GCIS地球化學(xué)工具軟件的設(shè)計及其在地學(xué)中的應(yīng)用

馬海勇,董云鵬,楊 釗,秦江峰

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系,陜西 西安 710069;2.長慶油田公司 勘探開發(fā)研究院/低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室,陜西 西安 710018)

1 概 述

地球化學(xué)示蹤是揭示區(qū)域殼幔深部組成與作用過程系統(tǒng)研究的必要手段(李昌年,1992)。地球化學(xué)數(shù)據(jù)可以追溯巖石的成因、形成過程和大地構(gòu)造環(huán)境,是區(qū)域和造山帶地學(xué)研究的基本方法。大量地球化學(xué)研究表明,各種巖石中元素組合、比值的變化是巖石形成時所處大地構(gòu)造環(huán)境的反映,同一類巖石產(chǎn)出的構(gòu)造環(huán)境不同,相關(guān)成巖過程的物理、化學(xué)條件也有明顯的差異,造成了巖石中元素,特別是微量元素組合及比值等不同,這是構(gòu)建常量和微量元素構(gòu)造環(huán)境判別圖解的基礎(chǔ)(趙振華,2007)。不同的大地構(gòu)造背景有不同的地球化學(xué)數(shù)據(jù)的表征,有效的運用高質(zhì)量的地球化學(xué)數(shù)據(jù)的二變量、三變量投影作圖,分析數(shù)組中元素的相互關(guān)系,推測巖石可能形成的地球化學(xué)過程和巖石大地構(gòu)造環(huán)境(張遠飛等,2004)。通過對地球化學(xué)數(shù)據(jù)計算和處理后,地球化學(xué)數(shù)據(jù)才能作為圖解的坐標(biāo)變量,利用稀土元素配分圖解、微量元素蛛網(wǎng)圖和構(gòu)造環(huán)境判別圖解的方式表現(xiàn)出來,結(jié)合其他地質(zhì)要素對地球化學(xué)數(shù)據(jù)進行巖石學(xué)過程、巖石成因和大地構(gòu)造環(huán)境辨別。地球化學(xué)研究是一個復(fù)雜的過程,尤其是數(shù)據(jù)處理工作極為繁雜。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和地學(xué)者對數(shù)據(jù)處理的精確性和可靠性的要求,地質(zhì)學(xué)研究不再是傳統(tǒng)的模糊的科學(xué),它需要大量可靠的數(shù)據(jù),應(yīng)用很多數(shù)學(xué)、化學(xué)的方法來反應(yīng)地質(zhì)的問題。大量學(xué)者已在這方面做出了許多努力,其中有代表性的國外軟件有Minpet、Origin、IGPET等地球化學(xué)數(shù)據(jù)處理、投圖的專業(yè)軟件;近年來,國內(nèi)學(xué)者也自主研發(fā)了 Geokit、GeoPlot、GCDPlot等在 Excel中使用的地球化學(xué)數(shù)據(jù)計算和投圖的專業(yè)宏程序軟件(路遠發(fā),2004)。本文介紹筆者研發(fā)的構(gòu)造環(huán)境判別圖解軟件——GCIS,該系統(tǒng)軟件不僅完成了地球化學(xué)數(shù)據(jù)的管理,而且包涵了豐富的環(huán)境判別圖解,將一些較可靠具有說服力的環(huán)境判別圖解和元素比值關(guān)系圖解,及時補充完善到系統(tǒng)中。GCIS軟件做為獨立的程序軟件,實現(xiàn)了平臺無關(guān)性、完成了地球化學(xué)數(shù)據(jù)投影,生成二變量和三變量的構(gòu)造環(huán)境判別圖解等功能。

2 GCIS的開發(fā)平臺

本系統(tǒng)軟件在管理信息系統(tǒng)(MIS)設(shè)計思路的基礎(chǔ)上,選擇Microsoft Visual Basic.Net作為編程語言,利用Microsoft Office Access數(shù)據(jù)庫作為后臺數(shù)據(jù)庫完成地球化學(xué)數(shù)據(jù)的存儲(黃明等,2005)。為了便于軟件的傳輸與發(fā)布,筆者利用安裝制作軟件將其打包成一個安裝軟件(GCISsetup.exe)。安裝軟件提供.NET Framework軟件開發(fā)平臺的安裝,從而實現(xiàn)了平臺無關(guān)性,使軟件可以安裝在不同的計算機操作系統(tǒng)上,通過 Microsoft Office Excel電子表格將地球化學(xué)信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入Access數(shù)據(jù)庫中,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的錄入功能;利用開放數(shù)據(jù)庫互連技術(shù)(ODBC)完成對Access數(shù)據(jù)庫的訪問(石磊,2001;何明國,2004;劉保順,2004),使用SQL語言作為數(shù)據(jù)輸入與管理的接口,在友好的用戶界面中進行地球化學(xué)數(shù)據(jù)的編輯,并且將地球化學(xué)公式經(jīng)過程序精確計算得到的地球化學(xué)元素數(shù)據(jù)信息投影到稀土元素配分圖解、微量元素蛛網(wǎng)圖解和相應(yīng)的構(gòu)造環(huán)境判別圖解中,實現(xiàn)地球化學(xué)數(shù)據(jù)的大地構(gòu)造環(huán)境示蹤研究。

3 軟件的組成與結(jié)構(gòu)

基于管理信息系統(tǒng)的設(shè)計思路,GCIS軟件按功能可分為用戶管理、資源信息管理、樣品信息管理和地球化學(xué)圖解四個模塊(圖1)。

圖1 GCIS軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the GCIS software system

用戶管理模塊主要是為了確保系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)化值不被隨意修改,對軟件用戶做了一定的權(quán)限限制,管理員用戶才可以對標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進行編輯,在資源信息編輯界面中實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)化值的編輯操作,根據(jù)地質(zhì)研究工作的需要調(diào)整稀土元素配分圖解、微量元素蛛網(wǎng)圖解中元素的顯示順序和顯示比例。樣品信息管理模塊可以將存儲在 Excel表格中的地球化學(xué)樣品數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Access數(shù)據(jù)庫中,軟件系統(tǒng)將在Access數(shù)據(jù)庫文件中創(chuàng)建樣品數(shù)據(jù)記錄表;并在導(dǎo)入樣品數(shù)據(jù)時通過公式計算得出的K、P、Ti和Mg#等元素的含量值存儲在樣品數(shù)據(jù)表中。

地球化學(xué)圖解功能模塊是 GCIS軟件主要功能模塊,包括稀土元素配分圖解、微量元素蛛網(wǎng)圖解和大地構(gòu)造環(huán)境判別圖解等三個子功能模塊。

在巖石學(xué)研究中,稀土元素在巖石中的豐度分布以及聚集遷移的規(guī)律性和特征有助于研究巖漿起源、演化和巖石形成的條件等巖石學(xué)問題。稀土元素配分圖解是確定樣品的稀土元素的豐度值對球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化值的比值后取對數(shù)坐標(biāo)得到的地球化學(xué)圖解。標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)通常選擇與研究樣品有成因聯(lián)系的元素作為標(biāo)準(zhǔn)樣。研究玄武質(zhì)巖石選擇球粒隕石或原始地幔作為標(biāo)準(zhǔn)樣;而研究花崗質(zhì)巖石選擇 MORB作為標(biāo)準(zhǔn)樣;研究地幔巖石時則選擇 C1球粒隕石作為標(biāo)準(zhǔn)樣,對于每個標(biāo)準(zhǔn)化方式,系統(tǒng)中提供了多套標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù),并且允許管理員用戶修改和添加新的標(biāo)準(zhǔn)。

微量元素蛛網(wǎng)圖常用于分析微量元素成巖意義,圖解的橫坐標(biāo)是等間距排列的各微量元素,排列順序自左至右基本上按分配系數(shù)Dis/l由小變大,或按離子半徑由大變小,縱坐標(biāo)是巖石中各不相容微量元素對于球粒隕石(CN)或原始地幔(PM)或洋脊玄武巖(MORB)或洋脊花崗巖(MOG)各同名元素的比值取對數(shù)。因此,微量元素蛛網(wǎng)圖與稀土元素配分圖解的構(gòu)成本質(zhì)上是相似的,都是元素標(biāo)準(zhǔn)化比值的配分型式圖解。微量元素蛛網(wǎng)圖、稀土元素配分圖解通過將用戶的樣品數(shù)據(jù)相對于一個已知的標(biāo)準(zhǔn)進行標(biāo)準(zhǔn)化然后按一定的順序繪制成折線圖(路遠發(fā),2004)。微量元素蛛網(wǎng)圖使用的元素多為親石元素和不相容元素,在圖解中橫坐標(biāo)元素排列次序目前還沒有統(tǒng)一的形式,但習(xí)慣上主要有三種:Sun(1989)、Thompson(1982)和Pearce(1982)。為了增強系統(tǒng)的通用性,系統(tǒng)允許用戶自定義微量元素的順序組合,根據(jù)研究需求選擇元素組合、元素顯示次序、圖解顯示比例。

大地構(gòu)造環(huán)境判別分析方法是將統(tǒng)計學(xué)技術(shù)應(yīng)用于巖石地球化學(xué)研究,利用地球化學(xué)推測地球化學(xué)過程和巖石大地構(gòu)造環(huán)境。將巖石樣品劃分成不同的類型,把不同類型的樣品按其元素濃度或者根據(jù)濃度計算的判別因子,進行投影作圖,畫出不同類型樣品之間的界限。在實現(xiàn)構(gòu)造環(huán)境判別圖解功能時,系統(tǒng)調(diào)用存儲在 Access數(shù)據(jù)庫文件中的樣品數(shù)據(jù),在生成相應(yīng)的環(huán)境判別圖解過程中,通過地球化學(xué)公式計算獲得樣品的元素數(shù)據(jù)和比值信息,將這些數(shù)據(jù)投影到相應(yīng)的構(gòu)造環(huán)境判別圖解中,并實現(xiàn)圖像信息的保存。構(gòu)造環(huán)境判別圖解子模塊提供了豐富的環(huán)境判別圖解,包括玄武巖環(huán)境判別圖解(34幅)、花崗巖環(huán)境判別圖解(19幅)、巖石分類判別圖解(5幅)和沉積巖環(huán)境判別圖解(8幅)(圖2),為了方便地質(zhì)研究人員的查閱,GCIS軟件系統(tǒng)幫助中提供了所有環(huán)境判別圖解的文獻出處及圖解元素算法注解。

圖2 GCIS軟件構(gòu)造環(huán)境圖解用戶界面Fig.2 The interface of the GCIS tectonic discrimination

4 軟件設(shè)計的基本算法

GCIS軟件使用點陣圖加載的方法,將點陣圖加載到程序界面中,通過地球化學(xué)公式計算提取圖解元素數(shù)據(jù)信息(黃淼云,2004;張樹泉,2004),利用三角圖解、對數(shù)坐標(biāo)圖解算法,完成地球化學(xué)數(shù)據(jù)的圖解投影,形成二變量、三變量的構(gòu)造環(huán)境判別圖解。在此僅對形成構(gòu)造環(huán)境判別圖解的主要算法中的三角圖解和對數(shù)坐標(biāo)算法做簡要說明。

4.1 三角圖解的算法

三角圖解算法利用幾何學(xué)的方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的在程序界面中圖形的定位數(shù)據(jù)點定位,具體步驟如下:

(1) 將點陣圖置于直角坐標(biāo)系中(圖3),設(shè)ABC△

為邊長為1的等邊三角形,投圖點M(x,y),則有:

(Zr、Y、Nb分別代表分析樣品的含量)

(2) 過 M 點做平行于三角形三個邊的平行線A″B″,A′C″,B′C′;

(3) 過M點做垂直于AB的線段MN交AB于N點;

(4) △ABC交X軸于C點,交Y軸于A點,因為 A″B″//AB,A′C″//AC,B′C′//BC,所以 △ M A′B′?△ C AB。

圖3 三角圖解算法示意圖Fig.3 The triangular algorithm diagrammatic sketch of the GCIS

△ M A′B′為等邊三角形,A′N=NB′,∠ MA′B′=60°,MN=A′M×sin60°;

由三角圖解定義可知a、b、c分別代表BB′、A′B′、A′A 的長度,AA′=b,B′B=a,A′B′=c;

在直角坐標(biāo)系XOY中,M點的坐標(biāo)(x,y)可以表示成:

x=AA′+A′N=b+c/2

y=OA–MN=AB×sin60°–A′M×sin60°

=(AB–A′M)×sin60°

因為 △ M A′B′是等邊三角形,MA′=A′B′=c

所以y=(1–c)×sin60°=(a+b)×sin60°

因此,M 點坐標(biāo)可實現(xiàn)為M (b+c/2,(1–c)×sin60°);

Zr/4、Y、Nb/2分別代表圖解中各端元的數(shù)值,這些數(shù)值是從樣品數(shù)據(jù)表提取的分析樣品元素含量值經(jīng)公式計算獲取,將這些數(shù)據(jù)投影到三角圖解中,實現(xiàn)三角環(huán)境判別圖解的生成和存儲。

4.2 對數(shù)坐標(biāo)圖解的算法

稀土元素配分圖解、微量元素蛛網(wǎng)圖是將用戶的樣品數(shù)據(jù)相對于已知的標(biāo)準(zhǔn)值進行標(biāo)準(zhǔn)化,然后按一定的順序繪制成的縱坐標(biāo)以對數(shù)刻度顯示的折線圖,構(gòu)造環(huán)境判別圖解也有一些圖解是以對數(shù)刻度為坐標(biāo)軸顯示的圖解(圖4),在這里簡要介紹對數(shù)坐標(biāo)軸圖解在計算機圖形顯示中實現(xiàn)的算法。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn),對數(shù)坐標(biāo)軸中數(shù)據(jù)顯示具有以下規(guī)律,即:

投影在對數(shù)坐標(biāo)軸中的數(shù)據(jù)點,在 10n與 10n-1間距中的分刻度之間有一定比例關(guān)系的刻度分布(圖4),設(shè)x為分析樣品含量值,可利用下列公式計算投影到對數(shù)坐標(biāo)的投影值:

圖4 對數(shù)坐標(biāo)圖解Fig.4 The logarithmic diagram of the GCIS

Length=L+j×(lgx–lgk)/[lg(k+1)–lgk]

(k為x的最高位數(shù)的整數(shù)值,j為k+1與k間的間距,L為k在投影坐標(biāo)軸的長度)

軟件通過調(diào)用存儲在Access數(shù)據(jù)庫中的分析樣品數(shù)據(jù),根據(jù)環(huán)境判別圖解投影坐標(biāo)數(shù)據(jù)的需求經(jīng)計算獲得投影坐標(biāo)數(shù)據(jù),利用對數(shù)坐標(biāo)算法將投影數(shù)據(jù)精確的投影到相應(yīng)的對數(shù)坐標(biāo)環(huán)境判別圖解中,并在程序圖形生成子模塊中完成位圖格式文件(.bmp、.jpg、window位圖文件)的生成與存儲。

5 GCIS軟件在地學(xué)中的應(yīng)用

滇東地區(qū)的師宗-彌勒構(gòu)造帶是揚子陸塊與華夏陸塊的結(jié)合帶,構(gòu)造帶內(nèi)的火山巖元素地球化學(xué)數(shù)據(jù)記錄了揚子和華夏陸塊相互作用過程的重要信息。師宗-彌勒構(gòu)造帶西段建水地區(qū)發(fā)現(xiàn)的島弧型枕狀熔巖,為正確認(rèn)識滇東南大地構(gòu)造格局、揚子地塊與華夏地塊相互作用及其構(gòu)造演化過程提供一定的制約(董云鵬等,1999)。本文選擇建水地區(qū)枕狀熔巖代表性巖石樣品進行主量元素、微量元素地球化學(xué)分析,利用 GCIS工具軟件將地球化學(xué)數(shù)據(jù)進行稀土元素配分圖解、微量元素蛛網(wǎng)圖分析。建水火山巖稀土配分型式為 LREE輕微富集,稀土總量低,弱Eu負異常,并存在斜長石分離結(jié)晶作用(圖5)。

原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化的微量元素配分圖解顯示巖石具有相對平坦的配分型式,明顯區(qū)別于板內(nèi)玄武巖。Sm-Lu低于MORB值,尤其是出現(xiàn)明顯的Nb、Ta虧損和Th富集特征,表明源區(qū)受到消減組分加入的影響,類似于島弧拉斑玄武質(zhì)系列巖石地球化學(xué)特征,與 MORB相區(qū)分,顯示出島弧火山巖地球化學(xué)特征(圖6)。

基于本區(qū)地球化學(xué)研究,利用 GCIS工具軟件將建水枕狀熔巖地球化學(xué)數(shù)據(jù)投影在相應(yīng)的構(gòu)造環(huán)境判別圖解中(圖7),構(gòu)造環(huán)境判別圖解顯示建水枕狀熔巖樣品投影點均落入板內(nèi)玄武巖(WPB)區(qū)。在Nb-Zr-Y圖解中,樣品投點較集中,均落入火山弧玄武巖區(qū);在Ti-Zr-Y圖解、Hf-Th-Nb圖解中,樣品投影點均落入島弧玄武巖區(qū)。另外,該區(qū)玄武巖其他微量元素含量值在 Ta/Yb-Th/Yb、La-La/Nb等相關(guān)圖解中均顯示建水枕狀熔巖形成于與板塊消減作用相關(guān)的島弧構(gòu)造環(huán)境。結(jié)合前述地球化學(xué)研究,認(rèn)為建水枕狀熔巖形成于島弧構(gòu)造環(huán)境;建水島弧火山巖有可能是先期俯沖洋殼與消減組分在地幔楔形區(qū)的部分熔融混合,并保存于深部地幔中,直到晚古生代在伸展擴張的動力學(xué)背景下,沿裂谷噴出地表。建水地區(qū)火山巖地質(zhì)、地球化學(xué)顯示該構(gòu)造帶曾是分隔具有不同地殼結(jié)構(gòu)的揚子與華夏陸塊的界限(董云鵬等,2002)。

圖5 建水火山巖稀土配分圖解(軟件生成原圖)Fig.5 The chondrite normalized REE patterns of the Jianshui volcanic rocks

圖6 建水火山巖微量元素配分圖解(軟件生成原圖)Fig.6 The trace element spider diagrams of the Jianshui volcanic rocks

6 存在的不足和今后研發(fā)方向

GCIS地球化學(xué)數(shù)據(jù)處理工具軟件的研發(fā)是地球化學(xué)數(shù)據(jù)計算機處理和應(yīng)用的一次嘗試,GCIS地球化學(xué)信息軟件還存在許多不足之處,還缺乏專業(yè)軟件的系統(tǒng)性和完整性。該軟件僅涉及到了稀土元素配分圖、微量元素蛛網(wǎng)圖、巖石分類圖解、火成巖樣品微量元素判別圖解和沉積巖判別圖解;但做為地學(xué)研究重要手段的同位素地球化學(xué)大量的參數(shù)計算與圖解在本軟件中尚未涉及,軟件還沒有實現(xiàn)與 GIS的關(guān)聯(lián),這也將是軟件進一步研發(fā)的方向,軟件還存在著許多計算機技術(shù)應(yīng)用和功能模塊不夠完善等問題,還需要不斷的改進。

鑒于本軟件還存在的不足,筆者歡迎各位同行、專家在使用本軟件過程中對軟件存在的問題提出寶貴的意見和建議,以便對其做進一步的完善,希望通過系統(tǒng)功能的不斷完善,能夠提高地質(zhì)資料整理的科學(xué)性、高效性,切實的為地學(xué)工作者的科學(xué)研究工作提供便利,使其成為廣大地學(xué)工作者真正有用、好用的工具軟件。

圖7 建水地區(qū)火山巖構(gòu)造環(huán)境判別圖解(軟件生成原圖)Fig.7 The tectonic discrimination diagrams of the Jianshui volcanic rocks

致謝:感謝兩位審稿老師在審稿過程中提出的寶貴意見,感謝編輯部老師對稿件不厭其煩的處理和熱心幫助,他們的諸多幫助才使本文質(zhì)量得以提高。

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董云鵬,朱炳泉,常向陽,張國偉.2002.滇東師宗-彌勒帶北段基性火山巖地球化學(xué)及其對華南大陸構(gòu)造格局的制約.巖石學(xué)報,18(1):37-46.

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