地学前缘 ›› 2020, Vol. 27 ›› Issue (5): 23-38.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2020.5.34
• 成因矿物学研究基础:矿物识别及定量化表征 • 上一篇 下一篇
杨宗锋(), 李解, 姜晓杰, 曲林雨, 袁野, 李英英, 彭慧中, 饶彤, 马犇, 徐志豪
收稿日期:
2020-04-10
修回日期:
2020-06-02
出版日期:
2020-09-25
发布日期:
2020-09-25
作者简介:
杨宗锋(1984—),男,博士,副教授,主要从事火成岩相关的矿物学、岩石学和地球化学研究。E-mail: yangzongfeng@cugb.edu.cn
基金资助:
YANG Zongfeng(), LI Jie, JIANG Xiaojie, QU Linyu, YUAN Ye, LI Yingying, PENG Huizhong, RAO Tong, MA Ben, XU Zhihao
Received:
2020-04-10
Revised:
2020-06-02
Online:
2020-09-25
Published:
2020-09-25
摘要:
近些年,定量化火成岩结构研究表明,利用常规的岩矿鉴定设备,获取不同尺度的火成岩二维岩相学照片,通过肉眼识别矿物颗粒,并借助图像处理和结构分析软件,可以准确地量化火成岩的结构特征。本文结合近些年国内外同行的研究成果,对火成岩二维定量化结构分析方法中常用的多种观测方式优缺点进行了总结。粒度在毫米级以下的火成岩的定量化结构参数,可以用偏光显微镜下的透射光、反射光、阴极发光和电子探针背散射成像中的两种或两种以上观测方式进行分析,并具有较高的精度和准确度。粒度小于0.03 mm的各种镁铁质矿物可用反射光和背散射图进行分析,灰度近似的镁铁质矿物可以利用图像处理软件赋予不同的彩色,提高颗粒间的辨识度。常规偏光显微镜下不易区分的长英质矿物和多数副矿物可用偏光显微镜阴极发光进行分析。粒度在毫米级以上的造岩矿物可以用光片或野外测量的方式进行定量分析。为了方便相关领域学者使用火成岩二维定量化结构分析方法,本文详细列出了具体的分析步骤,并结合一个玄武岩样品中的橄榄石斑晶数据结果,重点分析以下4个方面的问题:(1)如何准确识别矿物颗粒边界;(2)矿物含量和形态的确定;(3)分析区域面积和颗粒数的确定;(4)不同晶体群的区分。分析结果表明,颗粒数100~500颗时,晶体粒度分布(CSD)的截距和斜率、矿物含量、定向程度和粒状矿物的三轴比在误差范围内没有显著区别,但颗粒最大长度和聚集程度会被低估。当颗粒数小于300颗时,晶体空间聚集程度的R值会被高估0.05~0.2,这一点在以往的研究中没有得到充分重视。当颗粒数大于500颗时,所有结构参数都趋于稳定,且精度和准确度都会显著提高。目前多数研究者提供的结构参数往往与观测和统计方式有关,缺乏对应的原始数据,不方便同行间的对比研究,建议学者今后发表相关成果时,提供详细的分析步骤和最原始的数据。分析步骤重点说明包括:(1)聚集矿物边界的识别和处理方式;(2)晶体三维形态的确定方法,样品间CSD参数的变化是否是由形态参数变化引起;(3)能够准确识别的矿物颗粒最小粒度;(4)利用颗粒数较多的样品选取较小的不同区域重复分析3到5个不同区域,评估样品的均一性,并据此估计样品的分析精度。原始数据方面包括:(1)提供同一个样品至少一个不同区域的分析结果,如果是多个作者的研究成果,建议提供至少两人独立分析的结果用来评估数据的精度和准确度;(2)文章正文或附件中应该提供每个样品不同粒度间隔的颗粒数,样品原始的高分辨率矿物轮廓描绘图或图片分析的相关原始参数。火成岩出现复杂晶体群时,定量化的结构参数往往体现的是多种晶体群的混合特征,并且与不同晶体群的比例有关。未来的研究需要结合多种观测方式和微区成分分析重点识别不同晶体群的结构参数,对粒度和成分近似的多种晶体群的识别,还需要开发更多有效的方法,这对准确认识火成岩结构多样性的成因和岩浆作用过程都有重要意义。
中图分类号:
杨宗锋, 李解, 姜晓杰, 曲林雨, 袁野, 李英英, 彭慧中, 饶彤, 马犇, 徐志豪. 火成岩结构的二维定量化分析方法[J]. 地学前缘, 2020, 27(5): 23-38.
YANG Zongfeng, LI Jie, JIANG Xiaojie, QU Linyu, YUAN Ye, LI Yingying, PENG Huizhong, RAO Tong, MA Ben, XU Zhihao. Two dimensional quantitative textural analysis method for igneous rock[J]. Earth Science Frontiers, 2020, 27(5): 23-38.
观测方式 | 适合的样品面积 | 有效识别的粒径范围 | 适合分析的常见矿物 | 关键识别特征 |
---|---|---|---|---|
光薄片透射光 | <100 cm2 | 0.03~5 mm | 透明矿物 | 干涉色、突起、环带和双晶 |
光薄片反射光 | <20 cm2 | 0.005~5 mm | 镁铁质矿物和反射光 能力强的副矿物 | 反射色和突起 |
光学显微镜阴极发光 | <20 cm2 | 0.005~5 mm | 长英质矿物、磷灰石、 锆石、萤石等 | 发光颜色和环带 |
电子背散射图 | <20 cm2 | 0.002~5 mm | 镁铁质矿物为主 | 灰度和环带 |
光片扫描 | >100 cm2 | 0.3~5 cm | 易染色或肉眼易识别的矿物 | 颜色和环带 |
野外露头 | >300 cm2 | >0.5 cm | 肉眼易识别矿物 | 颜色和环带 |
表1 火成岩结构二维定量化分析方法常用观测方式及特点
Table 1 The commonly used observation methods in the two-dimensional quantitative textural analysis in igneous petrology
观测方式 | 适合的样品面积 | 有效识别的粒径范围 | 适合分析的常见矿物 | 关键识别特征 |
---|---|---|---|---|
光薄片透射光 | <100 cm2 | 0.03~5 mm | 透明矿物 | 干涉色、突起、环带和双晶 |
光薄片反射光 | <20 cm2 | 0.005~5 mm | 镁铁质矿物和反射光 能力强的副矿物 | 反射色和突起 |
光学显微镜阴极发光 | <20 cm2 | 0.005~5 mm | 长英质矿物、磷灰石、 锆石、萤石等 | 发光颜色和环带 |
电子背散射图 | <20 cm2 | 0.002~5 mm | 镁铁质矿物为主 | 灰度和环带 |
光片扫描 | >100 cm2 | 0.3~5 cm | 易染色或肉眼易识别的矿物 | 颜色和环带 |
野外露头 | >300 cm2 | >0.5 cm | 肉眼易识别矿物 | 颜色和环带 |
图1 尚古寺花岗岩斑岩样品的透射光显微照片和石英颗粒的描绘图 a—正交偏光;b—单偏光;c—正交偏光加云母试板;d—石英斑晶和基质的矿物轮廓描绘图。图中黑色曲线圈闭的区域用于基质分析,黄色曲线圈闭的区域用于斑晶分析,图中黑色线段比例尺为2 mm。其他相关信息详见文献[16]。
Fig.1 The transmission micrograph and quartz outlines of Shanggusi granite porphyry
图2 尚古寺花岗斑岩中聚集的石英颗粒在不同消光位的区别 a,b—正交偏光加云母试板;c,d—正交偏光。有关此样品的详细介绍见文献[16]。
Fig.2 The difference of the different extinction positions of the aggregated quartz in Shanggusi granite porphyry
图3 两个玄武质岩石样品在透射光和反射光下的岩相学特征 Cpx—单斜辉石;Ol—橄榄石;Mag—磁铁矿;Pl—斜长石。a—玄武岩基质单偏光显微照片;b—与a对应的反射光照片;c—苦橄玢岩正交偏光显微照片;d—与c对应的反射光照片。
Fig.3 Petrographic characteristics of two basaltic rock samples under transmitted and reflected light
图5 花岗岩主要造岩矿物和副矿物在偏光显微镜下的透射光与阴极发光的光学特征比较 Amp—角闪石;Ap—磷灰石;Bt—黑云母;Kfs—钾长石;Pl—斜长石;Spn—榍石;Mag—磁铁矿;Qz—石英。a—正交偏光;c—单偏光;b,d—分别与a和c对应的偏光显微镜阴极发光。
Fig.5 Comparison of the optical characteristics of the main rock-forming minerals and accessory minerals of a granite under polarized microscope transmission light and cathodoluminescence
颗粒 数/个 | 面积 /mm2 | 圆度 | 三维形态 | 形态 拟合度 | 面积含 量/% | CSD 体积/% | 截距 | 斜率 | Q | 最大颗粒 粒径/mm | R | AF | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
独 立 分 析 | 578 | 191.95 | 0.7 | 1∶1.3∶2 | 0.90 | 12.2 | 18.7±4.4 | 4.94±0.20 | -5.54±0.40 | 0.72 | 1.20±0.26 | 1.04 | 0.10 |
284 | 120.20 | 0.8 | 1∶1.25∶1.8 | 0.94 | 11.6 | 18.1±5.6 | 4.45±0.30 | -4.98±0.56 | 0.40 | 0.81±0.09 | 1.21 | 0.21 | |
502 | 190.93 | 0.7 | 1∶1.2∶1.6 | 0.89 | 12.9 | 19.6±5.0 | 4.47±0.24 | -5.27±0.48 | 0.37 | 1.11±0.13 | 1.12 | 0.20 | |
961 | 380.02 | 0.8 | 1∶1.2∶1.6 | 0.87 | 12.7 | 20.0±4.6 | 4.71±0.16 | -5.56±0.32 | 0.38 | 1.09±0.07 | 1.14 | 0.22 | |
490 | 133.46 | 0.7 | 1∶1.3∶1.4 | 0.90 | 14.4 | 18.5±5.2 | 5.37±0.26 | -7.47±0.70 | 0.07 | 0.97±0.13 | 1.08 | 0.19 | |
261 | 92.58 | 0.8 | 1∶1.1∶1.5 | 0.90 | 13.5 | 19.9±7.2 | 4.81±0.32 | -5.74±0.66 | 0.71 | 1.08±0.33 | 1.16 | 0.17 | |
局 部 分 析 | 87 | 33.86 | 0.8 | 1∶1.25∶1.7 | 0.82 | 13.0 | 18.5±10.8 | 4.77±0.56 | -5.57±1.12 | 0.23 | 0.71±0.08 | 1.32 | 0.16 |
163 | 59.47 | 0.8 | 1∶1.2∶1.8 | 0.82 | 11.2 | 18.6±8.2 | 4.85±0.38 | -5.62±0.78 | 0.24 | 0.66±0.06 | 1.34 | 0.23 | |
218 | 102.38 | 0.8 | 1∶1.25∶1.8 | 0.90 | 11.4 | 16.1±6.0 | 4.54±0.32 | -5.27±0.62 | 0.01 | 0.99±0.07 | 1.22 | 0.19 | |
316 | 117.37 | 0.8 | 1∶1.3∶1.4 | 0.89 | 13.3 | 17.5±5.2 | 5.13±0.28 | -6.84±0.72 | 0.32 | 0.86±0.16 | 1.29 | 0.19 | |
399 | 152.11 | 0.8 | 1∶1.1∶1.5 | 0.87 | 12.1 | 20.8±5.6 | 4.82±0.24 | -5.66±0.52 | 0.57 | 0.82±0.03 | 1.22 | 0.21 | |
682 | 263.84 | 0.8 | 1∶1.25∶1.8 | 0.90 | 12.4 | 18.4±3.8 | 4.79±0.18 | -5.47±0.36 | 0.36 | 1.03±0.12 | 1.14 | 0.18 |
表2 一个玄武岩样品中橄榄石斑晶的定量化结构参数
Table 2 Quantitative textural parameters of olivine phenocrysts in a basalt sample
颗粒 数/个 | 面积 /mm2 | 圆度 | 三维形态 | 形态 拟合度 | 面积含 量/% | CSD 体积/% | 截距 | 斜率 | Q | 最大颗粒 粒径/mm | R | AF | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
独 立 分 析 | 578 | 191.95 | 0.7 | 1∶1.3∶2 | 0.90 | 12.2 | 18.7±4.4 | 4.94±0.20 | -5.54±0.40 | 0.72 | 1.20±0.26 | 1.04 | 0.10 |
284 | 120.20 | 0.8 | 1∶1.25∶1.8 | 0.94 | 11.6 | 18.1±5.6 | 4.45±0.30 | -4.98±0.56 | 0.40 | 0.81±0.09 | 1.21 | 0.21 | |
502 | 190.93 | 0.7 | 1∶1.2∶1.6 | 0.89 | 12.9 | 19.6±5.0 | 4.47±0.24 | -5.27±0.48 | 0.37 | 1.11±0.13 | 1.12 | 0.20 | |
961 | 380.02 | 0.8 | 1∶1.2∶1.6 | 0.87 | 12.7 | 20.0±4.6 | 4.71±0.16 | -5.56±0.32 | 0.38 | 1.09±0.07 | 1.14 | 0.22 | |
490 | 133.46 | 0.7 | 1∶1.3∶1.4 | 0.90 | 14.4 | 18.5±5.2 | 5.37±0.26 | -7.47±0.70 | 0.07 | 0.97±0.13 | 1.08 | 0.19 | |
261 | 92.58 | 0.8 | 1∶1.1∶1.5 | 0.90 | 13.5 | 19.9±7.2 | 4.81±0.32 | -5.74±0.66 | 0.71 | 1.08±0.33 | 1.16 | 0.17 | |
局 部 分 析 | 87 | 33.86 | 0.8 | 1∶1.25∶1.7 | 0.82 | 13.0 | 18.5±10.8 | 4.77±0.56 | -5.57±1.12 | 0.23 | 0.71±0.08 | 1.32 | 0.16 |
163 | 59.47 | 0.8 | 1∶1.2∶1.8 | 0.82 | 11.2 | 18.6±8.2 | 4.85±0.38 | -5.62±0.78 | 0.24 | 0.66±0.06 | 1.34 | 0.23 | |
218 | 102.38 | 0.8 | 1∶1.25∶1.8 | 0.90 | 11.4 | 16.1±6.0 | 4.54±0.32 | -5.27±0.62 | 0.01 | 0.99±0.07 | 1.22 | 0.19 | |
316 | 117.37 | 0.8 | 1∶1.3∶1.4 | 0.89 | 13.3 | 17.5±5.2 | 5.13±0.28 | -6.84±0.72 | 0.32 | 0.86±0.16 | 1.29 | 0.19 | |
399 | 152.11 | 0.8 | 1∶1.1∶1.5 | 0.87 | 12.1 | 20.8±5.6 | 4.82±0.24 | -5.66±0.52 | 0.57 | 0.82±0.03 | 1.22 | 0.21 | |
682 | 263.84 | 0.8 | 1∶1.25∶1.8 | 0.90 | 12.4 | 18.4±3.8 | 4.79±0.18 | -5.47±0.36 | 0.36 | 1.03±0.12 | 1.14 | 0.18 |
图9 一个玄武岩薄片中橄榄石斑晶的描绘图和结构参数 彩色矩形区域是本文6个作者独立选择的研究区域,对应的数据结果为图中的实心正方形,空心正方形为6个独立分析区域中随机选取的小区域局部分析结果,空间聚集程度R的估计误差为0.05,橄榄石斑晶面积含量的误差线为相对误差10%,所有数据结果和具体含义见表2。
Fig.9 Outlines and textural parameters of olivine phenocrysts from a basalt thin section
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