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岩石化学计算方法之一
岩石化学计算方法之一
——查瓦里茨基计算法
(一)、方法原理
这一方法是A·H·查瓦里茨基于一九三五年提出的。
它主要用来研究岩浆岩的化学特征及进行火成岩的化学分类。
几十年来一直颇为流行。
直到目前在我国的大量有关文献中仍广泛使用着。
该方法的基本原理,主要的就是我们前面所阐述的那些内容。
即岩石中的各种化学组分均按一定的原子比例组合成各类矿物,而决定一种岩石的主要特征的矿物成分则由下列四个方面反映出来:
1、硅酸盐的饱和度,即岩石中是否有硅不饱和矿物存在或有无石英;
2、浅色矿物与暗色矿物在岩石中的比例,即铝硅酸盐(长石)与铁镁硅酸盐(暗色矿物)的各自含量;
3、长石的性质,亦即硷铝硅酸盐(钾钠长石)同钙铝硅酸盐的比例;
4、有无碱性辉石、角闪石的出现。
此外,还有一些次要特征,也由岩石的化学组分体现出来。
其中主要有:
1、碱性长石中的K、Na比例;
2、暗色矿物中Mg、Fe、Ca等各占的比例。
查瓦里茨基为了反映出岩石的上述主要和次要特征,而制定了相应的主要指标和次要指标,并以投形图示的方法简明地表示出这些指标的情况和其间的相互关系。
(二)、数值计算:
1、主要指标:
有四个,即s、a、c、b,它们分别反映岩石前述四个方面的主要特征。
即:
s—为岩石中硅原子的相对数目,用以反映二氧化硅的饱和程度(进一步尚有次要指标Q值具体说明)。
a—组成碱性长石的碱金属原子的相对数,用以反映岩石中碱性长石的相对含量;
c—组成钙长石的钙原子数,用以反映岩石中钙长石的相对含量;
b—组成简单硅酸盐(暗色矿物)的所有的金属原子相对数,用以反映岩石中暗色矿物的相对含量。
鉴于岩石中矿物的组成尚受岩石系列类型的控制,故各指标的计算方法和公式,视岩石所属系列不同而有所不同。
现按不同岩石系列介绍各指标的计算方法和公式。
(1)正常系列:
即当K+Na i全部的钾和钠均同硅、铝组成碱性长石。 ii部分的钙组成钙长石,其数量等于1/2[Al-(K+Na)](因为每个钙长石CaAl2Si2O8分子中,钙与铝的原子比为1: 2,故消耗在钙长石中的钙的原子数,只能相当于组成碱性长石后剩下的铝原子数的二分之一)。 剩余的钙则参加到暗色矿物中,同镁、铁、硅等组成单斜类简单硅酸盐(单斜辉石、单斜角闪石等)。 iii所有的镁铁(包括Fe2+和Fe3+)均同硅组成简单硅酸盐。 在此情况下组成岩石的主要矿物成分是: 长石类(钾长石和斜长石),单斜和斜方辉石、闪石类,当二氧化硅饱和时有石英出现。 用以表示这一类矿物组成部分特征的指标计算公式是: S⁄=Si+Ti Si—岩石中全部硅原子数 Ti—岩石中全部钛原子数 N=S'+A+C+B(见后) A—岩石中全部K+Na原子数 C—参加钙长石钙原子数, [Al-(K+Na)] B—组成暗色矿物的全部金属原子数。 B=Fe'+Ca'+Mg其中Fe'=Fe2++Fe3++Mn2+ Ca=Ca-C'(组成钙长石后剩余的钙原子数) (2)铝过饱和系列: 即Al>K+Na+2Ca,此时的矿物组合如下: i不仅全部的钾和钠而且全部的钙均同铝、硅组成长石(碱性长石和钙长石)。 ii组成长石后剩余的铝及全部铁、镁等均参加到简单硅酸盐中。 因此其矿物组成是: 长石类有钾长石和斜长石: 暗色矿物有含铝的辉石,角闪石。 表示这一特征的指标是: S'=Si+Ti(全部的硅和钛原子) N=S'+C+A+B A=K+Na(全部的钾和钠原子) C=Ca(全部的钙原子) B=Fe'+Mg+Al'其中Fe'=Fe3++Fe2++Mn2+ Al'=Al-(2Ca+Na+K) (3)碱过饱和: 即K+Na>Al,其矿物组合是: i钾和钠使全部的铝都组成碱性长石后仍有富余,则剩下的碱原子(往往是钠原子)即与Fe3+一起组成霓石(或霓辉石)。 ii无钙长石出现,全部的钙均参加到暗色矿物中,故无C值存在,此时查氏把同Fe3+一起组成霓石类矿物的Na量做为 ,其量等于(K+Na)-Al。 iii暗色矿物中的金属原子则包括全部的Ca2+、Fe2+、Mg2+、Mn2+及同钠组成霓石后剩下的Fe3+。 故此时的主要指标的计算公式为: S'=Si+Ti A=Al(由于此时全部的铝都参加到碱性长石中,又因碱性长石NaAlSi3O8和KAlSi3O8中Na和K同Al的原子比为1: 1,故组成碱性长石的K+Na的原子数恰好应等于岩石中所有的Al的原子数)。 =(Na+K)-Al(组成碱性长石后剩余的全部碱原子) B=Fe"+Ca+Mg Fe"=Fe'- (全部的铁(+Mn2+)减去同钠组成霓石类矿物剩下的部分) (4)碱极度过饱和: 即K+Na>Al+Fe',此时各成分组成矿物的情况是: 钾和钠不仅能使全部的铝均参加到硷性长石中,而且剩余的Na+K在使全部的Fe'(Fe3++Fe2++Mn2+)都组成霓石类矿物后还有剩余,为此在这种情况下岩石中矿物的组成是: i由部分K、Na同Al、Si组成的碱性长石; ii由Na、Fe组成的霓石类及方沸石、黝方石等含碱矿物; iii无钙长石出现; iv暗色矿物的金属原子只有Ca、Mg及组成的长石和霓石后剩余的Na(Na'),因而暗色矿物也多为含钠的辉石、闪石等碱性矿物。 v当岩石中暗色组分很少,且硅量不饱和时,往往出现硅不饱和的铝硅酸盐矿物,如霞石、白榴石等。 此时的主要指标计算公式为: S'=Si+Ti A=Al =Fe'其中: Fe'=Fe3++Fe2++Mn2+ B=Ca+Mg+Na'其中Na'=(K+Na)-(A+ ) 2、补充指标 (1)Q—石英值: 用以表示岩石中游离的SiO2即石英的含量情况的。 在正常和铝过饱和情况下: Q=S-(3a+2c+b) 3a—组成碱性长石的S'量。 由于碱性长石KAlSi3O8和NaAlSi3O8中的K和Na与硅的原子比为1: 3,故所需的硅量为碱量的三倍。 2c—组成钙长石的S'量。 因钙长石CaAl2Si2O8中Ca同Si的原子比为1: 2,故所需的S'量为Ca的二倍。 b—组成铁镁简单硅酸盐所用的硅量。 由于斜方辉石(MgFe)SiO3或单斜辉石Ca(MgFe)Si2O6中,金属原子之和与硅原子数相比恒为1: 1,故所用的硅量恰等于其中的金属原子数量。 需要说明的是: 用Q=S-(3a+2c+b)公式计算出的石英值,只是岩石中游离SiO2的最少含量,因为岩石中的铁的氧化物常常以磁铁矿形式存在于岩石之中。 而不是全部都参加到硅酸盐矿物中,因而实际上岩石的b值要小于理论计算出的。 故实际存在的石英量也往往高于理论计算出的。 契特维里科夫指出,岩石中实际存在的游离SiO2(qu-石英)较准确的重量数由下式决定,即: 在碱过饱和时: Q=S-(3a+2 +b) 式中3a和b的情况同前,2 为参加霓石所用的硅量,由于霓石NaFeSi2O4中的钠与硅原子比为1: 2,故所用硅量等于2 。 (2)a/c和a/ 值: a/c表示长石中的碱与钙的相对数量比,当K很小,n很大时,可代表斜长石的成分,在此情况下,斜长石牌号的计算方式为: 。 但K值较大,即有钾长石出现。 A已不单是斜长石中的成分,故用上述公式算出的斜长石牌号即将偏低。 当碱过饱和时,因无c值,故也无a/c值,此时则用a/ 值表示铝硅酸盐中的碱对有色矿物中的碱的比值。 (3)a'—表示在铝过饱和时暗色矿物中的铝的指标,其公式为: (4)c'—表示暗色矿物中钙原子的相对数量,在正常系列和碱过饱和时有此值,其公式为: (5)m'—表示暗色矿物中镁原子的相对数量,其公式为: (6)f'⁄—表示暗色矿物中铁原子的相对数量,其公式为: (7)n—表示碱性长石中钠原子的相对数量,公式为: 式中Na为参加碱性长石的钠原子数,在正常和铝过饱和情况下,其值等于岩石中全部钠的原子数;在碱过饱和时,等于全部Na原子数减去参加到暗色矿物中的钠原子数,即Na- ;当碱极度过饱和时,其值等于A-K,此时的A值即等于全部铝原子数。 在碱强烈过饱和时,尚有n',它代表暗色矿物中钠的含量。 公式为: (Na'=[(K+Na)-A]- (Fe'),即组成霓石后剩 余的钠量,此时没有f') (8)t—表示钛在S中所占的比例,即: (9)Φ—表示Fe3+在暗色矿物中的比例,即: 综上所述,各系列岩石的指标组合如下: i正常系列: 主要指标有: acbs 补充指标: Qc'f'm'ntΦa/c ii铝过饱和系列: 主要指标: acbs 补充指标: Qa'f'm'ntΦa/c iii碱过饱和系列: 主要指标: a bs 补充指标: Qf'm'c'ntΦa/ iv碱极度过饱和系列: 主要指标: a bs 补充指标: Qn'm'c'ntΦa/ (三)、计算程序 1、将各氧化物的重量百分数换算成原子数,可查附录1得出; 2、确定岩石系列,即按各特征元素之间的原子数量关系,确定属何系列; 即: (1)正常系列: 2Ca+K+Na>Al>Na+K (2)铝过饱和系列: Al>K+Na+2Ca (3)碱过饱和系列: K+Na>Al (4)碱极度过饱和系列: K+Na>Al+Fe' 3、计算主要组值: S、A、C( )、B 4、计算N值: N=S+A+C( )+B 5、按所属系列计算主要数值s、a、c( )、b及补充数值a'(或c')、f'、m'、n、t、P、Q、a/c( )等。 6、根据Q值和a/c比值查附录2和3(查氏岩浆岩化学分类表)确定岩石的类和科,并定出岩石名称。 (四)图解方法 1、成分点的投影: 查瓦里产茨基化学计算法最大优点之一是它的图解法,利用简单的投影,就能把大量的岩石化学性质明显的表现出来。 为了表示abcs这四个主要数值的特征,采用一直角四面体,顶端分别为abcs。 这样,一般岩石的成分点均位于四面体内。 如图8(左图)所示。 我们在一坐标系统中确 定一点P,坐标为acb,点P也就代表了四个主要数字特征: acbs,因为S=100-a-b-c。 但由于这种立体图的投影和判读皆较困难,为此查氏采取了的把立体四面体改为展开的平面表示法,即以sb线为轴把四面体展开,可以得到二个以一直角边相接的两个直角三角形,即asb和csb两个面。 此时,上述P点,即可借助其在sab和scb两个面上投影P1和P2,分别展现在展开图内的sb轴两侧。 在投影图中,向右延伸的水平轴为a,向左延伸的水平轴为c,向下延伸的轴为b。 这里的a、b、c是有一定代表意义的,如sb轴的方向朝下,表示较基性而又较重的岩石的向量,此轴称为铁镁轴。 而sa、sc轴则分别代表长石中碱金属和钙的情况,asb面称为碱性面,csb称为钙碱性面,投影时具体操作如下: (1)主要数值的投影 i在方格纸上作出如图8左图所示范区的直角四面体展开图,并按比例划出刻度,主要数值的作图比例一般采用1厘米=1(数值单位); ii由S点向下截取b数值; iii由S点向右截取a数值,此时在asb平面内得出P1点,它即是岩石在asb面内的投影点; iv由S点向左截取c数值,此时由c、b二数值在csb平面内交于P2点,它是岩石在csb面内的投影点,所以岩石在投影面内必具两点(P1、P2),且同在一个水平线上; v当岩石属硷过饱和系列时,则无c值,而有 值。 也自S点向右截取,则P2点也落在asb平面内,且与P1仍在一个水平线上。 由于P1、P2点均落在asb平面内,不易识别,故一般采用P1点用空心圆圈表示,P2点用实心圆圈表示,以示区别。 (2)补充数值的投影 i在asb平面内,表示暗色组分中的补充数值,即由P1点出发,向下截取m',向右截取c',连接四边形对角线。 这个对角线即代表c': m': f⁄的向量线,指向右下方。 如a⁄存在则向左截取a',向量线指向左下方。 当岩石属碱极度过饱和时,因无f'而有n'值,则P1点所代表的次要指标为n'。 而向右仍为c',向下仍为m',且其向量线以虚线表示。 综合上述,可将asb面内的次要数值以下面几个图形表示: 补充数值的作图比例要比主要数值小十倍,即每1毫米等于一个数值单位。 ii在csb平面内表示长石中钾、钠比例情况,即由P2点出发,向下截取n,向左截取(100-n)。 所得矩形对角线便表示n: (100-n)的向量线。 为了易于观察,该向量线可延长或缩短,使其末端必须和asb面内向量线末端处在同一水平线上。 2、向量图的判读 由作图原理可知: 向量终点、向量长短、向量倾角等都有一定的岩石学意义。 基本可归纳为下列几点: i两向量原点分别落在两个平面时(碱性面和钙碱面)且在asb面上向量线指向右时,则岩石属正常系列中;当asb面内的向量线指向左时,则属铝过饱和系列;如果两向量原点均落在asb面内,则属碱过饱和。 ii在asb面上向量原点距sb轴越远,则岩石碱性长石含量越高,岩石也越富碱质。 iii在asb面上向量原点越远离S点,说明岩石硅酸含量越小。 如果接近sb轴而远离S点,则岩石中Fe、Mg矿物较富,岩石为基性。 如接近as轴而远离S点,则碱性长石、副长石类矿物极富,岩石越趋碱性。 iv在csb平面内向量原点距sb轴越远,岩石中钙长石分子的含量越高,斜长石越基性。 反之,斜长石越酸性。 v在csb平面内,向量线和sb轴夹角越大,岩石内钾长石含量越高,反之,则钠长石含量高。 (五)用途 1、阐明岩石化学组成上的各种特征,如岩石所属系列及主要的矿物组成情况等。 2、对岩浆岩进行化学分类。 查氏根据岩石的查氏数字特征,对岩浆岩进行了统一的化学分类,并编制了岩浆岩化学分类表(见附录2和3)。 据此可以根据计算出的岩石查氏数值,查表得出其所属类、科及原岩的名称等,特别是火山岩,因其常成隠晶质或玻璃质,较难根据矿物成分鉴别其类型和进行命名,故多靠化学特征进行分类、命名和鉴别。 查氏编制了各类火山岩在其四面体展开图中的位置(图9),可供利用。 图9: 查瓦里茨基火山岩分类及其在投影图中的位置 3、研究岩石组合中各岩石在成分变化上的关系和演变的情况。 具体作法,一般是首先在查氏投影图上标绘出同一组合中的所有各岩石的主要数值投影点,然后依次联接各成分点,即可看出其间的联系和演化情况。 4、广泛用于研究岩浆岩的成矿专属性中,如前面所介绍的闻广、许晓峰等的方法等。
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- 岩石 化学 计算方法 之一