花岗岩抗折强度检测尺寸（花岗岩类化学元素丰度计算）

来源 | 《中国花岗岩类化学元素丰度》

作者: 史长义,鄢明才,迟清华

一、花岗岩类元素丰度研究历史与现状

基本岩石类型的元素平均含量，是采用全球地壳模型来计算地壳元素丰度的必不可少的数据。花岗岩类的元素丰度值则是其中最重要的一种。

Daly（1933）最早发表了根据546个分析数据计算出的花岗岩中SiO 2（70.18%）、TiO 2（0.39%）、Al 2O 3（14.47%）、Fe 2O 3（1.57%）、FeO（1.78%）、MnO（0.12%）、MgO（0.88%）、CaO（1.99%）、Na 2O（3.48%）、K 2O（4.11%）、H 2O （0.84%）、P 2O 5（0.19%）等12种主要氧化物的平均化学成分。

Nocholds（1954）根据173个分析数据也计算并提出了钙碱性、碱性、过碱性花岗岩SiO 2、TiO 2、Al 2O 3、Fe 2O 3、FeO、MnO、MgO、CaO、Na 2O、K 2O、H 2O 、P 2O 5 12种常量元素的平均化学成分，而且他们的数据至今仍然在被引用。

根据发表的大量文献资料，Turekian和Wedepohl（1961）汇编了富钙和贫钙花岗岩类中60余种元素的平均含量。他们同时也指出，无论是对原始研究者还是编者，这种汇编的数据在分析测试、取样的代表性和岩性描述的可靠性方面均存在着较大的不确定性。

继后，Vinogradov（1962）也汇总提出了花岗岩类约70种元素的丰度资料，其对基础地球化学和地壳元素丰度的研究起了重要作用。1972，苏联的Beus发表了世界花岗岩类的平均成分。

依据CLAIR数据系统，在2485个花岗岩化学分析数据的基础上，Le Maitre（1976b）统计计算出了世界花岗岩类的12种主要氧化物的平均化学成分、分异指数（84.24）和结晶指数（9.27）。他所用的这些数据全部取自世界各地已公开发表的197篇文献。

在国内，最早由黎彤和饶纪龙（1963）根据从1925～1960年发表的文献中收集的221个花岗岩分析数据，计算并发表SiO 2、TiO 2、Al 2O 3、Fe 2O 3、FeO、MnO、MgO、CaO、Na 2O、K 2O、H 2O 、P 2Os、CO 213个组分的中国花岗岩类的平均化学成分。1998年，黎彤等根据有关文献中发表的12265个花岗岩类样品化学分析结果，重新求得我国花岗岩类化学成分（SiO 2、TiO 2、Al 2O 3、Fe 2O 3、FeO、MnO、MgO、CaO、Na 2O、K 2O、H 2O 、P 2O 5）的总平均值；并结合Daly（1933）、Nocholds（1954）、Beus（1972）的花岗岩类统计资料，采用区域综合平均法进一步求出包含中国花岗岩类在内的世界花岗岩类11种元素的总平均化学成分。

鄢明才等（1996，1997a）以中国东部地区500余个较大的和有代表性的花岗岩类岩体实测数据为基础，同时在未采样的地区（主要为中国西部）收集了有代表性、分析质量良好的300余个花岗岩类岩体的常量元素数据，求出中国花岗岩类及不同岩石类型花岗岩（即碱长花岗岩、正长花岗岩、二长花岗岩、奥长花岗岩、花岗闪长岩）、中国东部不同构造单元[即内蒙兴安-吉黑造山带、华北地台、秦岭-大别造山带、扬子地台（东）和华南褶皱系]花岗岩类以及东部不同构造单元不同时代酸性岩的76种元素或成分的平均含量。

史长义（2003） 注意 ❶史长义，2003，中国花岗岩类化学元素丰度研究，中国地质大学（北京）。 和史长义等（2005a，2005b，2007）依据采自全国范围内750个有代表性的大中型花岗岩类岩体的767件组合样的实测分析数据为基础（分析样品数为768件），计算提出了中国花岗岩类和不同岩石类型花岗岩[即碱长花岗岩、正长花岗岩、二长花岗岩、花岗闪长岩、石英二长岩、石英二长闪长岩]以及不同构造单元（即天山-兴安造山系、中朝准地台、昆仑-祁连-秦岭造山系、滇藏造山系、扬子准地台、华南-右江造山带、喜马拉雅造山带）、不同时代（即太古宙、元古宙、早古生代、晚古生代、中生代、新生代）花岗岩类和不同岩石类型花岗岩的近70种化学元素和成分的丰度。

国内外不同学者发表的中国和世界花岗岩类岩石的地球化学丰度值见表1。

（表1）

此外，关于区域性、地区性或单个岩体的花岗岩（类）的化学成分的研究也取得了很多成果，它们主要体现在大量的有关花岗岩（类）岩石地球化学方面的文献中。如中国科学院贵阳地球化学研究所（1979）、南京大学地质系（1981）、中国科学院青藏高原综合科学考察队（1982）、新疆地矿局区域地质调查大队（1985）、严阵（1987）、陆杰（1987）、於崇文等（1987）、王成发（1987）、张德全等（1988）、廖庆康（1989）、王伏泉（1989）、张本仁等（1990）、李石等（1991）、李之彤（1991）、李先梓等（1993）、张宏飞等（1994）、王焰等（2001）、Witt等（1997）、Nashar（1999）、Jahn等（1981）、Dodge等（1982）、Pearce（1982，1984）、Taylor等（1986）、Sheralong等（1988）、Vielzeuf等（1988）、Sauerer等（1990）、Truscott（1990）、Champion等（2000），以及中国各省（区、市）的区域地质志等。但是，这些文献中的数据主要涉及花岗岩的主要化学成分的含量，微量元素的分析数据比较少。

例如，通过对华南花岗岩类的研究，计算提出华南花岗岩类的岩石化学成分和不同时代花岗岩类中18种微量元素的平均含量（中国科学院贵阳地球化学研究所，1979）。於崇文等（1987）通过对南岭地区9个花岗岩类岩体的研究，提出了不同时代花岗岩类岩体的常量元素的平均含量，以及不同时代花岗岩类40种元素的丰度。

李石等（1991）对桐柏山-大别山花岗岩类的地球化学进行了较详细的研究，根据80个岩体的262个样品的数据（其中179个是引用前人的），计算出不同岩石类型及全区的岩石化学算术平均值；根据60个岩体的95个样品的数据（其中25个是引用前人的）计算出不同岩石类型及全区的稀土元素平均含量；根据52个岩体的82个样品的分析数据计算出不同岩石类型及全区的21种微量元素平均含量。

另外，王炳成（1986）研究了玲珑花岗岩的岩石化学和V、Cr、Co、Cu、Pb、Zn、As、Sb、F、Li、Rb、Bi、Sr、Ba、Cd、Ga、Te、W、Sn、Mo、Zr、Nb、Ta、Hg、Be、Bi、Hf、Cs、U、Th、Tl、Se、Ag、Au34种微量元素的地球化学特征。陆杰（1987）对个旧花岗岩的Ni、Co、Cu、Pb、Zn、Li、Cs、Rb、Sr、Ba、Nb、Ta、U、Th、Zr、Hf、Sc、Sn、W、Mo、F、B共22种微量元素和稀土元素地球化学特征进行了研究。廖庆康（1989）研究了广西地区不同时代、不同成因花岗岩中微量元素及其组合的丰度变化。王伏泉（1989）对大余花岗质岩体的稀土元素、27种微量元素和常量元素的地球化学特征进行了论述。黎彤和张西繁（1992）计算出了华北花岗岩类的总平均化学成分。张宏飞等（1994）计算出了东秦岭花岗岩类总体、各时代、各构造单元花岗岩类的51种元素的丰度。王焰等（2001）分析研究了八达岭花岗杂岩常量元素、稀土元素、11种微量元素的地球化学特征。许德如等（2001）结合前人研究结果，研究了海南岛中元古代花岗岩的常量元素、稀土元素、12种微量元素的地球化学。Witt等（1997）研究了Eastern Goldfields省西南部花岗岩类岩石的39种元素含量的地球化学特征。Dodge等（1982）对加利福尼亚Central Sierra Nevada Bath-olith的花岗岩类岩石的29种元素的丰度进行了研究。

二、有关花岗岩类元素丰度的计算方法

到目前为止，岩类元素平均含量的计算方法仍然是以算术平均值法为主。黎彤等（1990）还提出了计算岩类元素平均含量的3条原则：

1）参与计算的每一个样品资料，必须符合岩石化学资料的筛选准则；

2）参与计算的样品资料，必须代表该岩类的主要岩种；

3）参与计算的每一岩类的样品数量，必须达到统计学上最低的要求。

按岩石分类系统进行统计，尤其是考虑到时空分布因素分类统计时，是一件十分繁重的工作；由于资料的限制，往往得不到理想的结果。因此，过去曾出现一种简化的趋势，就是直接利用经过精确测定的地球化学标准样（如泰勒采用G-1和W-1）的元素平均含量，来代表岩类的平均含量。但是，这些地球化学标准样都具有区域特征。例如，花岗岩标准样（G-1）采自罗得岛（Rhode Island）的Westerly地区，辉绿岩标准样（W-1）采自弗吉尼亚（Virginia）的Centerville地区。

为了计算世界花岗岩类总平均化学成分，黎彤等（1998）采用了一种新的计算方法——区域综合平均法。首先用Daly（1933）和Nockolds（1954）资料求出北美和欧洲的平均值，用Beus（1972）资料求出苏联领域的平均值，然后加上中国平均值再进行区域统计。

三、关于花岗岩类的分类与命名

岩浆岩的分类、命名是研究岩浆岩岩石学的重要基础。从19世纪中期齐克尔（J.Zirkel）和罗森布什（H.Roserbusch）等发表了火成岩的第一批分类表以来，分类和命名一直很受岩石学者所重视，许多岩石学者曾在这方面做过很多工作（O'Connor，1965；Streckeisen，1967，1976，1978，1979；Le Maitre，1976a；Streckeisen等，1979；吴利仁等，1982；De la Roche等，1980；Le Bas等，1986，1991；Le Maitre等，1989）。

火成岩的分类迄今还未达到完善的地步，目前还没有一个被大家都能接受的分类方案。这主要是由于各人采用的分类基础不同，同时由于所有各种类型的岩石都是以过渡形式相联系的，边缘岩石种类很多，例如粗面安山岩、安山玄武岩、花岗闪长岩、辉长闪长岩等等，要想在各个岩石种之间明确地划一条界线是困难的。此外，还由于火成岩的成因非常复杂，这些都给分类带来一定的困难。

（一）利用氧化物-氧化物图解进行火成岩石的分类

双变量氧化物-氧化物主要元素投影可能是进行火成岩石分类的最直观的方法。全碱-硅图解（TAS）分类便是其中之一。化学成分Na 2O和K 2O的含量之和（全碱-TA）以及SiO 2的含量（S）直接取自岩石分析数据的氧化物质量分数数据，投影到分类图解上就可达到岩石分类的目的。Wilson（1989）利用TAS图解进行侵入岩的初步分类。这个图解具有很强的实用性，因为还没有其他简单的侵入岩的化学分类图解。然而，这个图解中岩石区域的边界主要采用Cox等（1979）为火山岩设计的TAS图解中的界线，而这些界线与最新的火山岩TAS图解的岩石区域界线不一致。

（二）利用标准矿物进行火成岩石的分类

1.CIPW标准矿物 标准矿物计算是指根据岩石的化学成分计算出岩石的矿物组成的计算方法。依据岩石的标准矿物（假想矿物）可以进行岩石的化学分类。CIPW标准矿物是目前最常用的计算方案。

1972年在蒙特利尔（Montreal）第24届国际地质大会期间，国际地质科学联合会（IUGS）岩石学委员会下设的火成岩分类分会讨论并通过了所推荐的深成岩的分类和命名方案。这个分类是在A.Streckeisen（1967）分类基础上修订而成的。分类中使用Q、A、P、F双三角图形对深成岩进行划分。随后国际地质科学联合会火成岩分类分会于1979年又提出了与深成岩相对应的火山岩（熔岩）分类方案。这两个分类方案是目前使用的各种分类系统中比较实用的折中方案；虽然在某些方面尚不完善，但它基本上代表了世界各地区已使用的习惯，所以目前在国内和国外应用较广。Streckeisen（1976，1979）又对上述方案提出了进一步的修改和建议。在此基础上，国际地科联（IUGS）火成岩分类学委员会于1989年又推出了新的火成岩分类命名方案（Le Maitre等，1989）。

上述的Q、A、P、F值是依据CIPW标准矿物成分计算出的，其难点就是钠长石如何在碱性长石和斜长石中分配的问题。Rittmann（1973）的稳定矿物组合法更接近实际情况，但由于其计算方法繁琐，使得其应用受到限制。吴利仁等（1982）提出了将CIPW法与Rittmann（1973）中的长石配分法相结合，对火成岩岩石分类、命名的计算方法。

2.利用Ab-An-Or图解进行花岗岩的分类 O'Connor（1965）的Ab-An-Or图解能够用于进行标准矿物石英大于10%的长英质岩石的分类。图解完全以标准矿物长石的成分为分类基础，将其换算成100%，代表从“花岗岩”四面体Q-Ab-An-Or的角顶石英向长石平面的投影。Ab-An-Or图解主要用于侵入岩的分类。这个分类的长石的成分是按照Barth-Niggli阳离子标准矿物计算法计算的。Baker（1979）对这个图解做了修正，稍微扩大了更长花岗岩的区域和缩小了英云闪长岩的区域。这一修正的分类方案获得了广泛的应用（Rollison，1993）。

3.Streckeisen-Le Maitre的Q'（F'）-ANOR图解 根据标准矿物成分，Streckeisen和Le Maitre（1979）提出了火山岩和侵入岩分类的Q'（F'）-ANOR图解，它可以反映Streckeisen（1979）的QAPF分类（根据岩石的实际矿物进行的分类）。标准矿物计算运用Barth-Niggli阳离子标准矿物法。矩形图解的y轴可以反映二氧化硅的饱和程度，用石英含量Q'=Q/（Q Or Ab An）和似长石含量F'=（Ne Lc Kp）/（Ne Lc Kp Or Ab An）来度量。x轴反映长石成分的变化[ANOR=100An/（Or An）]。把钠长石排除在长石轴之外，可以避免如何将它分配到斜长石或者碱性长石中的困难。但是，这个分类图解没有得到广泛的应用（Rollison，1993）。

（三）利用阳离子进行火成岩石的分类

为了避免氧化物质量分数数据不能真实地反映岩石样品的阳离子分布，许多作者优先把岩石的化学成分计算为阳离子的形式。根据阳离子数进行火成岩分类。

De la Roche和Leterrier等（1980）提出了根据阳离子数（千阳离子数）进行火山岩和侵入岩的R 1-R 2图解分类方案。这个图解对于侵入岩特别有用。用投影参数R 1和R 2进行投影，构筑xy双变量图解。R 1作为x轴，R 2作为y轴，按下式计算： R 1=4Si-11（Na K）-2（Fe Ti） R 2=Al 2Mg 6Ca 其中，Si代表SiO 2；Na代表Na 2O；K代表K 2O；Fe代表全铁；Ti代表TiO；Al代表Al 2O 3；Mg代表MgO；Ca代表CaO。 这个分类方案的优点是：

1）用了岩石的大多数的主要元素化学成分来分类，因此可以代表整个岩石；

2）分类方案可用来进行所有类型的岩石的分类，适用性广；

3）矿物成分也可以投影在图解之上，能够进行实际矿物成分与岩石的化学成分数据的广泛的对比，了解矿物成分对岩石化学的影响；

4）能够表示岩石的二氧化硅的饱和程度和长石的成分变化。 然而，这一特殊分类图解的问题是难以理解和难以应用的。参数R 1和R 2没有直观的含义，使得图解看起来难以理解。另外，区域边界是曲线的，不易复制。

（四）花岗岩类的成因分类

自从Read（1956）提出有各种不同的花岗岩以来，许多地质学家都试图区分各种不同类型的花岗岩类，并对其进行分类。目前国际上花岗岩类的成因分类不下20种，由于他们所采用的成因模式或所侧重的分类准则（如源区性质、壳幔物质的相对贡献、岩浆作用过程以及侵位类型）不同而造成一定差异（Barbarin，1990）。 Raguin（1957）把花岗岩类分为侵入花岗岩类和原地花岗岩类。Martin和Piwinskii（1972）划分为造山和非造山花岗岩类。Didier和Lameyre（1969）把花岗岩分为浅色花岗岩和二长花岗岩-花岗闪长岩。石原舜三（Ishihara，1977）把花岗岩类分为钛铁矿系列和磁铁矿系列。Chappell和White（1974，1983）把花岗岩类划分为I型、S型、M型、A型四种类型。

徐克勤等（1982）以源岩所在岩石圈的大致位置，将花岗岩分为同熔型、改造型、幔源型。Pearce等（1984）将花岗岩的形成环境与大地构造环境相联系，把花岗岩类分为洋脊、火山弧、板内、碰撞带型。按照花岗岩形成时的构造环境，Maniar和Piccoli（1989）将花岗岩分为岛弧花岗岩类（IAG）、大陆弧花岗岩类（CAG）、大陆碰撞花岗岩类（CCG）、后造山花岗岩类（POG）、与裂谷有关的花岗岩类（RRG）、与大陆的造陆抬生有关的花岗岩类（CEUG）、大洋斜长花岗岩类（OP）。杨树锋（1987）把花岗岩类分为以板块边界为主的板块俯冲幔源型、板缘挤压型（岛弧型）、板缘拉张型、板内改造型、板内裂谷型。Pitcher（1983，1987）把花岗岩类分为海西型、加里东型、Andino型、内太平洋型和尼日利亚型。 Barbarin（1990，1999）根据花岗岩类的主要岩石成因将花岗岩类分成了三大类（壳源、幔源和壳幔混合源）和八个亚类。这种分类以岩石学、矿物学和化学成分特征为准则，并将花岗岩类类型与构造环境相联系。

综上所述，迄今对火成岩的分类还未达到完善的地步，目前还没有一个被大家都能接受的分类。

四、存在问题及评述

事实上，上述世界花岗岩类的总平均化学成分中，Daly（1933）和Nockolds（1954）的1035个花岗岩类样品，主要选自北美和欧洲；Beus（1972）的2490个花岗岩类样品，则主要选自俄罗斯、东欧和中亚，都未包含中国花岗岩类样品在内（黎彤等，1998）。Turekian和Wedepohl（1961）汇编的数据在测试、取样的代表性和岩性的描述方面又存在着不确定性。Le Maitre（1976b）用于计算世界花岗岩类平均化学成分的2485个化学分析数据中，亚洲的数据仅占15.5%，这同亚洲的面积是十分不相称的。这样，依据他们的岩石化学资料求出的世界花岗岩类平均化学成分，在很大程度上有其区域特征，不能真正代表全世界花岗岩类的总平均化学成分。虽然黎彤等（1998）提出的世界花岗岩类平均化学成分中包含了中国的花岗岩，但其数据同样来源于文献资料。

综上所述，虽然有多位学者提出花岗岩类丰度的数据，但是其中大部分都是常量元素的分析结果，而且多数是收集别人的分析数据经统计计算后得出的，缺乏实测数据，也缺乏以区域地质、地球化学实际资料为基础的对花岗质岩石微量元素的系统研究。同时，由于分析方法和分析水平的差异，导致同一成分或元素的含量数值存在差异（图1-1）。另外，鄢明才等（1996）提出的中国花岗岩丰度值，虽然是实测数据得出的，但是其多数元素主要是依据中国东部花岗岩类的分析数据计算出的。同样，对比黎彤等（1963，1998）和鄢明才等（1996）发表的中国花岗岩类的平均化学成分，也可以发现多数成分的含量都存在差异（图1-2）。即使已经有很多学者对中国的花岗岩体的化学成分进行了大量研究，但却缺乏对中国花岗岩类实测多元素丰度的全国性、系统性的研究。除了史长义等（2005a）计算出的中国花岗岩类化学元素丰度值外，还没有在中国范围内完全通过实测数据得出的中国花岗岩类化学成分的平均值和元素丰度值。

END

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