互聯(lián)網(wǎng)上的礦物專業(yè)數(shù)據(jù)庫和礦物信息資源平臺

胡 歡，董少春，王汝成，陸現(xiàn)彩，徐士進

南京大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210023

礦物學是一門古老的科學，在漫長的發(fā)展過程中積累了大量的基礎認識和數(shù)據(jù)信息。自20世紀，計算機信息技術(shù)日益普及，互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，這些都為礦物基礎數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)的建立和遠程服務提供了實現(xiàn)的基本條件，而互聯(lián)網(wǎng)上大型礦物數(shù)據(jù)庫和礦物數(shù)據(jù)信息平臺問世于20世紀90年代末，這些數(shù)據(jù)庫和信息資源中心數(shù)據(jù)齊全，實時更新，具有強大的檢索和查找功能[1]。它們不僅為礦物科研工作、教學人員和礦物標本收集愛好者們快速提供有關(guān)礦物的數(shù)據(jù)和信息，而且拓展了傳統(tǒng)礦物學的內(nèi)涵和研究領(lǐng)域。

目前互聯(lián)網(wǎng)上礦物專業(yè)數(shù)據(jù)庫和信息資源平臺主要分為：礦物基本性質(zhì)數(shù)據(jù)庫、礦物晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)庫及礦物譜學數(shù)據(jù)庫三大類，另外還有其他礦物網(wǎng)絡資源和相關(guān)信息。

一、礦物基本性質(zhì)數(shù)據(jù)庫

1．礦物數(shù)據(jù)庫Mineralogy Database

網(wǎng)址：http://www.webmineral.com。

礦物數(shù)據(jù)庫Mineralogy Database是目前互聯(lián)網(wǎng)上最大的礦物數(shù)據(jù)平臺（圖1）。該數(shù)據(jù)庫目前提供4714個礦物種類的詳細描述，包括礦物化學式、理論化學成分、產(chǎn)狀、典型產(chǎn)地，命名來源、結(jié)晶學特征、粉晶X 射線衍射峰、物理性質(zhì)、光性礦物學特征、礦物分類、相關(guān)文獻和資源鏈接等，而且每個礦物配有精美的圖片。礦物數(shù)據(jù)庫Mineralogy Database提供了多種檢索方式，有礦物英文名稱、化學成分、粉晶X 射線衍射數(shù)據(jù)、礦物名稱首字母順序A-Z、丹納Dana和斯特倫Strunz分類等多種方式進行檢索。除上千種天然礦物的基本特征信息外，礦物數(shù)據(jù)庫還采用Jmol和JPOWD Java控件，將抽象的結(jié)晶學基礎知識通過三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)形象展示，為礦物和晶體教學提供了很好的輔助作用。該數(shù)據(jù)庫收集內(nèi)容齊全，檢索方便，而且圖、文、聲并茂，堪比結(jié)晶學礦物學百科大全。

2．礦物數(shù)據(jù)庫Mindat

網(wǎng)址：http://www.mindat.org。

與礦物數(shù)據(jù)庫Mineralogy Database類似，礦物數(shù)據(jù)庫Mindat 也是現(xiàn)今互聯(lián)網(wǎng)中規(guī)模較大的礦物數(shù)據(jù)庫平臺和礦物學信息資源網(wǎng)站（圖2）。

圖1 礦物數(shù)據(jù)庫Mineralogy Database網(wǎng)站首頁

圖2 礦物數(shù)據(jù)庫Mindat網(wǎng)站首頁

該網(wǎng)站可查詢6000多種天然礦物的基本特征和信息，包括礦物化學式、理論化學成分、產(chǎn)狀、典型產(chǎn)地、命名來源、結(jié)晶學特征、粉晶X射線衍射峰、物理性質(zhì)、光性礦物學特征、礦物分類、相關(guān)文獻和資源鏈接，相應地該數(shù)據(jù)庫提供礦物英文名稱首字母、物理性質(zhì)、化學成分等多種檢索方式。值得一提的是，該數(shù)據(jù)平臺更著重于提供礦物典型產(chǎn)地的詳細經(jīng)緯度和地圖，甚至提供產(chǎn)地檢索和100個世界上最富盛名的礦物產(chǎn)地，更好地服務于礦物標本收集愛好者和科普普及。

3．國家?guī)r礦化石標本資源共享平臺

網(wǎng)址：http://www.nimrf.net.cn/kwx。

國家?guī)r礦化石標本資源共享平臺是科技部國家科技基礎條件平臺的重要組成部分及成果之一，由中國地質(zhì)大學（北京）牽頭，中國地質(zhì)博物館、中國科學院古脊椎動物與古人類研究所、中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所、中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所、中國地質(zhì)大學（武漢）、吉林大學等國家級巖礦化石標本資源保存單位共同完成。平臺系統(tǒng)整合了巖礦化石標本資源12.6萬余件，其中包含中國新礦物及典型礦物標本和部分國外典型礦物標本1.2萬件（圖3）。

系統(tǒng)礦物學數(shù)據(jù)庫提供2996 種礦物的分類、化學成分、晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶形態(tài)、物理性質(zhì)、化學性質(zhì)以及礦物的成因和產(chǎn)狀等基本數(shù)據(jù)，還包括部分礦物的圖片和三維晶體形態(tài)和結(jié)構(gòu)圖。并有特色珠寶玉石專題和礦物觀賞石系列視頻。網(wǎng)站提供礦物中英文名稱、晶系晶類、化學成分、顏色等16 個查詢條件快速檢索礦物學數(shù)據(jù)[2]。

圖3 國家?guī)r礦化石標本資源共享平臺系統(tǒng)礦物學檢索界面

二、礦物晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)庫

國際上最權(quán)威晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫是劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(Cambridge Structural Database，簡稱CSD)和無機晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(Inorganic Crystal Structure Database) 兩大數(shù)據(jù)庫，其中劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫為有機及金屬有機化合物晶體數(shù)據(jù)，而和礦物學相關(guān)的是無機晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫ICSD[3]。另外，網(wǎng)上還有一些免費的礦物晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，其中最重要的是美國礦物學家晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。

1．無機晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫

網(wǎng)址：http://cds.dl.ac.uk/。

無機晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（Inorganic Crystal Structure Database，簡稱ICSD），由德國卡爾斯魯厄?qū)I(yè)信息中心（Fachinformationszentrum Karlsruhe，簡稱FIZ Karlsruhe）和美國國家標準與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，簡稱NIST）共同收集，主要提供到目前為止所有試驗測定的、不含C-H鍵的無機化合物晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，是世界上最大的無機晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。

該數(shù)據(jù)庫原始數(shù)據(jù)來自80多個核心期刊和1300個其他期刊，從1913年開始出版以來，至目前為止該數(shù)據(jù)庫已包含193878條化合物條目，數(shù)據(jù)庫每年更新兩次，每次添加約3000條新記錄。該數(shù)據(jù)庫可提供金屬或無機化合物在數(shù)據(jù)庫中編碼，化學名稱、化學式、礦物名稱、晶胞參數(shù)、空間群、原子坐標、熱參數(shù)、位置占位度、合成條件及有關(guān)文獻等各種信息，并支持晶體結(jié)構(gòu)信息文檔CIF的輸出和三維晶體結(jié)構(gòu)的展示。目前網(wǎng)站還提供CrystalWorks 在線檢索方式，具體檢索結(jié)果如圖4。

2．美國礦物學家晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫

網(wǎng)址：http://www.minsocam.org/MSA/Crystal_Database.html。

美國礦物學家晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（MSA Crystal Structure Database）是由美國國家科學基金會資助，美國礦物學會和加拿大礦物學協(xié)會監(jiān)管、目前唯一免費的礦物晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫中晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)主要來自美國礦物學家、加拿大礦物學家、歐洲礦物學雜志、礦物物理化學學報以及其他相關(guān)期刊，共收集了1007個礦物，2627條目。每個條目的信息分為兩部分，第一部分是作者和參考文獻信息，第二部分是礦物結(jié)晶學參數(shù)，有礦物名稱、晶胞參數(shù)、空間群、各原子占位和坐標（圖5）。美國礦物學家晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫可提供礦物英文名稱、作者、化學成分、化學式、晶胞參數(shù)和衍射參數(shù)等多種檢索方式，而且查詢結(jié)果提供有CIF（Crystallographic Information Files）、粉晶衍射數(shù)據(jù)等多種文檔格式下載和JMol虛擬三維晶體結(jié)構(gòu)演示。

圖4 無機晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫的CrystalWorks檢索結(jié)果

圖5 美國礦物學家晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫檢索頁面

三、礦物譜學數(shù)據(jù)庫

1．國際衍射數(shù)據(jù)中心

網(wǎng)址：http://www.icdd.com。

國際衍射數(shù)據(jù)中心（The International Center for Diffraction Data，簡稱ICDD）是一個非營利的科學研究組織，致力于收集、編輯、出版和分發(fā)用于結(jié)晶材料物相鑒定的粉末衍射數(shù)據(jù)，在全球范圍內(nèi)收集數(shù)據(jù)和提供大量標準化的結(jié)構(gòu)和材料分類數(shù)據(jù)（圖6）。

ICDD粉末衍射數(shù)據(jù)庫（Powder Diffraction File，簡稱PDF）數(shù)據(jù)來自2000余種期刊，包含了871758個唯一的材料數(shù)據(jù)條目，是世界上最大的無機衍射數(shù)據(jù)庫。每一個數(shù)據(jù)條目以標準化的形式進行編排，包含衍射、晶體學、參考文獻和實驗、儀器、樣品條件，以及標準格式的物理性質(zhì)，以便于更快的確認未知物相。

另外，為了滿足不同用戶需求， 國際衍射數(shù)據(jù)中心按照不同的形式設計和制作了相應的數(shù)據(jù)庫，其中PDF-4/礦物可滿足礦物工作者的需求，屬于PDF-4+子系統(tǒng)，是世界上有關(guān)礦物和相關(guān)礦物材料的最大粉晶衍射數(shù)據(jù)庫之一。數(shù)據(jù)庫可提供70多種檢索方法，可將晶胞參數(shù)、作者、特征峰線L1、L2、L3的任意組合和對強譜線d1、d2、d3的任意關(guān)鍵詞組合，具備全面的顯示、檢索和數(shù)據(jù)過濾功能。

2．礦物拉曼光譜、X射線衍射和化學數(shù)據(jù)的綜合數(shù)據(jù)庫（RRUFF）

網(wǎng)址：http://rruff.geo.arizona.edu/rruff/。

礦物拉曼光譜、X射線衍射和化學數(shù)據(jù)的綜合數(shù)據(jù)庫（RRUFF）最初建立的目的是為NASA火星探測器上的拉曼儀器提供一套高質(zhì)量的礦物光譜數(shù)據(jù)庫，但隨著數(shù)據(jù)庫的不斷發(fā)展，它逐漸成為礦物學界最權(quán)威的礦物結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫之一[4-5]（圖7）。

該數(shù)據(jù)庫向全世界免費開放，它不僅詳細準確地記錄了世界上天然礦物及人工合成礦物的基本物理化學性質(zhì)和產(chǎn)地等基本特征，更提供了礦物拉曼光譜、紅外光譜、X射線粉晶衍射等礦物標準譜圖和結(jié)構(gòu)參數(shù)等，為礦物精細結(jié)構(gòu)半定量-定量分析提供了方便的檢索平臺。

圖6 國際衍射數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站首頁

圖7 RRUFF晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫檢索首頁

四、其他礦物網(wǎng)絡資源

除了上述大型礦物專業(yè)數(shù)據(jù)庫和平臺之外，網(wǎng)上還有許多學術(shù)機構(gòu)、非營利性組織、博物館或個人建立的，免費向大眾提供礦物學圖集、參考資料和教學資源的網(wǎng)站。

（1）不透明礦物和礦石礦物圖集（Virtual Atlas of Opaque and Ore Minerals in their Associations）， 網(wǎng)址：http://www.atlas-of-oreminerals.com/.

（2）美國史密森國家自然歷史博物館礦物科學部（Department of Mineral Sciences, Smithsonian National Museum of Natural History），網(wǎng)址：https://mineralsciences.si.edu/.

（3）礦物學手冊（Handbook of Mineralogy），網(wǎng)址：http://www.handbookofmineralogy.org/.

（4）英國公開大學的虛擬光性礦物學課程（Virtual Microscopes at the Open University），網(wǎng)址：https://www.virtualmicroscope.org/。

（5）美國亞利桑那州大學地球科學系的礦物學 課 程（Geosciences 306 Mineralogy, Department of Geosciences at the University of Arizona），網(wǎng)址：https://www.geo.arizona.edu/xtal/geos306/geos306.html.

（6）地球科學教學資源匯總的礦物學部分（Teaching Mineralogy of Earth Educations’Rendezvous Teaching Mineralogy，網(wǎng) 址：https://serc.carleton.edu/NAGTWorkshops/mineralogy/index.html。

五、互聯(lián)網(wǎng)大型礦物數(shù)據(jù)平臺在實際教學和科研中的應用

互聯(lián)網(wǎng)大型礦物數(shù)據(jù)平臺匯集了大量的礦物信息資源，為我們開展礦物學教學和研究提供了重要而便利的資源。

以“結(jié)晶學與礦物學”課程為例，作為地質(zhì)學專業(yè)重要的基礎課程之一，是一門理論性強且注重實踐的學科[6-7]。在課堂教學過程中，結(jié)晶學基礎概念抽象，知識要點多，而礦物實習課中，礦物鑒定種類多，形態(tài)各異，這些都是教師講授和學生學習中的難點。為了解決這些難點，在傳統(tǒng)教學和實物手標本觀察的基礎上，我們可以結(jié)合Internet大型礦物數(shù)據(jù)平臺，充分利用其生動、形象、直觀和信息量大的特點，動態(tài)展示礦物的基本特性和多樣性，擴大學生視野，提高學生鑒別礦物的能力。以常見的礦物黑云母Biotite為例，在mindat礦物數(shù)據(jù)庫檢索結(jié)果頁面，可見精美的圖片，詳細的礦物名稱來源、動態(tài)晶體形態(tài)，X射線粉晶衍射峰，世界著名產(chǎn)地等，內(nèi)容足以和礦物學教科書媲美（圖8，圖9）。這不僅彌補傳統(tǒng)教學資源的局限性，而且有助于學生深度掌握礦物的多樣性特征，提高了教學效率和教學質(zhì)量。

圖8 mindat數(shù)據(jù)庫中黑云母基本特性

而對于礦物科研工作者來說，除基本礦物性質(zhì)和參數(shù)，互聯(lián)網(wǎng)上大型礦物數(shù)據(jù)平臺更有助于提供解析礦物數(shù)據(jù)需要的礦物晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)和標準譜學圖譜。同樣以黑云母為例，在美國礦物學家晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫可以檢索到從1939～2000年期間在美國礦物學家雜志發(fā)表的近30條關(guān)于黑云母的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，而RRUFF數(shù)據(jù)庫則提供黑云母各亞類的標準拉曼鍵性圖譜，有助于快速匹配礦物分類和化學含量分析（圖9）。

圖9 RRUFF數(shù)據(jù)庫黑云母的基本參數(shù)和標準圖譜

六、結(jié)語

互聯(lián)網(wǎng)上礦物數(shù)據(jù)庫資源實現(xiàn)了礦物數(shù)據(jù)的高效存儲和精確檢索集成于一體，為礦物學研究、應用和教學提供了極大便利。礦物研究學者可以在網(wǎng)上方便快速查閱各種礦物相關(guān)的信息，并及時了解學科領(lǐng)域最新動態(tài)，而另一方面，在礦物教學過程中引入網(wǎng)絡上的礦物數(shù)據(jù)庫資源和平臺，不僅提升學生在礦物學知識方面的檢索能力，而且使傳統(tǒng)的教學內(nèi)容得以拓展，從而加深學生對礦物基本特性理解，提高學生素質(zhì)。

目前互聯(lián)網(wǎng)和礦物學科都在飛速發(fā)展，但如何在浩瀚的數(shù)據(jù)海洋中快速獲取所需的礦物信息資源，并合理有效地為科研和教學服務是廣大礦物學科研工作者需要研究和探討的問題。