fe2O3/Fe2O3t比值進行調(diào)整等。Lowenstern[15]的軟件缺少鐵調(diào)整和閉合功能。由于國外軟件均為英文界面,開發(fā)于英文版Windows和Oきce環(huán)境,這在一定程度上也影響了這些軟件在國內(nèi)的推廣與應(yīng)用。另一方面,目前,國內(nèi)還沒有學(xué)者們共同認(rèn)可的、自主開發(fā)的相關(guān)中文版軟件。本文介紹的CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物計算方法與程序設(shè)計與作者另一篇論文介紹的“Pb-Sr-Nd-Hf同位素參數(shù)計算”[23]一樣,是作者編寫并經(jīng)多次修改完善的一款專業(yè)軟件,是Geokit軟件的一個組件[24]。
參與標(biāo)準(zhǔn)礦物計算的參數(shù)大多數(shù)為主量元素的氧化物和少量微量元素(表1)。目前主量元素含量通常采用XRF分析方法獲得,其中鐵的分析結(jié)果是鐵的總量,通常以Fe2O3形式給出(本文記作Fe2O3t),這一結(jié)果不能分解成Fe2O3和FeO兩部分。
表1 用于CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物計算的標(biāo)準(zhǔn)礦物分子式、分子量和氧化物的分子量Table 1 Molecular formulas, molecular weights of CIPW norm minerals and oxides
續(xù)表1
表1中列出的氧化物(元素)比較多,但不是每件樣品都需要分析這么多項目,其中正體(非斜體)字部分的數(shù)據(jù)就可以滿足計算CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物需要,而斜體字部分的氧化物(元素)對結(jié)果影響不大。一般來說,全分析數(shù)據(jù)應(yīng)有以下組分:SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MnO、MgO、CaO、Na2O、K2O、P2O5、H2O+(±H2O-、LOI),其中 H2O+為結(jié)構(gòu)水,如黑云母、角閃石等礦物晶格中的羥基(OH-),H2O-為吸附水,LOI為灼失量(Loss On Ignition),也稱燒失量,是地質(zhì)樣品在加熱過程中的損失的組分,主要為水和CO2及有機質(zhì),它通常是揮發(fā)份的總和。由于P2O5的存在與否會影響部分含Ca巖石的化學(xué)參數(shù),因此建議計算CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物時加入P2O5這一組分。偏基性的巖石還應(yīng)分析MnO、Cr、Ni、Sr和Ba;花崗巖類,特別是高分異花崗巖最好包含F(xiàn)(Cl)及Zr。
CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物及相關(guān)參數(shù)也一并列于表1中,其中礦物密度用于計算體積分?jǐn)?shù)。這里列出的標(biāo)準(zhǔn)礦物種類很多,但對于單個樣品來說,所出現(xiàn)的礦物并不多,具體會有哪些礦物要看巖石類型(如花崗巖類與基性巖的礦物組合有明顯的不同)及所給的元素的種類,如沒有Zr,就不會出現(xiàn)鋯石,沒有F也就沒有螢石等等。
有了全分析數(shù)據(jù)也不一定適合做進一步的標(biāo)準(zhǔn)礦物計算,還要對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行判斷,并對有關(guān)數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。
1.2.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量判斷
通常情況下,巖石樣品各分析項目的總和應(yīng)在99.75%~100.25%之間,超出范圍的樣品很有可能存在分析質(zhì)量的問題,在沒有查明原因前,不宜使用。
1.2.2 氧化鐵的調(diào)整
⑴ 為什么要進行氧化鐵調(diào)整?
Fe是變價元素,F(xiàn)e3+/Fe2+比值受控于氧化還原狀態(tài)。影響氧化還原狀態(tài)的因素很多,如巖石的產(chǎn)狀(噴出巖氧化程度高于侵入巖)、火山巖相特征(一般火山熔巖的頂部氣化程度高于下部)、巖石的酸堿程度(酸性程度越高,氧化程度也越高)、構(gòu)造環(huán)境以及后期的次生變化(如圍巖蝕變和風(fēng)化作用都會引起氧化程度的增高)等。雖然Fe3+和Fe2+都是鐵,但兩者的地球化學(xué)行為不同,因此兩者比例的變化會導(dǎo)致地球化學(xué)系統(tǒng)的一系列變化。表2中A、B是同一樣品,B經(jīng)過熱處理后部分Fe2+被氧化成Fe3+,兩樣品CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物計算結(jié)果也截然不同。
表2 橄欖玄武巖(A)及其熱處理后巖石(B)的化學(xué)成分與標(biāo)準(zhǔn)礦物Table 2 Chemical composition of olivine basalt (A) and its heat treated (B) and CIPW Norm minerals
造成上述標(biāo)準(zhǔn)礦物成分及數(shù)量變化的原因是Fe2O3的增加使得更多的FeO與Fe2O3分子以1:1比例結(jié)合成磁鐵礦,因此后續(xù)計算透輝石、紫蘇輝石、橄欖石等暗色礦物時可供結(jié)合的FeO分子將減少、甚至用完(赤鐵礦的形成是FeO用完的標(biāo)志);同時由于FeO的減少,使得本來應(yīng)與FeO結(jié)合的SiO2富余出來,最終導(dǎo)致SiO2的過飽和而形成石英。
⑵ 如何判斷Fe2O3是否超標(biāo)?
① 以TiO2為標(biāo)準(zhǔn)
由于巖石中TiO2較為穩(wěn)定,不易受風(fēng)化蝕變等因素的影響,而TiO2與Fe2O3有一定的關(guān)系。Irvine和Baragar[6]認(rèn)為,對于玄武巖中Fe2O3可接受的上限應(yīng)該是:w(Fe2O3)=w(TiO2)+1.5,F(xiàn)e2O3的含量若大于此值,說明Fe2O3超標(biāo)。
在不特指玄武巖的情況下可用以下公式進行判別:若w(Fe2O3)>0.830w(TiO2)+1.60,則說明樣品不新鮮,氧化度高。
② 以氧化度為標(biāo)準(zhǔn)
氧化度的定義為:
OX值越小,巖石的氧化程度越高,反之亦然。
Le Maitre[25]通過對大量樣品的統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)火山巖的OX值上限與巖石化學(xué)成分之間存在如下關(guān)系:
此處把用(1)式獲得的OX值標(biāo)記為OX實,而將由(2)式計算得到的OX值,標(biāo)記為OX允
如果OX實>OX允,表明巖石是新鮮的,反之則表明巖石受到了次生氧化作用的影響。因此在做相關(guān)的數(shù)據(jù)處理時,若OX實< OX允,需要調(diào)整。
對于深成巖,OX允的計算公式調(diào)整為:
目前多數(shù)學(xué)者在進行氧化鐵調(diào)整時多采用Le Matre[25]的方法。
⑶ 調(diào)整方法與實例
對于Fe2O3超標(biāo)的樣品,在調(diào)整前先將全部鐵換算成Fe2O3,然后根據(jù)OX允值計算最大的Fe2O3值作為保留值,將剩余的Fe2O3換算為FeO。
具體算法是:將Fe2O3值調(diào)整到允許的最大值,并將多余的Fe2O3轉(zhuǎn)換為FeO。根據(jù)質(zhì)量守恒定律,由Fe2O3調(diào)換成FeO應(yīng)當(dāng)乘以0.8998,即w(FeO)=0.8998w(Fe2O3)。在精度要求不是特別高時,可近似表示為w(FeO)=0.9w(Fe2O3)。
下面以四個實例(表3)具體介紹。
表3 氧化鐵調(diào)整實例(按深成巖)Table 3 Examples for iron oxide adjustment
實例1:OX實> OX允,不需要調(diào)整。
實例2:OX實< OX允,需要調(diào)整。方法如下:
③ 聯(lián)立(4)式和(5)式,解得w(FeO)=2.70,w(Fe2O3)=1.94。
實例3:因只有三價鐵,故需要調(diào)整,方法同實例2的第②-③步,也與下列實例4的第②-③步完全一致,此處從略。
實例4:只有二價鐵,如果FeO是FeOt,則需要調(diào)整,否則不需要調(diào)整。調(diào)整方法:
③ 聯(lián)立(6)式和(7)式,解得w(FeO)=2.97,w(Fe2O3)=2.35。
需要注意的是,不是所有數(shù)據(jù)處理都要進行氧化鐵調(diào)整。下列幾種情況是不能進行調(diào)整的:
① 凡是要研究巖石的氧化程度,而不需要計算標(biāo)準(zhǔn)礦物者,巖石中Fe2O3、FeO不應(yīng)調(diào)整。
② 凡是計算標(biāo)準(zhǔn)礦物的巖石,F(xiàn)e2O3不超過理論上限值者,一般也不需要調(diào)整;只有超過上限值者,才需要調(diào)整。
③ 如果巖石樣品足夠新鮮,在分析構(gòu)造環(huán)境有關(guān)信息時,不進行Fe2O3、FeO調(diào)整。
揮 發(fā) 份 包 括 H2O+、H2O-、CO2及 LOI。如 果w(H2O+)大于2%,w(CO2)大于0.5%,或二者總和大于2.5%,數(shù)據(jù)不能直接使用。如果知道產(chǎn)生這一結(jié)果的原因,可對其進行相應(yīng)的處理。如杏仁狀玄武巖,若根據(jù)手標(biāo)本或鏡下鑒定結(jié)果,確認(rèn)杏仁體是由方解石充填而成,其分析結(jié)果CO2肯定不低。由于方解石并不是巖漿本身的成分,因此需要從分析結(jié)果中予以扣除。此時可根據(jù)方解石中w(CaO):w(CO2)=1.27的比例,扣除由方解石杏仁體帶入的CaO,然后再進行如下的“閉合”處理。
也就是將參與計算的全部組分的總和換算成100%,再求算各組分的百分含量。
[1]全分析結(jié)果的預(yù)處理,包括鐵調(diào)整、揮發(fā)份處理和閉合。
[2]將預(yù)處理后的氧化物除以對應(yīng)的分子量得到分子數(shù),如w(SiO2)=68.71%,則其分子數(shù)為:
n(SiO2)=w(SiO2)/ 60.0843= 68.71/ 60.0843=1.14356
以下步驟中的分子(元素)都是指分子數(shù)(摩爾數(shù))。
[3]次要組份處理
[3a]將MnO和NiO的分子數(shù)加到FeO的分子數(shù)中,因為Mn與Fe易呈類質(zhì)同象置換;
[3b]將SrO、BaO的分子數(shù)加到CaO的分子數(shù)中。因為Sr、Ba常與Ca進行類質(zhì)同象置換。
[4]副礦物計算
[4a]用3.33倍的CaO與P2O5結(jié)合形成磷灰石,如果分析結(jié)果中有Cl和F,則先參與磷灰石的計算。
[4b]Cl和 F 的副礦物:如果 Cl>0.66 P2O5,Cl先根據(jù)磷灰石的量進行核減(Cl‘=Cl-0.66 P2O5),剩余的Cl(即Cl‘)形成NaCl;如果Cl<0.66 P2O5,則Cl全部進入磷灰石,不足部分以F來補充,最后剩余的 F 組成螢石。如果 F+Cl<0.66 P2O5,F(xiàn)、Cl都進入磷灰石,就不會出現(xiàn)螢石。
[4c]S與FeO形成黃鐵礦,SO3與等量CaO結(jié)合生成無水石膏。
[4d]如果FeO>TiO2,用等量的FeO和TiO2形成鈦鐵礦;如果FeO < TiO2,過量的TiO2和相同量的CaO(限形成鈣長石后剩余的CaO)先形成榍石,如果仍有過量的TiO2,則形成金紅石。
[4e]Cr2O3與等量的FeO形成鉻鐵礦,如果FeO不足,以MgO補充,形成鎂鉻鐵礦。
[5]K2O與等量的Al2O3結(jié)合形成正長石。
[6]剩余的Al2O3與等量的Na2O形成鈉長石;若Al2O3不足,則跳轉(zhuǎn)到第[10]步。
[7]如果仍有Al2O3剩余,則與等量的CaO形成鈣長石。
[8]還有Al2O3多余,形成剛玉。剛玉的存在是Al過飽和的標(biāo)志。
[9]如果CaO與Al2O3形成鈣長石后有CaO剩余,則形成透輝石中的硅灰石,見第[14]、[15]步。
[10]與Al2O3結(jié)合形成鈉長石后多余的Na2O分配給錐輝石,這時無鈣長石(An);如果還有剩余的Na2O,則與Fe2O3結(jié)合形成霓石,若形成霓石后仍有過剩的Na2O,則形成硅酸鈉。
[11]如果剩余的Fe2O3> Na2O,則剩余的Fe2O3與FeO結(jié)合形成磁鐵礦。
[12]如果與FeO形成磁鐵礦后,仍有Fe2O3剩余,則剩余部分形成赤鐵礦。
[13]將MgO與剩余的FeO合并,形成Fm(Fm=MgO+FeO),并根據(jù)它們的比例計算出FmO的分子量及相應(yīng)礦物的分子量,其后用Fm生成硅灰石、紫蘇輝石及橄欖石。
[14]計算鈣長石后剩余的CaO和等量的Fm形成透輝石。所以透輝石和硅灰石的出現(xiàn)是Al不飽和的標(biāo)志性礦物。
[15]如果仍有CaO剩余,則形成硅灰石,因此硅灰石不與紫蘇輝石、橄欖石共生。
[16]如果是Fm剩余,則構(gòu)成紫蘇輝石。[15]、[16]兩個進程只能存在1個。
[17]按照前面所述的分子式比例,把SiO2分配到榍石、錐輝石、正長石、鈉長石、鈣長石、透輝石、硅灰石或紫蘇輝石中。
[18]剩余的SiO2形成石英。石英出現(xiàn)是SiO2過飽和的標(biāo)志
[19]如果SiO2不足,在第[17]步中從形成紫蘇輝石的SiO2扣除,這時有剩余,就按照以下方程將其分配到紫蘇輝石和橄欖石中:
x=2S-M,y=M-x
x是紫蘇輝石的分子數(shù),y是橄欖石的分子數(shù),M是可用的Fm的數(shù)值,S是可用的SiO2數(shù)值。如果SiO2沒有達(dá)到Fm的一半,則Fm都形成橄欖石。SiO2不足,需要把榍石中的SiO2釋放出來,由榍石釋放出的CaO和TiO2計算成鈣鈦礦。
[20]如果SiO2仍然不足,將由鈉長石轉(zhuǎn)化為霞石釋放出的SiO2來補充。
x=(s-2n)/4,y=n-x
式中x是鈉長石的分子數(shù),y是霞石的分子數(shù),n是可用的Na2O,s是可用的SiO2數(shù)值。
[21]如果第[20]步中的SiO2未達(dá)到Na2O的兩倍,則Na2O都形成霞石。不足的SiO2是通過將部分鉀(正)長石轉(zhuǎn)變?yōu)榘琢袷@得。如果全部鉀長石釋放出的硅仍不足以滿足Fm形成橄欖石的需要,即SiO2仍然不足,需要依次將硅灰石轉(zhuǎn)變?yōu)樾惫桠}石、以及將透輝石分解為斜硅鈣石+橄欖石并釋放出SiO2來補充。如果SiO2還是不足,則將形成的橄欖石轉(zhuǎn)變?yōu)榉借F礦(Fe, Mg)O。
[22]用標(biāo)準(zhǔn)礦物分子數(shù)乘以其分子量獲得最后的標(biāo)準(zhǔn)礦物質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。如果要計算標(biāo)準(zhǔn)礦物的體積百分?jǐn)?shù),則將質(zhì)量分?jǐn)?shù)除以各礦物的密度,然后計算各礦物的相對百分?jǐn)?shù)。之所以要將質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w積分?jǐn)?shù),是因為:我們通常使用的實際礦物(如QAP分類圖解)都是鏡下鑒定給出的結(jié)果,而鏡下鑒定與統(tǒng)計結(jié)果都是以礦物的體積分?jǐn)?shù)表示的。
以上過程用計算機的流程圖可表示為圖1。
圖1 CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物計算流程圖Fig.1 Flow chart of CIPW Norm Mineral calculation
此外,在標(biāo)準(zhǔn)礦物的具體應(yīng)用過程中還涉及到數(shù)據(jù)的進一步處理,如鈉長石(Ab)在自然界并不是一個可以獨立存在的礦物,其中一部分與鉀長石呈類質(zhì)同像,形成鉀長石,另一部分與鈣長石類質(zhì)同像,形成斜長石。這就存在鈉長石在鉀長石與鈣長石中的分配比例問題。
(1)關(guān)于鈉長石的分配問題,不同學(xué)者采用的方法有所不同。對此,劉寶良[26]曾對多種方法做過對比研究,認(rèn)為按如下方案將Ab分配到堿性長石(A)和斜長石(P)中比較合理:
A=Or×T, P=An×T ,其中 T= (Or+An+Ab) /(Or+An)
(2)關(guān)于斜長石的牌號(An%)計算,有An%= An / (An + Ab) × 100和 An% = An/ (An+2Ab)×100兩種算法。本文采用第二種算法,因為斜長石的分子式可以看作是由兩個Na+替換鈣長石的一個Ca2+而構(gòu)成,也就是兩個鈉長石分子相當(dāng)于一個鈣長石分子。但無論是采用哪種算法,式中的Ab都應(yīng)該是分配到斜長石中的Ab,而不是全部Ab,也就是 An%=An/[An+2(P-An)]× 100。
本程序的計算過程對傳統(tǒng)的計算方法做了如下幾處修改:
(1)F、Cl的處理:以往學(xué)者介紹的方法都是把Cl分配給NaCl,F(xiàn)分配給螢石來處理,但在[4b]中,Geokit軟件在計算時優(yōu)先將Cl和F分配給磷灰石,只有剩余的Cl、F才形成巖鹽和螢石。這是因為巖漿巖中基本不會出現(xiàn)巖鹽,而磷灰石中可以含有F、Cl和 OH-。
(2)很多計算方法中,SO3優(yōu)先與Na2O結(jié)合生成無水芒硝,在Geokit中改為優(yōu)先生成無水石膏,這是因為在巖漿巖中,無水芒硝存在的可能性遠(yuǎn)小于無水石膏;
(3)為保證各種氧化物(離子)在極端富集的情況下有歸宿,CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物系統(tǒng)設(shè)置了一些礦物作為這些剩余組分的歸宿,此處稱之為終結(jié)礦物。如剩余的SiO2以石英的形式存在,其它組分分別是:TiO2為金紅石,Al2O3為剛玉,F(xiàn)e2O3為赤鐵礦,CaO為硅灰石,Na2O為硅酸鈉,K2O是硅酸鉀;而P2O5本來就是作為副礦物磷灰石來處理的,當(dāng)然這些終結(jié)礦物大部分是合理的,在巖漿巖中也是廣泛存在的,如石英、金紅石、剛玉和磷灰石等。作者注意到,這其中只有剩余的FeO(MgO)沒有終結(jié)礦物。因此,Geokit在第[21]步時設(shè)置了一個方鐵礦Fe(Mg)O。實際上,在富鐵玄武巖和粗面巖及隕石中確實存在方鐵礦,國家?guī)r礦化石標(biāo)本資源共享平臺網(wǎng)站對此礦物有專門的介紹[27],另外在一些幔源巖漿巖中也發(fā)現(xiàn)了該礦物的存在[28~31]。
標(biāo)準(zhǔn)礦物計算完成后要對計算結(jié)果進行檢查,即要對計算結(jié)果的正確性作判斷。判斷標(biāo)準(zhǔn)是:
⑴ 所有礦物不能出現(xiàn)負(fù)值。
⑵ 礦物總量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在沒有對原始數(shù)據(jù)進行閉合時應(yīng)與氧化物總量基本一致(±0.02%);如果做了閉合處理,則總量應(yīng)接近100%(±0.02%),所產(chǎn)生的誤差一部分是由小數(shù)部分四舍五入導(dǎo)致的結(jié)果,另一部分是部分礦物的分子量計算不夠嚴(yán)密導(dǎo)致的,如MnO、NiO加入到FeO中有時是以FeO的分子量來計算的(盡管兩者很接近)。至于磷灰石中由于Cl、F的加入而引起磷灰石分子量的變化,SrO、BaO加入到CaO中引起含鈣礦物分子量的變化,程序中都已做了相應(yīng)的處理,不會再產(chǎn)生新的誤差。
經(jīng)上述步驟計算得到巖石的標(biāo)準(zhǔn)礦物組合,不同的礦物組合代表了不同的巖石類型,通過表4可對計算結(jié)果的正確性作出相應(yīng)的判斷。
表4 CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物組合一覽表(不包括副礦物)Table 4 Assemblages of CIPW Norm minerals (excluding accessory minerals)
需要注意的是,由CIPW計算出的礦物是理想(標(biāo)準(zhǔn))的礦物,與實際礦物存在一定的差異。如在礦物種類方面:花崗巖中常見的角閃石和黑云母沒有計算。因此,CIPW計算較適用于中基性及超基性巖石,對花崗質(zhì)巖石來說比較有用的是對長英質(zhì)礦物的評價以及鋁飽和度的評價。此外,自然界多數(shù)礦物存在類質(zhì)同象置換,如在透輝石中有少量Al2O3和Na2O。CIPW計算也不涉及巖石的結(jié)構(gòu),故不能用于巖石的命名(但專門用標(biāo)準(zhǔn)礦物建立的分類方法除外)。如果確實需要用標(biāo)準(zhǔn)礦物代替實際礦物投影到相關(guān)的圖解中,建議用標(biāo)準(zhǔn)礦物的體積分?jǐn)?shù)。
CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物計算是作者開發(fā)的Geokit軟件中的組成部分之一。用戶可以點擊Geokit菜單中的相關(guān)菜單項(圖2),打開數(shù)據(jù)處理工作簿。
圖2 Geokit菜單中的CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物及巖石化學(xué)參數(shù)計算菜單項Fig.2 Menu item for CIPW Norm minerals and petrochemical parameter calculation in geokit
打開CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物計算工作簿后,系統(tǒng)會生成一個用戶工具欄(圖3)(Excel2003顯示在工具欄中,其它版本的Excel則顯示在“加載項”中),同時用戶可以看到一個帶有(示例)數(shù)據(jù)的工作表(表5)。
表5 CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物數(shù)據(jù)格式及示例數(shù)據(jù)Table 5 Data format and examples for CIPW
圖3 CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物計算的用戶工具欄Fig.3 User toolbar of CIPW Norm mineral calculation
點擊工具欄中的開始計算按鈕,會彈出一個選項窗口(圖4)。選項窗口包括數(shù)據(jù)預(yù)處理(鐵調(diào)整、閉合)及標(biāo)準(zhǔn)礦物的輸出方式。選定后點擊窗口中的確定,即可完成當(dāng)前工作表中所有樣品的CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物及巖石化學(xué)參數(shù)計算,并將計算結(jié)果顯示在同一工作簿的新工作表中。
圖4 CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物計算條件設(shè)置窗口Fig.4 Initial window for CIPW Norm mineral calculation
除標(biāo)準(zhǔn)礦物外,計算結(jié)果中還給出了如下標(biāo)準(zhǔn)礦物和巖石化學(xué)參數(shù):堿性長石(A)、斜長石(Pl)、斜長石牌號(An%)、分異指數(shù)(DI)、顏色指數(shù)(CI)、固結(jié)指數(shù) (SI)、A/NK、A/CNK、AR、σ(σ43、σ25)、R1、R2、F1、F2、F3、A/MF、C/MF 等,其中:
分異指數(shù):DI = Qz + Or + Ab + Ne + Lc + Kp
顏色指數(shù):CI =Ol + Di + Hy + Mt + il + Hm + Cm
固結(jié)指數(shù):SI =w(MgO)×100/w(MgO + FeO +Fe2O3+ Na2O + K2O)
A/NK =n(Al2O3)/n(Na2O+K2O);
A/CNK =n(Al2O3)/n(CaO + Na2O + K2O);
堿度率:AR =w[Al2O3+CaO+(Na2O+K2O)]/w[Al2O3+CaO-(Na2O+K2O)];
當(dāng)w(SiO2)>50,w(K2O)/w(Na2O)大于1而小于2.5 時,w(Na2O+K2O)=2w(Na2O);
里特曼指數(shù)σ:σ43=w(NaO+KO)2/[w(SiO)43];適用于大多數(shù)巖石類型。σ43可寫作σ。
σ25=w(NaO+KO)2/ [w(SiO)-25];適用于w(SiO2)<43的超基性巖
R1=4n(Si)-11n(Na + K) -2n(Fe + Ti); R2 =6n(Ca) + 2n(Mg) +n(Al)
F1=0.0088w(SiO2)-0.00774w(TiO2) + 0.0102w(Al2O3) + 0.0066w(FeOt)-0.0017w(MgO) -0.0143w(CaO) -0.0155w(Na2O) -0.0007w(K2O);
F2=-0.013w(SiO2)-0.0185w(TiO2) -0.0129w(Al2O3)-0.0134w(FeOt)-0.03w(MgO)-0.0204w(CaO)-0.048w(Na2O)+0.0715w(K2O);
F3 =-0.0221w(SiO2)-0.0532w(TiO2)-0.0361w(Al2O3)-0.0016w(FeOt)-0.031w(MgO)-0.0237w(CaO)-0.0614w(Na2O)-0.0289w(K2O);
A/MF=n(Al2O3)/n(FeOt+MgO);C/MF=n(CaO)/n(FeOt+MgO)
需要注意的是,這些參數(shù)并不總是有用,不需要把所有的參數(shù)都列到論文(報告)中,如σ25一般不會用到。
F1、F2和F3只適用于基性巖,而且只有在用到F1-F2,F(xiàn)2-F3構(gòu)造環(huán)境判別圖[32]時才有用。
R1和R2只適用于花崗巖類,而且只有在同一篇論文(報告)中用到R1-R2圖解[33-34]時,該參數(shù)才需要給出,否則不應(yīng)該出現(xiàn)在表中。
A/MF和C/MF兩參數(shù)只有在論文(報告)中用到A/MF-C/MF圖解[35]時,才需要列出。
總之,只有論文(報告)中用到的參數(shù)才列出,否則不應(yīng)該列出,避免出現(xiàn)冗余參數(shù)。
作者開發(fā)的Geokit軟件工具包中包含CIPW計算模塊,目前已有眾多用戶在使用。
為說明軟件的可靠性,這里給了部分樣品的計算實例,并與前人的結(jié)果進行對比(表6)。表6中數(shù)據(jù)引自南京大學(xué)地質(zhì)系礦物巖石學(xué)教研室的1980年版《火成巖巖石學(xué)》[9]的附錄七(中國巖漿巖平均值及CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物成分),樣號為原書附錄七中的樣品序號;原表中同時也給出了每件樣品的CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物值。為與原書計算結(jié)果進行對比,本文在進行CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物計算時沒有進行氧化鐵校正,也沒有對成分?jǐn)?shù)據(jù)進行閉合。
表6 CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物計算實例Table 6 Calculation examples and comparison of CIPW norm minerals and comparation
可以看出,本文對絕大部分樣品的計算結(jié)果與原文一致,僅個別標(biāo)準(zhǔn)礦物與原文有差異。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),Geokit計算結(jié)果與原文明顯不同的樣品,原文中標(biāo)準(zhǔn)礦物的總量與氧化物總量有顯著差異,而在用Geokit計算的結(jié)果,礦物總量與氧化物的總量是一致的。這說明這些樣品可能是原文數(shù)據(jù)存在錯錄(如22號樣品中的石英)或漏錄(如11號樣品中的赤鐵礦)現(xiàn)象。
續(xù)表6
為進一步驗證Geokit軟件中CIPW計算方法的可靠性,我們還與近年一些學(xué)者開發(fā)的軟件的計算結(jié)果進行了比對。表7中的實例數(shù)據(jù)取自Pruseth[18],由對比結(jié)果可以看出,Geokit計算的結(jié)果與Pruseth[18]的New Formulas程序和Verma等[16]的SINCLAS程序的計算結(jié)果是完全一致的。將該組數(shù)據(jù)利用Lowenstern(2002)[15]的NormCalc JBL程序進行計算,個別礦物存在±0.01的差異。需要說明的是,因氧化物的分析精度只能到小數(shù)點后兩位,因此標(biāo)準(zhǔn)礦物也只能保留兩位小數(shù)。
表7 Geokit計算的CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物與前人軟件計算結(jié)果的對比Table 7 Comparison of CIPW norm minerals calculated by Geokit with other softwares
CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物計算方法歷經(jīng)一百多年,至今仍有相當(dāng)?shù)纳?,其在巖漿巖研究中具有重要的意義。然而國內(nèi)在相關(guān)的軟件開發(fā)方面仍然存在不足。本文介紹的由作者開發(fā)的CIPW計算程序,經(jīng)與前人的計算結(jié)果對比,證明了程序的可靠性。因而,Geokit軟件之CIPW計算程序可以很好地服務(wù)于廣大地學(xué)工作者。