南京大学岩石教学薄片显微图像数据集

赖文，蒋璟鑫，邱检生，于津海，胡修棉*

1.南京大学地球科学与工程学院，南京 210023

数据库（集）基本信息简介

数据库（集）名称 南京大学岩石教学样品显微图像数据集数据作者 赖文，蒋璟鑫，邱检生，于津海，胡修棉数据通信作者 胡修棉（huxm@nju.edu.cn）数据时间范围 岩石样品采集制作时间主要为1970s-2010s；岩石薄片偏光显微照片拍摄于2014年和2019年。地理区域 样品主要来自中国境内。偏光显微镜分辨率 1280×1024 或 4908×3264像素数据量 4.94 GB数据格式 *.jpg，*.xls数据服务系统网址 http://dx.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00097基金项目 国家重点研发计划（2018YFE0204201）数据库（集）组成数据集共包括6个数据文件，它们分别为：南京大学沉积岩教学薄片照片数据集.zip、南京大学火成岩教学薄片照片数据集.zip、南京大学变质岩教学薄片照片数据集.zip，以及对应的南京大学沉积岩教学薄片信息表.xls、南京大学火成岩教学薄片信息表.xls、南京大学变质岩教学薄片信息表.xls。其中：(1) 3个薄片照片数据集包括2634张教学薄片偏光显微照片（*.jpg）的图片集，数据量共计4.94 GB；(2) 3类岩石的薄片信息表是岩石薄片的基本信息以及鉴定数据表，数据量共计99.1 KB。

引 言

南京大学地球科学与工程学院岩石学专业最早可以追溯到 1921年秋竺可桢主持创建国立中央大学地学系时期，当时增设了地质、气象等新式课程，教授岩石学、矿物学等课程，并开始系统采集、购买各种岩石、矿物等标本[1]。1920s国立中央大学地学系就已经建成岩石学实验室和岩石薄片实验室，拥有岩石显微镜、切片机等仪器，以及800种岩石标本、280种薄片[2]。1930年地质学从国立中央大学地学系分出独立建系，随后地质学系在学校资金和政策的大力支持下，通过野外采集、全球采购等方式汇集了10000余件各种标本，其中岩石标本2000多件，包括现存于南京大学地球科学与工程学院岩矿教研室采自欧洲、美国等地19世纪的岩石标本。这些产自德国、法国、美国、日本、中国等世界各地的岩石标本被制成岩石教学薄片300余种900余片[2]。经历了抗日战争高校西迁和文革等事件，很多岩石标本与薄片永远消失在历史长河里。教学过程中，由于薄片的易碎性，教学薄片也在不断地损耗与减少。

经过历届师生重新筛选国内的典型岩石标本，完成了3大类岩石教学薄片的制作，并在后来教学和更新与改革教案过程中，通过不断增减、更换等方式形成目前这批典型的、具有代表性的岩石教学薄片。为了不重复前述遗憾，也为了更好地保存这些教学薄片的信息，迫切需要对这些标准教学薄片进行电子信息化，并将这些显微照片等数据储存起来。

由于不同学校所用的薄片各不相同，地学同行之间又缺乏交流与分享。不同学校培养出来的地学专业人才在交流时，面对同一个概念（如长石石英砂岩[3]）时常出现分歧。因此，如果能够实现这些岩石薄片等教学素材的线上共享，将有利于消除这些概念分歧，促进地学同行之间充分交流与讨论。此外，2020年新冠疫情之下，相关网络线上教学被迅速推广与流行，线上教学迫切需要这些基础资料作为素材。这些岩石薄片的显微图片等材料的线上共享也便于学生开展线上自学。

基于以上现状与需求，本数据集将南京大学地球科学与工程学院岩矿教研室的沉积岩、变质岩、火成岩的岩石教学薄片的显微图像数据和样品信息系统进行整理，与感兴趣的同行线上共享这批岩石教学薄片数据。

1 数据采集和处理方法

南京大学地球科学与工程学院岩矿教研室的岩石教学薄片是在一线科研工作者研究过的海量岩石样本中筛选出来的，这些教学薄片在岩石成分、结构等方面具有典型特征，在各类岩石中极具代表性。例如，1980s制作的花岗岩类的教学薄片就是由华南花岗岩综合研究课题[4]的几万个岩石薄片鉴定资料中筛选出来的代表性样品制成的。2000年以前早期的教学薄片是南京大学岩矿教研室的老师们亲自磨制出来的，确保每个薄片都满足0.03 mm标准薄片厚度；21世纪以来新补充的教学薄片则是送到专业岩石薄片公司制作的。

为了更好地全方位展示这些教学薄片，在选择代表性视域后于 0°位置时分别拍摄岩石薄片透射单偏光照片和透射正交偏光照片，然后在透射正交偏光下，每旋转15°拍摄一张照片，若遇到方解石等高级白干涉色的矿物则薄片在90°位置插入λ波程长度的石膏试板并拍摄1张显微照片。每个教学薄片共拍摄1张透射单偏光照片和7或8张透射正交偏光照片（图1）。其他的拍照原则统一采用《岩石显微图像专题》的拍照要求[5]，然后将沉积岩、火成岩、变质岩等3大类岩石教学薄片各随机选3盒进行统一的拍照。显微照片命名方式按“薄片所在位置”+“岩石定名”+“薄片盒序号”+“-摄像视域的数字序号”，如“沉8长石石英砂岩2-5”代表沉积岩第8号教学薄片长石石英砂岩样品2第5张显微照片。

图1 火15粗面岩1样品不同旋转角度下单偏光（-）和正交偏光（+）显微照片

每个薄片的信息采集方法统一按《岩石显微图像专题》的标准执行，在表格中系统描述了岩石薄片的成分、结构、构造等，并同时获取了薄片有关的地理等信息。其中，沉积岩薄片的描述与定名参照《岩石显微图像专题》制定的标准[5]，碳酸盐岩、蒸发岩、沉积矿产等内源沉积岩均参考灰岩的表头进行填写，火山碎屑岩和陆源碎屑岩参考碎屑岩表头进行填写。

鉴于变质岩和火成岩薄片的图像信息尚无标准的信息表头，本研究参考《岩石显微图像专题》制定的碎屑岩和灰岩图像信息的标准表头及其设计原则[5]，分别设计了表1和表2。

图2 火成岩常见岩石类型

火成岩中的“岩类”划分（表1）依据全岩SiO2含量和碱饱和程度等标准划分为超基性岩、基性岩、中性岩、酸性岩、碱性岩等，火成岩中还有少量直接由碳酸岩浆冷凝结晶的碳酸岩等碱性岩相关的岩石[6]（图2）。在进一步准确定名火成岩时，需要遵循以下规则[6]：（1）通过统计或化学成分计算得到的矿物含量进行QAPF分类（即按石英、碱性长石、斜长石、似长石4种矿物相对含量分类）图解获得火成岩的基本名。（2）进一步命名是通过含量≥5%次要矿物的名称作为前缀构成，如有多种次要矿物要参与命名，则含量越多者越靠近岩石的基本名称。（3）对于浅成侵入岩，如具微晶或细粒结构，则在相应成分的浅成侵入岩名称前加“微晶”作为前缀，如微晶闪长岩；如具斑状结构，则在对应的浅成侵入岩之后加“斑岩”作词尾，如花岗斑岩、二长斑岩等。（4）对外貌特征上与喷出岩相同的超浅成侵入岩，因它们大都具斑状结构，故可用“斑岩”冠以熔岩名称来命名，如安山斑岩等，如果这种超浅成岩属于次火山岩相，则在该名称前加“次”字作前缀，如次流纹斑岩等。（5）对具斑状结构的深成岩或喷出岩，一般不将结构放入命名中，以防与斑状的浅成岩混淆。

表1 火成岩薄片鉴定信息表内容

续表1

火成岩显微薄片中可以观察到造岩矿物类型及含量，偶尔能看到含量＜1%的副矿物（例如锆石、尖晶石、磷灰石等）。本数据集表1中“造岩显晶或斑晶矿物的含量”是指在代表视域下显微照片中各类矿物的目估面积百分含量。火成岩的结构指组成岩石物质（矿物）的结晶程度、颗粒大小、形态以及它们之间的相互关系[6]。薄片信息这部分描述主要包括对矿物颗粒绝对大小、颗粒相对大小、颗粒形态、结晶程度、自形程度、颗粒间相互关系等6类（图3）进行描述。火成岩的构造是指组成岩石的各部分之间的相互排列、配置与充填方式关系[6]，这些构造主要是宏观可见；而显微镜下的薄片通常也能看到部分构造，例如流纹构造、斑杂构造、珍珠构造、气孔构造、杏仁构造等（图 3）。

火成岩的岩浆作用主要通过岩相学特征将其分为侵入作用和火山作用两类；此外更深入的研究则需基于火成岩组成、结构、构造等资料进一步综合判断属于结晶分异作用、同化混染作用、岩浆混合作用、还是岩浆液态不混熔作用[6]。

图3 火成岩中常见结构与构造

变质岩的岩类划分主要依据变质岩的组构和矿物组成，变质岩的基本类型包括板岩、千枚岩、片岩、片麻岩、混合岩、糜棱岩、角岩、变粒岩、斜长角闪岩、麻粒岩、榴辉岩、大理岩、石英岩、矽卡岩、碎裂岩、云英岩、蛇纹岩等近20种常见类型[7]（图4）。

变质岩准确定名时遵循以下规则[7]：（1）特征变质矿物+普通变质矿物+基本名称，如矽线石二云母片岩。（2）多种矿物参与命名时，同类矿物含量少的排序在前，多的排在后面。（3）普通矿物≥5%时参加命名，特征变质矿物无论含量多少都参加命名。（4）多种矿物参加命名时，通常取前两字简化矿物名词，如十字石榴黑云片岩。（5）片麻岩命名时，在基本名称前加长石类型，如角闪斜长片麻岩，石榴矽线钾长片麻岩。（6）一些特征构造加在名称最前，如条带状混合岩，斑点角岩。（7）若为轻微变质岩石，则以“变质+原岩名称”对其命名，如变质辉绿岩、变质粉砂岩等。（8）若为叠加变质岩或热液蚀变岩石，则以“XXX化+原岩名称”对其命名，例如糜棱岩化斜长角闪岩、绿泥石化二云母片岩、角岩化粉砂岩。

图4 变质岩常见岩石类型

变质岩中矿物包括普通矿物和变质矿物两类（表2），需分别在表2中系统描述矿物类型以及估算显微照片中面积百分含量。变质岩中普通矿物是指在沉积岩和火成岩中也常见的矿物类型，例如石英、白云母、黑云母、斜长石、钾长石（或者碱性长石）、方解石、白云石、角闪石等。变质矿物则包括不同变质条件下的绢云母、蛇纹石、石榴子石、夕线石、蓝晶石、硬玉等数十种矿物（表3）。

表2 变质岩薄片鉴定信息表头

续表2

注：橙色部分表头为必填；蓝色部分为可根据鉴定者的实际需求选填。

变质岩的结构主要通过光学薄片在显微镜下观察，主要包括变晶结构、变余结构、交代结构、碎裂与变形结构等4类（表2），薄片下常见的结构40余种（图5）。宏观肉眼可见的变质岩构造虽大多是非渗透性的，但板状构造、千枚状构造、片状构造、片麻状构造、混合构造、条带状构造、眼球状构造等（图5）也可以在光学薄片中观察到。

表3 不同成分、不同环境下的变质矿物表（据[7]修改）

变质岩的变质作用类型同样需要综合薄片中成分、结构、构造等，以及温压条件、地质背景等其他信息进行综合判断，主要包括区域变质作用、动力变质作用、接触变质作用、气液变质作用、埋深变质作用、洋底变质作用、混合岩化作用等[7]。

图5 变质岩中常见结构与构造

2 数据样本描述

本数据集中主要由6部分组成，分别为南京大学沉积岩教学薄片照片数据集、南京大学火成岩教学薄片照片数据集、南京大学变质岩教学薄片照片数据集，以及对应的南京大学沉积岩教学薄片信息表、南京大学火成岩教学薄片信息表、南京大学变质岩教学薄片信息表。

3大类岩石的教学薄片照片数据集由108种岩石324个岩石薄片的偏光显微照片组成，每一片岩石薄片都包含具有相同中心视域的透射偏光显微照片各8或9张，而且显微照片颜色与偏光显微镜下的肉眼观察一致，显微图像中的成分与鉴定报告中的描述也一致。显微照片的分辨率为1280×1024或4908×3264像素，保存格式为JPG。

2.1 沉积岩教学薄片照片数据集

沉积岩薄片鉴定报告由1个碎屑岩鉴定表格和1个其他沉积岩鉴定表格共同组成，鉴定表格内包含28种沉积岩的84个教学薄片的基本信息和岩性特征信息、分类命名等内容。与之对应的南京大学沉积岩教学薄片显微照片数据集由699张JPG格式的图片组成。

南京大学沉积岩教学薄片包括火山碎屑岩、砂岩、泥页岩和粉砂岩、灰岩、白云岩、硅质岩、蒸发岩等常见的岩石类型（表4）。其中以碎屑岩、火山碎屑岩、灰岩、泥页岩以及沉积矿产等最为丰富，这些教学薄片能在最大程度上满足沉积岩相关课程的教学和科研、生产实践的需求。

表4 南京大学沉积岩教学薄片情况统计表

2.2 火成岩教学薄片数据集

火成岩教学薄片鉴定信息表内包含40种火成岩120个教学薄片的基本信息和岩性特征信息等，与之对应的南京大学火成岩教学薄片显微照片数据集由963张JPG格式的图片组成。这些薄片涵盖了5类火成岩深成岩、浅成岩、喷出岩的各种类型，90%以上的常见火成岩类型（图2、表5）都能在这批教学薄片中找到。此外，火成岩的常见造岩矿物类型、结构与构造（图3）也基本上都能在这些岩石薄片中观察到。

表5 南京大学火成岩教学薄片情况统计表

岩类 种类 具体岩石名岩、花岗斑岩、流纹岩、球粒流纹岩、珍珠岩、英安岩碱性岩及相关岩石 8 方钠霓辉正长岩、霞石正长岩、黝方石响岩、霞石岩、假白榴石响岩、闪斜煌岩、云煌岩、方解石碳酸岩

2.3 变质岩教学薄片数据集

南京大学变质岩教学薄片鉴定信息表包括40种变质岩（表6）120个教学薄片的基本信息和岩性特征等内容，对应的南京大学变质岩教学薄片显微照片数据集由972张JPG格式的图片组成。这批教学薄片可归为17种变质岩基本类别（图4），绝大多数常见的变质结构与构造（图5）均在这批薄片中出现。此外，这批变质岩教学薄片还可以观察到堇青石、红柱石、硅灰石、蛇纹石、绿辉石等20余种特征变质矿物。

表6 南京大学变质岩教学薄片情况统计表

3 数据质量控制和评估

这些岩石教学薄片样本由高质量制作，符合国家与国际标准的厚度。在本次显微照片拍摄和薄片鉴定过程中，同一批次的岩石薄片中观察到石英颗粒的干涉色均为一级干涉色，说明薄片的厚度符合0.03 mm的国家标准。

在显微镜拍摄过程中，采用自动曝光和自动白平衡，使得肉眼观察和系统照片颜色尽量保持一致；且显微照片的分辨率统一采用尼康显微镜拍照系统的分辨率为 1280×1024像素或 4908×3264像素，图片统一保存为JPG格式，确保了显微照片的质量与清晰度。

4 数据价值

本数据集显微图像包含的各种地质学现象与名词，可以作为实物参考标准，对有分歧的、不好阐述的专业概念与名词，这些照片可以进行有效的补充说明。

本显微照片数据集属于专业的高质量专业资料，可以作为专业教学与大众科普、学生网上自学进修资料，线上博物馆建设等素材。

这批高清显微图像集也可作为计算机机器学习的样本，实现岩石薄片人工智能鉴定的合作研究的素材等。此外，个别独特且具有欣赏价值的显微图像也能作为艺术欣赏或广告宣传的素材、日用品的设计花样等。

5 数据使用方法和建议

本数据集数据形式简单，在使用时需注意以下几点：

(1) 数据集中所有出现的薄片，都集中统一保存在南京大学地球科学与工程学院岩矿教研室。如果以上数据集中提供的显微照片不能满足进一步的研究需求，可以联系本文作者或南京大学岩矿教研室申请进一步使用这些薄片。

(2) 本数据集包含的样品属于岩石教学的经典薄片，为代表性样品，可作为地学科普、专业教学、线上教学等的重要参考之一。

(3) 少部分照片存在亮度和色率上的偏差，属于仪器的系统偏差，人工识别与鉴定不会受影响，但计算机读取可能会产生误判，建议进行统一的预处理后进行使用。

(4) 涉及的矿物含量是依据显微图像的面积比例估算值，非准确值，能一定程度上反映各矿物的相对含量大小。

(5) 如果单纯使用图像集，可以直接从数据库下载使用，若需要进一步解决地学相关的科学问题，需结合数据信息表中提供的地理位置、岩石背后的成岩背景等信息进行综合分析。