岩石化学计算方法讲解之五

岩石化学计算方法讲解之五——尼格里标准分子计算法（一）方法的任务鉴于CIPW法在计算岩石的矿物成分时，仅仅考虑到各种组分间的化学组合关系，而很少考虑岩石的成因条件，因而所计算出来的矿物成分往往同岩石中实际存在的矿物组成有较大的误差。

为此，尼格里1937年提出了他所创立的标准分子计算法。

其主要任务是将岩石的化学分析结果，尽可能计算成为符合岩石实际存在的矿物成分，这样就不仅可以将岩石的化学分析同显微镜下的研究紧密结合起来，而且由于此法可以计算出反映岩石不同成因条件（岩浆、交代、变质）的不同的矿物组成方案，通过对这些方案的分析和比较，或者根据所计算中的矿物组合做出的物理化学图解，可以得出有关岩石成因和演变的某些有重要意义的认识和结论（鉴于该法的许多用途大体与CIPW法相近，故此处对这方面不再具体介绍）。

（二）方法的原理1、概述：该法所依据的基本原理，不仅是岩石化学组分间的化学组合关系，而且考虑到不同成因条件下矿物形成的特点和规律。

由于同样的化学组分在不同的成因条件下，可以形成不同的矿物组合方案的可能性。

而为了寻求同岩石实际矿物组成相符合的矿物方案，往往需要在计算中把一种矿物方案换算成另一种方案。

为了给此种转变矿物方案的工作提供便利的基础和条件，尼格里提出了原始分子和矿物标准分子的概念。

整个计算方法是先把组成岩石的各种氧化物计算为原始分子，然后再进一步根据岩石的实际情况把原始分子换算为标准矿物分子。

2、原始分子及其组成：所谓原始分子（或称基本分子），即是由各氧化物按一定组合规律和量比关系而组成的原子团。

它并非是岩石中实际存在的矿物，而仅仅是人为设置的一个“建造单元”，是为了供进一步计算的一些原子团，是组成各种矿物的基础。

为了实现既便于把原始分子换算为标准矿物，又便于把计算出的一种矿物方案转变成另一种矿物方案，尼格里巧妙地把各种原始分子（包括以后的标准矿物分子）的当量，设计为等于其化学式的分子量被其化学式中的正价数目而除所得的分子量。

如钾霞石的化学式为KAlSiO4，其分子量等于158，而一个钾霞石分子式中共有三个正价原子（K\Ai\Si）,则一个甲霞石原始分子Kp则为1/3KAlSiO4，其当量则等于158÷3=52.7。

同理，霞石的分子式为NaAlSiO4，其当量则为142÷3=47.4。

钙铝酸盐的化学式为CaAl2O4，而一个钙铝酸盐的原始分子Cal则为1/3CaAl2O4，当量为158÷3=52.7。

将原始分子的当量做上述的规定，就可以使大多数的原始分子及其所组成的造岩矿物标准分子的当量值相等或接近。

即大多处在47到67之间。

这是因为组成这些原始分子和造岩矿物的基本元素是氧，其它元素也均位于元素周期表的前几列，而因其在原子量上的差别较小的缘故。

由于这样的原因，就使得在用原始分子组合成矿物分子时，在其分子数同重量数间存在着明显的对应关系。

即其分子的百分数十分接近于重量百分数。

如钾长石是由钾霞石的石英组合而成的，其反应式如下：KAlSiO4+2SiO2=KAlSi3O8 (1)用原始分子符号表示为：3Kp+2Q=5Or (2)用重量数表示则为：2.84克Kp+2.16克Q=5克Or (3)由以上可以看出，在用原始分子表示的反应方程中，不仅方程两边的系数之和相等，而且在（2）式中各项的分子系数都非常接近于（3）式中相应各项的重量数。

这就是尼格里用前述原则规定原始分子或标准矿物分子大小的主要原因和优越性。

正因为在矿物的分子系数同重量数间存在着这样明显的对应关系，就为用矿物分子百分数代表其重量百分数，从而大大简化二者之间的换算手续奠定了基础。

下面再举几个例子予以进一步说明：形成紫苏辉石的反应：用原始分子系数表示：3Fa+1Q=4HY用重量数表示： 3.09克+0.91克=4克生成透辉石的反应：用原始分子系数表示：2Wo+2En=4Di用重量数表示： 2.11克+1.89克=4克生成锥辉石的反应：用原始分子系数表示：3Ns+3Q+2Hm=8Ac用重量数表示： 2.12克+3.12克+2.76克=8克在最后一个（生成锥辉石）的反应中，虽因有铁的氧化物参加，使原始分子系数和重量数之间有些偏差，但仍是不大的。

而且这种偏差只出现在个别的反应中。

同时已经证明，在许多反应中，原始分子的百分数同体积百分数之间存在的偏差更小。

为此运用尼格里所建立的原始分子所计算出的矿物百分含量，可以代表重量或体积百分含量，并直接用于有关的研究中。

表19列出了所有原始（基本）分子的名称、代号及其化学式的构成和当量值。

其中最主要者是由各常量组分组成的那些个，计有Kp、Ne、Cal、Sp、H2、Ks、Ns、Cs、Fo、Fa、Fs、Ru和Q等，它们是组成岩石主要造岩矿物的原料。

表19 P·尼格里原始分子名称、代号及化学式和当量等一览表续表19）3、岩石中各种组分组成原始分子的规则：根据尼格里在进行原始分子计算中对各种组分的处理情况，可以总结出如下一些规则，可供在计算原始分子中应用。

（1）K ：尽可能同等量的Al 、Si 组成钾霞石（Kp=31KAlSiO 4）反应式为：χK+χAl+χSi=3χKp在Al 不足时，则直接同半量的Si 组成钾硅酸盐（Ks=31K 2SiO 3）反应式为：χK+21χSi=32χKp（2）Na ：尽可能同等量的Al 、Si 组成霞石（Ne=31NaAlSiO 4）反应式为：χNa+χAl+χSi=3χNe在Al 缺乏时，则直接同半量的Si 组成钠硅酸盐（Ns=31Na 2SiO 3）反应式为：χNa+21χSi=23χNs在有cl 和过剩的CO 2时，Na 还可分别同这些组分组成石盐（HL=Nacl ）和钠碳酸盐（Nc=21Na 2CO 3），反应式为： χcl+χNa=χHL 2χNa+χCO 2=2χNc（由于在计算原子总数时，不考虑cl 、CO 2及其它挥发组分的分子数，故所形成的原始分子数目也不将这些成分数目计算在内，以下同）。

（3）Ca ：尽可能同Al 组成钙铝酸盐（CaL=31CaAl 2O 4），反应式为：χCa+2χAl=3χCaL在Al 缺乏时，过剩的Ca 则同Si 组成钙硅酸盐（Cs=31Ca 2SiO 4），反应式为：χCa+21χSi=23χCs当有CO 2、P 2O 5、SO 3、F 等微量组分时，Ca 可分别同它们组成方解石（Cc=CaCO 3）、砱灰石（Cp=51Ca 3P 2O 8）、硬石膏（A=21CaSO 4）、萤石（Fr=CaF 2）等矿物。

反应式分别为：组成方解石：χCa+χCO 2=χCc 组成砱灰石：3χCa+2χP=5χCp 组成硬石膏：χCa+χSO 3-2=χA 组成萤石： χCa+2χF=χFr（4）Al ：首先满足K 、Na 、Ca 组成含铝原始分子Kp 、Ne 、CaL 的需要，然后即同Mg ，Mg 不足再同Fe 2+分别组成镁尖晶石（Sp=31MgAl 2O 4）铁尖晶石（Hz=31Fe 2+Al 2O 4）。

反应式为：组成镁尖晶石：χMg+2χAl=3χSp 组成铁尖晶石：χFe 2++2χAl=3χHz（5）Mg ：在有剩余的Al 时，首先同Al 组成Sp （见前），在无Al 或当Mg有剩余时，则同Si 组成镁橄榄石（Fo=31Mg 2SiO 4）,反应式为：2χMg+χSi=3χFo（6）Fe 2+：在有剩余的Al 时，首先同Al 组成Hz ，在无Al 或当Fe 2+有剩余时，则同Si 组成铁橄榄石（Fa=31Fe 2SiO 4）,反应式为：2χFe 2++χSi=3χFa当有S 时，Fe 2+将首先同S 组成黄铁矿（Pr=FeS 2）,反应式为： χFe 2++2χS=χPr（7）Fe 3+：首先同Si 组成铁硅酸盐（Fs=31Fe 3+SiO 5），反应式为：χFe 3++21χSi=23χFs当Fe 3+过剩时，则呈游离的Fe 2O 3（Hm 赤铁矿）出现。

（8）Si ：尽量满足各组分形成含硅原始分子的需要，最后的剩余则算为石英（Q=SiO 2）。

（9）Ti ：均计算为金红石（Ru=T iO 2），即： χT iO 2=χRu（10）Mn 2+：合并到Fe 2+中。

（11）P 2O 5：同Ca 组成Cp 。

（5）CO 2：同Ca 组成Cc ，有时可同Na 组成Nc 。

（6）Zr ：同Si 组成锆石（Z=21Zr SiO 4），反应式为： χZr+χSi=2χZ（14）SO 32-：同Ca 、Na 分别组成A 、Th （无水芒硝—Na 2SiO 4）。

（15）H 2O ：均计算为W （水分子—H 2O ）。

总结上述，可以将原始分子的计算原则归结如下： （1）各微量组分均分别同有关组分组成相应的矿物。

（2）各常量组分同各有关组分组成相应的原始分子。

总的规律是：无论是K 、Na 、Ca 还是Fe 2+、Mg 均首先同Al 组成含Al 的原始分子，然后再组成各自的硅酸盐。

（3）每种岩石所应出现的原始分子，同岩石的化学组成特别是受岩石所属系列的控制，各系列岩石所应出现的原始分子的种类如下：i 正常系列：（i ）当K+Na+2Ca=Al 时，原始分子有：Kp 、Ne 、CaL 、Fo 、Fa 或※Fs 、Ru 、Q 、W 等。

（ii ）当K+Na+2Ca>Al 时，原始分子有：Kp 、Ne 、CaL 、Cs 、Fo 、Fa 或Fs 、Ru 、Q 、W 等。

※或字之后者可以有，可以没有。

ii 铝过饱和系列：（i ）当K+Na+2Ca<Al <K+Na+2Ca+2Fe 2++2Mg 时，原始分子有：Kp 、Ne 、CaL 、Sp 、Fo 或Hz 、Fa 、Fs 、Ru 、Q 、W 等。

（ii ）当Al >K+Na+2Ca+2Fe 2++2Mg 时，原始分子有：Kp 、Ne 、CaL 、Sp 、Hz 、C 或Fs 、Ru 、Q 、W 等。

iii 碱过饱和系列：（i ）当K>Al 时，原始分子有：Kp 、Ks 、Ns 、Cs 、Fo 、Fa 或Fs 、Ru 、Q 、W 等。

（ii ）当K<Al <K+Na 时，原始分子有：Kp 、Ne 、Ns 、Cs 、Fo 、Fa 或Fs 、Ru 、Q 、W 等。

4、矿物标准分子及其组成：所谓标准矿物或称矿物标准分子，是指由原始分子根据岩石的成因和实际矿物组成特点所计算出的矿物成分。

但每种矿物的成分均为理想的化学式，而不考虑各种矿物中常见的偏差（事实证明，许多矿物的实际成分大都较理想化学式掺杂有许多杂质组分，这点在里特曼的火成岩的稳定矿物组合计算方法中，给予了注意和考虑）。

按照对原始分子当量大小的规定，根据原始分子所计算出的每个标准矿物分子当量的大小，也等于其化学式的分子量除以其正价原子的数目所得的分子量。