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火成巖的礦物成分

火成巖中的礦物成分受控於巖漿的化學成分和結晶條件,它不僅是巖石分類命名的主要依據,而且是理解巖石的化學成分、巖石成因和成礦作用的基礎。

(壹)火成巖礦物的類型

1.根據礦物形成與巖漿作用的關系劃分

根據礦物形成與巖漿作用的關系,可劃分為原生礦物、巖漿期後礦物和巖漿期前礦物三類。

◎原生礦物(primary mineral):直接從巖漿中結晶而成的礦物,如角閃石、長石等。原生礦物內部成分和結構的變化是巖漿成分演變、形成條件和巖漿房內部過程變化的記錄。

根據形成環境的不同,原生礦物又可分為高溫型和低溫型。壹般來說,火山巖中的為高溫型,深成巖中的為低溫型。由於火山巖所處的高過冷度、淬火、低壓、脫氣、脫水和氧化條件,在快速晶出過程中,就出現高溫石英(β-石英)、透長石、歪長石、高溫斜長石、六方鉀霞石、白榴石、易變輝石、黃長石等高溫型礦物;由於冷凝快,礦物內部和礦物之間未完全達到平衡,可保留礦物環帶,甚至有反應邊、暗化邊等結構特征。不僅斜長石可以出現環帶,甚至組分擴散較快的鎂鐵質礦物也可出現成分環帶。低溫型礦物是巖漿侵入到深部的條件下,過冷度小、高壓、緩慢冷卻條件下結晶的產物,如出現低溫石英(α-石英)、正長石、微斜長石、低溫斜長石、斜方輝石等礦物,由於有較充分的時間實現成分交換,礦物的不平衡現象較少,環帶不發育。

在巖漿結晶和冷凝過程中,由於所處的物理化學條件(溫度、壓力)的變化,原生礦物的狀態會發生轉變。例如,溫度降低時,高溫石英會變為低溫的α-石英,透長石會轉變為正長石,某些固溶體礦物因混溶程度降低而分解,如鉀長石分解為條紋長石。

◎巖漿期後礦物(post-magmatic mineral):是在巖漿完全結晶後形成的礦物。巖漿期後礦物可分兩大類,壹是充填於氣孔和巖脈中的熱液礦物(hydrothermal mineral),例如,氣孔中充填的沸石;二是由於氧化、水化等作用而取代原生礦物的次生礦物(secondarymineral),例如,由輝石、角閃石或黑雲母轉變而來的綠泥石、纖閃石。原生礦物向次生礦物轉化的方向是,從高溫到低溫,從還原到氧化,從缺少流體到富含流體的礦物轉變。與成礦關系密切的蝕變作用,就是產生次生礦物的過程。值得註意的是,有些巖石的原生礦物已經難以辨認,但根據礦物之間特有的轉換關系,以及次生礦物類型來推斷原生礦物的類型。例如,玄武巖中的橄欖石在低溫、氧化和水化條件下轉變成伊丁石(矽酸鹽與Fe、Mg氧化物的混合物)。次生礦物與原生礦物之間,不是等化學的轉變,涉及組分的帶出帶入。因此,次生礦物的形成會改變巖石的化學成分。根據原生與次生礦物組合、礦物間的結構關系,可以推斷礦物的轉變過程、流體的性質與演化。

◎巖漿期前礦物(pre-magmatic mineral):也可稱為他生礦物。是來自巖漿系統以外、在巖漿結晶之前就已形成的礦物,例如,直接來自地下深部的捕虜晶(xenocryst);部分可能是巖漿與圍巖或捕虜體反應而成的礦物,例如,很多起源於變質沈積巖的過鋁質花崗巖類巖石中,有時能見到形態渾圓的鋯石,其年齡比巖漿結晶年齡老,這樣的鋯石就是從巖漿源區繼承下來的礦物(稱為繼承鋯石或殘留鋯石)。他生礦物的識別,對於認識巖漿與圍巖的相互作用和鑒別深部物質組成具有重要意義。

2.根據原生礦物的相對含量劃分

根據原生礦物的相對含量(體積分數),可劃分為主要礦物、次要礦物和副礦物三類:

◎主要礦物(essential mineral):指在巖石中含量高,並在確定巖石大類名稱上起主要作用的礦物(圖3-1)。例如,花崗巖的主要礦物是石英、鉀長石和斜長石,如果缺少石英和斜長石,巖石為正長巖類;缺少石英和鉀長石則為閃長巖類。

圖3-1 常見火成巖的主要礦物組成(據Washington&Adams,1951,修改)

◎次要礦物(subordinate mineral):含量小於主要礦物,可用它來進壹步確定巖石的種屬。例如,閃長巖中若存在次要礦物黑雲母,可稱為黑雲母閃長巖。

◎副礦物(accessory mineral):含量很少(壹般<1%),如花崗巖中的鋯石、磷灰石、綠簾石(巖漿成因的)、電氣石、榍石、堇青石等。如果某些副礦物的存在對劃分巖石單元、確定巖石形成條件和含礦性有指示意義,也可以將副礦物名稱作為前綴加在基本的巖石名稱之前,如綠簾石花崗閃長巖。

主要礦物、次要礦物和副礦物是構成巖石的主要組分,稱為造巖礦物(rock-formingmineral)。應該註意的是,某個礦物在壹種巖石中屬於主要礦物,在另外壹種巖石中可能是次要礦物,而在其他的巖石中甚至是副礦物。

造巖礦物壹般都是原生礦物,但有些副礦物可能屬於他生礦物。在巖相學觀察中,除了要描述主要礦物、次要礦物和副礦物外,還要註意觀察其中的巖漿期後礦物的類型、特征和含量。

此外,有些礦物對劃分巖石類型具有標型意義,稱為特征礦物(characteristic mineral),如過鋁質花崗巖中的堇青石、石榴子石等。

3.根據研究手段的差異劃分

根據研究手段的差異,劃分為實際礦物和標準礦物。

◎實際礦物(modal mineral,mode):在薄片或手標本上統計出的巖石中實際出現的礦物組成。

◎標準礦物(normative mineral,norm):根據巖石的化學成分計算出的礦物組成,例如,CIPW標準礦物(見第四章)。

4.按照實際礦物的種類劃分

按照實際礦物的種類,分為長英質礦物和鎂鐵質礦物。

◎長英質礦物(felsic mineral):是長石(堿性長石、斜長石)、似長石、石英、白雲母等的總稱。由於這些礦物的顏色較淺,所以也稱淺色礦物或淡色礦物。

◎鎂鐵質礦物(mafic mineral):是橄欖石、輝石(單斜輝石、斜方輝石)、角閃石、黑雲母和不透明礦物等的總稱。這類礦物的顏色壹般較深,所以又稱暗色礦物。鎂鐵質礦物在巖石中的體積百分含量稱為色率(color index)。色率是肉眼鑒定侵入巖的重要標誌,例如,可根據色率將火成巖劃分為以下幾種:超鎂鐵質巖,色率>90;鎂鐵質巖,色率為50~90;中性巖,色率為15~50;長英質巖,色率<15(詳見第四章)。

5.根據標準礦物的化學成分劃分

根據標準礦物的化學成分,分為矽鋁礦物和鐵鎂礦物。

◎矽鋁礦物(salic mineral):這類標準礦物組分中SiO2和Al2O3含量高,FeO和 MgO等組分含量很低,包括石英、長石、似長石。由壹種或多種矽鋁礦物(標準礦物)作為主要組分的巖石就叫做矽鋁質巖石。

◎鐵鎂礦物(femic mineral):這類標準礦物的FeO和MgO含量高,SiO2含量較低,包括橄欖石、輝石等。由壹種或多種鐵鎂礦物(標準礦物)作為主要組分的巖石就叫做鐵鎂質巖石。

(二)火成巖的常見造巖礦物

火成巖中的造巖礦物主要是Mg、Fe、Ca、Na、K的矽酸鹽、鋁矽酸鹽,Fe、Ti氧化物,以及石英及其同質多象變體。常見礦物有20多種,其中,在巖石分類命名中起重要作用的礦物包括石英族、長石族、似長石族、橄欖石族、輝石族、角閃石族和雲母族。表3-1列舉了火成巖中主要造巖礦物的名稱、成分和產狀特征。

表3-1 火成巖的主要造巖礦物

續表

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註:(1)礦物名稱縮寫據Whitney &Evans(2010)。(據Blatt et al.,2005;Hughes,1982,略修改)

(三)實際礦物的含量分析

實際礦物含量分析就是從巖石薄片或手標本中直接統計出每種礦物的體積分數。統計方法有多種,包括面積法、直線法、光電掃描自動計積法和目估法等,每種方法的精確度和準確度有所不同。

面積法、直線法以及光電掃描自動計積法雖然較為精確,但比較耗時費力,有的需要依賴儀器設備。在通常的鑒定中,可以采用目估法,粗略估計巖石標本或薄片中礦物的含量。

手標本上估計礦物含量時,要選擇有代表性的部位,先估計整個巖石中淺色礦物與暗色礦物的比例,然後再細分暗色礦物各種屬和淺色礦物各種屬的相對含量。需要註意的是,由於顆粒越小,巖石的顏色就越暗淡,初學者對顆粒細小的巖石,往往將暗色礦物的含量估計過高。

顯微鏡下對礦物含量的估測,須事先準備壹套礦物含量對比圖。先觀察某種礦物所有顆粒,同時與對比圖相對比,估計其百分含量。壹個視域估測完後,移動薄片,在另壹視域再進行同樣的估測。當礦物分布均勻時,只用少數幾個視域即可,若礦物分布不均勻,則須多統計壹些視域,甚至幾個薄片,最後計算各種礦物的平均含量。目估法雖較為粗略,但應用卻很廣泛。在實際工作中,只要勤學多練,經過多次實踐後,目估礦物含量也可達到壹定精度。有經驗的地質人員估計的礦物百分含量,誤差不超過5%。

有人嘗試利用計算機軟件確定實際礦物的含量。為確保計算機能夠準確識別礦物,最好先將礦物顆粒數字化,然後運用圖像分析軟件確定單個礦物顆粒的面積,如NIH Image,Adobe Photoshop等軟件。