数字化岩石实验室的建设——以长安大学地学实验教学示范中心为例

汤 艳，刘云华，焦建刚，李荣西，佟丽莉，黄 玉长安大学　地球科学与资源学院，陕西　西安　710054



实践教学

数字化岩石实验室的建设
——以长安大学地学实验教学示范中心为例

汤 艳，刘云华，焦建刚，李荣西，佟丽莉，黄 玉
长安大学地球科学与资源学院，陕西西安710054

摘 要：为了提高实验教学的教学质量，并实现岩石实验室的规范化管理，本文以长安大学地学实验教学示范中心已有的岩石标本库为基础，通过详细的手标本描述和薄片镜下鉴定，建立岩石手标本和薄片的数据库，并提供上传、检索、下载等一系列操作，从而实现岩石实验室的数字化建设。

关键词：岩石标本库；手标本描述；薄片镜下鉴定；岩石实验室

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引用格式：汤艳，刘云华，焦建刚，等.数字化岩石实验室的建设——以长安大学地学实验教学示范中心为例[J].中国地质教育，2016，25（1）：96-99.

随着计算机信息技术的日新月异，数字化、网络化、多媒体化的信息技术越来越广泛地应用于教育事业，作为实验教学与管理方面的重要创新，数字化实验室的建设正在不断改变着高校实验教学的现状，并极大地提高了实验教学的教学质量[1]。“岩石学”是地质学相关专业必修且实践性很强的一门基础课程，将近50%的学时是在岩石实验室完成。因此，岩石实验室的建设对于保证课程的教学质量至关重要。岩石实验室建设的一个重要方面就是岩石标本库的建立。在地质学相关专业的院校、研究所、博物馆等都拥有大量的实物地质资料（包括岩石标本）。但是，关于岩石标本的数据库却很少，只有“国家岩矿化石标本资源信息网” 和“中国数字地质博物馆”有关于岩石标本的简单描述，但内容不适合从事地质工作的初学者和专业人员查阅及使用。在出版物方面，常丽华、陈曼云等[2-4]先后出版了《透明矿物薄片鉴定手册》、《火成岩鉴定手册》以及《变质岩鉴定手册》，苏桂芬等[5]以青藏高原1∶25万区域地质调查实物地质资料为基础，编写了《典型岩石薄片显微图册》，但这些使用起来繁琐，只能作为地质相关专业工作人员和高等院校师生的参考书，仍然缺少一个系统描述各类岩石的数据库。

本文建立的“数字化岩石实验室”是以长安大学地学实验教学示范中心（后面简称“示范中心”）已有的岩石标本库为基础，通过详细的手标本描述和薄片镜下鉴定，建立一本丰富的岩石网络工具书《典型岩石手标本及薄片鉴定手册》，其主要内容包括每类岩石的图片、手标本描述、显微镜下鉴定报告等等，并提供上传、检索、下载等一系列操作，从而建立一套方便学生学习和交流的信息平台。

一、传统岩石实验室与数字化岩石实验室

目前，我中心拥有3个岩石实验室和1个标本薄片室。多年来，面向我院地质学、资源勘查工程、矿物加工工程等专业开设了多门岩石学相关专业的基础课程，包括晶体光学与岩浆岩石学、沉积岩石学、变质岩石学、岩矿鉴定等实践课程。每年容纳学生达960人次，承担的实验学时量达1144学时。长期以来，岩石实验室都在满负荷运转或面临如下的问题：首先，实物标本（岩石手标本和薄片）的损耗大。目前，岩石标本库中包括202类岩石手标本和165类岩石薄片，这些标本由于使用时间长、重复使用率高，很多典型的结构构造现象，甚至是矿物特征都难以观察，而且典型岩石标本的数量和套数还有逐年减少的趋势。这些必将影响实验教学的质量。其次，这些实物标本无法得到充分共享。目前，在岩石学实验课上，手标本做不到人手一块，一般是五六人一组，而薄片尽管可以满足每人一片，但是每个薄片中的现象又有所差别。所以，岩石中常见的典型现象（包括特征矿物、结构、构造等）不能得到充分地共享，这势必影响实验教学的效果。

总之，岩石标本不是供消耗，而是供观察、学习、研究的实物，标本的价值在于标本所承载的信息，标本实物不过是这些信息的载体[6]。因此，本中心有必要对岩石实验室中现有实物标本的信息进行详细的描述，从而实现数字化岩石实验室。相比之下，数字化岩石实验室具有无法比拟的优势：（1）标本信息得到永久储存。而传统岩石实验室由于标本的不断损耗，其标本的价值也得不到保存。（2）资源能够充分共享，便于初学者学习与交流。将岩石手标本和薄片的信息提供上传、检索、下载后，学生可以通过课前预习、课后复习，或者是教师的课间直观演示等多种方式进行学习与交流，这样就能够在有限的实验课上很快地了解实验课的内容和目的，这比学生自己在显微镜下无目的的摸索效果要好得多。（3）具有开放性，不仅服务于高等院校师生，而且对从事地质工作的初学者和专业人员都且有参考价值。

二、岩石标本的信息采集

岩石实验室数字化建设的核心内容就是岩石标本库的数字化。本中心拟对现有标本库中的岩石标本进行详细的观察和描述，并以文字描述（即鉴定报告）与图片（即标本照片和镜下照片）相结合的形式输入和存储，展示岩石标本信息的真实性和有效性，从而弥补以往岩石薄片鉴定过程中只有鉴定者才能看到薄片下的矿物光性特征，而利用者仅能看到描述性文字报告的不足，不仅大大提高了岩石薄片信息的利用率，而且对于岩石薄片资料的存储、再利用、信息数据库的建立以及为利用者提供更便捷的服务都具有十分重要的意义[7]。

岩石标本的信息采集包括手标本描述和薄片镜下鉴定两部分。前者是综合野外产状，借助放大镜、小刀等工具肉眼对岩石的颜色、构造、结构、矿物成分等基本特征进行简单描述与初步定名；后者是利用偏光显微镜对岩石的基本特征进行详细鉴定，并对前者进一步修正和完善，二者的描述内容类似，只不过由于观察对象、尺度不同，描述要求以及侧重的观察内容有所差别。

1.手标本的描述方法

手标本的描述内容主要针对颜色、结构、构造、可辨认的矿物成分（种类和含量）以及其他特征等。

（1）颜色是岩石最醒目的特征，一般分为新鲜面和风化面的颜色。

（2）结构是较微观的岩石构成特征，要求观察尺度比较小（颗粒尺度），最好在镜下观察。

（3）构造是较宏观的岩石构成特征，要求观察尺度比较大，最好在露头上观察，而室内主要在手标本上观察。因此，手标本对构造的描述要细致，尽量定量。如对条带状构造，要描述条带的颜色、疏密、宽窄及粒度、成分等特征；对喷出岩的气孔构造，要描述气孔的数量、大小、形状、分布排列和内壁的光滑程度等。

（4）矿物成分的观察和描述一般包括矿物名称、物性特征（如矿物的颜色、晶形、双晶、光泽、断口、硬度等特征）、大小、百分含量等。对于显晶粒状结构的岩石一般分为主要矿物、次要矿物和副矿物，并按照“先多后少”的顺序逐一描述各矿物的特征；对斑状结构或斑状变晶结构的岩石，则先斑晶或变斑晶，后基质；对碎屑（陆源、内源或构造碎屑）岩，则先碎屑，后填隙物质（基质和胶结物）。观察描述时应注意，对显晶质矿物一般应在放大镜下，根据矿物的颜色、晶形、双晶、光泽、断口和硬度等特征，鉴定矿物名称，即鉴定特征观察到什么就描述什么。而对隐晶质和非晶质，由于矿物成分肉眼不能分辨，所以主要描述颜色、光泽和断口等特征。

（5）其他特征主要包括次生变化、破碎情况、细脉穿插、岩石包体、矿化等，如见到应描述。最后，根据野外产状以及上述特征，结合分类命名原则给岩石以初步名称。

2.薄片镜下的描述方法

岩石薄片的描述与手标本描述类似，描述内容依次为结构、构造、矿物成分、成因分析等，只是描述过程中侧重于岩石的结构、矿物成分以及成因分析等。

（1）与构造主要在手标本上观察相反，结构是镜下观察的重点，其描述内容与手标本结构观察一致，包括粒度、矿物的自形程度和结晶习性以及碎屑的磨圆度和形状等特点，但是镜下要求描述得更具体。如对斑状结构或斑状变晶结构者，还需描述基质的结构。至于矿物之间相互关系（包裹关系、反应关系、交生关系等）方面的结构特点，则放在组成岩石各矿物的基本特征之中描述。

（2）岩石薄片中可见有多种矿物，初学者往往不知从何处下手。建议首先用低倍物镜在单偏光、正交偏光镜下反复把整个岩石薄片概略地浏览一下，根据矿物的光性特征如矿物的颜色、多色性、晶形、突起、糙面、双晶、干涉色和解理等特点，分出镜下有几种矿物，这样就不会漏掉矿物，然后再用中倍物镜针对每种矿物进行详细观察。其具体描述顺序与手标本一致，如按主要矿物、次要矿物、副矿物依次描述，或者先斑晶/变斑晶，后基质；又或者先碎屑，后填隙物质（基质和胶结物），只是镜下观察要求描述的更详细，如区分基质和胶结物，分出单斜辉石与斜方辉石以及确定斜长石的亚种等等。

（3）成因分析即根据观察到的岩石矿物成分、结构构造等岩相学基本特征，利用岩石学基本理论、基本方法，分析岩石成因。对火成岩，通常要求根据矿物自形程度、相对大小、包裹关系、反应关系等结构特征分析矿物结晶顺序，区分原生矿物与次生矿物；对陆源碎屑岩，通常要求根据结构、成分等特征，分析搬运距离、水动力条件、沉积环境、成岩方式；对变质岩，通常要求根据矿物成分、结构特点，分析变质岩化学类型、原岩性质、变质作用热峰条件等；最后，根据岩石基本特征，结合分类命名原则给岩石以综合定名。

三、岩石标本数据库的建立

综合目前流行的几个大型数据库管理系统的特点分析和对比评价，包括性能、开放性、可伸缩性、安全性、应用模式等，发现Oracle较之Sybase、DB2、SQL Server等更贴近于地学标本库的应用需求[8]。因此，考虑岩石实验室数字化建设的数据规模、信息类型和特点，本中心岩石标本数据库拟选用Oracle来存储和管理岩石标本的数据信息。

1.数据库的设计

从岩石类型来看，岩浆岩、沉积岩、变质岩的岩石种类繁多。所以，岩石标本库下设三个数据库，即岩浆岩、沉积岩和变质岩实验资源库，并且每个库中的岩石标本都由手标本和薄片两个内容组成。根据前面介绍的标本描述方法，示范中心对手标本和薄片进行了数据库库表设计（表1）。标本的库表主要包括两个方面，其一是标本的基本信息，包括标本的编号、名称、所属岩类、产地、数量、采集与数字化等；其二为标本的详细信息（包括手标本和薄片），即颜色、结构、构造、成分、定名、标本照片、照片说明等。

表1　岩石标本数据库的设计及说明

2.岩石标本的数据入库

根据前述标本的描述方法，对实验室现有手标本和薄片（图1，图2）进行详细的描述，表2是标本编号为I11-001纯橄岩的鉴定示例。在完成所有标本的观察和描述之后，再根据数据库库表的设计，统一对每个标本进行整理、核实以确保标本信息的正确和完整。最后，将岩石标本的信息添加到数据库表中，完成标本信息的入库。

图1　纯橄岩的手标本照片（Ol -橄榄石；Mt -磁铁矿）

图2　纯橄岩的镜下照片（图a为单偏光4×，图b为正交偏光4×；Ol -橄榄石；Mt -磁铁矿；Srp -蛇纹石）

四、下一步工作展望

岩石实验室数字化建设的一个重要方面就是数字化岩石标本库，即运用计算机、数据库技术实现对岩石标本的规范化管理、检索、修编等工作的一次尝试。目前示范中心岩石标本库还处于信息采集阶段，进一步还要将数据库中存储的岩石标本及其相关信息面向用户，并提供访问、检索、下载等一系列操作，而授权用户也可根据要求上传、更新自己的资料，这不仅方便实验室对标本的管理，其检索功能更为地质工作者提供了一本丰富的网络工具书，对从事地质工作相关的人员具有很大的参考价值，而且还建立了一套方便学生学习和交流的信息平台。

岩石实验室数字化建设的另一个极为重要的方面就是硬件条件，其中最重要的仪器设备就是显微镜。示范中心岩石实验室的显微镜需要全面更新，并装备莱卡数码显微照（摄）相投影系统，这与其他兄弟院校相比，相差甚远，有些院校早已实现学生、教师显微镜电脑联网，为提高教学质量提供了物质基础和保障。

随着示范中心岩石实验室数字化建设起到辐射、示范作用，教学效果明显后，我们计划将数字化建设不断扩展到矿物实验室、古生物实验室等，为后续实现数字化地学实验教学平台提供宝贵的经验。

表2　标本纯橄岩（I11-001）的详细鉴定资料

参考文献：

[1] 王德利，汤海峰，孟威，等.数字化实验教学平台的构建[J].实验技术与管理，2014，31(12)：152-154.

[2] 常丽华，陈曼云，金巍，等.透明矿物薄片鉴定手册[M].北京：地质出版社，2006.

[3] 常丽华，曹林，高福红.火成岩鉴定手册[M].北京：地质出版社，2009.

[4] 陈曼云，金巍，郑常青.变质岩鉴定手册[M].北京：地质出版社，2009.

[5] 苏桂芬，刘凤民，冯俊岭.典型岩石薄片显微图册[M].北京：地质出版社，2012.

[6] 陈宏京，陈霜.漫谈数字化博物馆[J].东南文化，2000(1)：95-99.

[7] 苏桂芬，刘晓文.实物地质资料中心：岩石薄片显微图像管理信息化[N].中国国土资源报，2011-09-26(5).

[8] 陈源，余必胜，袁伟.基于Web的地学标本库开发[J].计算机工程，2003，29(15)：181-183.

Title: Construction of Digital Petrology Laboratory——Taking the Center of Geoscience Laboratory of Chang'an University as an Example

Author(s): TANG Yan, LIU Yun-hua, JIAO Jian-gang, LI Rong-xi, TONG Li-li, HUANG Yu

Keywords:rock samples library; hand specimen description; thin-section microscopic identification; petrology laboratory

中图分类号：G642

文献标识码：A

文章编号：1006-9372（2016）01-0096-04

收稿日期：2015-07-18。

基金项目：长安大学中央高校基本科研业务费专项资金资助（310827162024）。

作者简介：汤 艳，女，讲师，主要从事岩石学教学、科研以及管理方面的工作。