基于地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的火成巖及其組分空間分布規(guī)律分析

張明明,王成寶,秦宇帆,李思洋

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 礦床成因與勘查技術(shù)研究中心,安徽 合肥 230009;3.合肥工業(yè)大學(xué) 安徽省礦產(chǎn)資源與礦山環(huán)境工程技術(shù)研究中心,安徽 合肥 230009; 4.合肥工業(yè)大學(xué) 空間信息集成與綜合分析平臺(tái),安徽 合肥 230009)

0 引 言

火成巖或稱“巖漿巖”,與沉積巖和變質(zhì)巖并稱三大巖石類型,一般由巖漿或熔巖經(jīng)冷卻和凝固而形成,巖漿一般來(lái)自地球地?；虻貧ぶ鞋F(xiàn)存巖石的部分熔融。火成巖廣泛存在于各類型的地質(zhì)環(huán)境中,例如地盾、地臺(tái)、造山帶、盆地、大型火成巖區(qū)、伸展地殼和大洋地殼等?；鸪蓭r的地球化學(xué)特征受到巖漿源區(qū)的礦物成分、部分熔融時(shí)的溫度、壓力以及揮發(fā)組分等物質(zhì)制約[1]。

大數(shù)據(jù)思維的特點(diǎn)主要是:對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,而非只研究隨機(jī)抽樣數(shù)據(jù);放棄追求過度精確,而重視數(shù)據(jù)的復(fù)雜度[2]。多元、多維、多源、異構(gòu)、時(shí)空性、相關(guān)性、隨機(jī)性、模糊性、時(shí)空不均勻性和過程的非線性是地質(zhì)大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)[3]。通過露頭地質(zhì)觀測(cè)、勘查工程、地球物理探測(cè)、地球化學(xué)探測(cè)等方式收集到的地質(zhì)科學(xué)大數(shù)據(jù),涉及地球從內(nèi)到外的各個(gè)圈層,涉及地球的物質(zhì)組成及其變化[4]。

本文研究火成巖主量組分的全球分布異常和巖漿活動(dòng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,從大數(shù)據(jù)的角度對(duì)侵入巖玄武巖的伴生模式進(jìn)行直觀展示,對(duì)火成巖的主量組分及其地球動(dòng)力學(xué)背景研究具有一定意義。

1 全球地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)

針對(duì)火成巖,目前全球已經(jīng)積累了海量的巖石地球化學(xué)和同位素年齡等數(shù)據(jù),并且根據(jù)這些數(shù)據(jù)的構(gòu)造背景、原巖類型建立了多個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù),影響力較大且可靠性較高的巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)有以下5個(gè):

海底巖石學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)(Petrological Database of the Ocean Floor,PetDB)、海洋和大陸巖石地球化學(xué)(Geochemistry of Rocks of the Oceans and Continents,GEOROC)數(shù)據(jù)庫(kù)、日本深海樣品庫(kù)GANSEKI、變質(zhì)巖石數(shù)據(jù)庫(kù)MetPetDB及北美火山巖和侵入巖數(shù)據(jù)庫(kù)(North American Volcanic and Intrusive Rock Database,NAVDAT)。

地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域需要建立和規(guī)范管理各專業(yè)子領(lǐng)域的數(shù)據(jù)資源,對(duì)于地質(zhì)、礦產(chǎn)、化探等專業(yè)的數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)共享及相互關(guān)聯(lián)的貫通性研究很有必要。如何利用目前國(guó)際范圍內(nèi)已有的地球化學(xué)大數(shù)據(jù)資源做進(jìn)一步的集成與分析,以提取出具有更高價(jià)值的地質(zhì)信息,需要大數(shù)據(jù)理念的指導(dǎo)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用。本研究對(duì)PetDB、GEOROC、NAVDAT 3個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)分別進(jìn)行以關(guān)鍵屬性為標(biāo)準(zhǔn)的篩選,得到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集。

PetDB是對(duì)全球海底巖石、礦物及包裹體的元素化學(xué)數(shù)據(jù)、同位素?cái)?shù)據(jù)及礦物學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合的數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)來(lái)源于公共地質(zhì)活動(dòng)記錄中出現(xiàn)的數(shù)據(jù),包括期刊文章、專著、大洋鉆探計(jì)劃(Ocean Drilling Program,ODP)簡(jiǎn)報(bào)、碩士和博士論文等。PetDB將海底火成巖和變質(zhì)巖的地球化學(xué)和巖石學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔、管理,可在線訪問,目的是最大限度地利用這些數(shù)據(jù)解決最廣泛的科學(xué)問題[5]。

GEOROC由德國(guó)Max Planck化學(xué)研究所的Sarbas研究小組負(fù)責(zé)建設(shè)和維護(hù),實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù),開源且提供給科研工作者多種查詢方式。其中包含已公開發(fā)表的化學(xué)同位素?cái)?shù)據(jù),以及巖石、礦物熔融、流體和包裹體的泛用型元數(shù)據(jù)。目前,GEOROC已覆蓋了島弧、海洋島嶼及大型火成巖省的火成巖,如海山、海洋及大陸泛濫玄武巖等主流構(gòu)造環(huán)境的巖石采樣記錄,綜合收集匯總了不同地質(zhì)背景的分析資料,包括板內(nèi)洋島火山巖以及匯聚板塊邊緣和大火山成巖的火山巖數(shù)據(jù)。到2012年,該數(shù)據(jù)庫(kù)共含有數(shù)據(jù)條目599 450條,其中全巖數(shù)據(jù)298 700條,礦物數(shù)據(jù)277 370條[6]。GEOROC可為巖石地球化學(xué)研究提供全方位的大數(shù)據(jù)支持[7]。

NAVDAT首次將過去30 a產(chǎn)生的大量高質(zhì)量的火成巖數(shù)據(jù)集成到北美西部火成巖活動(dòng)的時(shí)空組合模型中,可提供北美西部中生代和較年輕火成巖的年齡、地球化學(xué)及同位素?cái)?shù)據(jù)查詢服務(wù),支持對(duì)火成巖活動(dòng)、構(gòu)造和礦石沉積之間的聯(lián)系研究,以及全大陸巖漿活動(dòng)演變模式的研究[8]。

本文對(duì)上述3個(gè)大型巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行融合，得到融合數(shù)據(jù)集,對(duì)這些含有地質(zhì)意義的數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)學(xué)分析,并與地理信息科學(xué)相結(jié)合,突破了樣本數(shù)據(jù)數(shù)量上的局限,采用全數(shù)據(jù)或者接近全數(shù)據(jù)的模式進(jìn)行研究,可有效彌補(bǔ)目前大多數(shù)巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)在部分區(qū)域地質(zhì)數(shù)據(jù)精度低的不足[9]。

2 地球化學(xué)數(shù)據(jù)時(shí)空分析

PetDB、GEOROC、NAVDAT這3個(gè)地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)組織方式存在細(xì)微差別,本文進(jìn)行數(shù)據(jù)集融合的方式如下:

(1) 對(duì)于數(shù)據(jù)類型和字段名完全相同的數(shù)據(jù)表,直接將數(shù)據(jù)拼接在一起。

(2) 對(duì)于表中字段名相同而數(shù)據(jù)類型(或數(shù)據(jù)表示方式)不同的字段,將內(nèi)容統(tǒng)一成同一種格式后再進(jìn)行拼接;若字段名不一樣,則修改屬性名之后再進(jìn)行操作。

由此,將多個(gè)內(nèi)容相同或相近的數(shù)據(jù)表進(jìn)行合并,以便于在數(shù)據(jù)表中查詢數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)整合后就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選。

2.1 數(shù)據(jù)篩選

對(duì)火山噴溢而出的熔巖的組分分析結(jié)果中,硅酸鹽是巖漿的主要成分。其中w(SiO2)在10%～30%之間;Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO、CaO、Na2O等的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～60%。因此,火成巖組分按其質(zhì)量分?jǐn)?shù)高低可以劃分為:

(1) 基本組分,如SiO2、Na2O、K2O、Al2O3、MgO、FeO、CaO。

(2) 次要組分,如TiO、P2O5及其他微量組分[10]。

在巖漿成分中占大比例的是基本組分和次要組分,2種組分的種類和質(zhì)量分?jǐn)?shù)在很大程度上決定了巖漿的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)[11]。

當(dāng)?shù)貧せ虻蒯r石發(fā)生部分熔融時(shí),由于由SiO2、Na2O、K2O、Al2O3等組分組成的長(zhǎng)英質(zhì)礦物要求的熔融溫度較低,它們?cè)趲r石部分熔融過程中總是最先被熔出,經(jīng)部分熔融產(chǎn)生的巖漿在冷凝后再結(jié)晶形成的巖石總是比原巖的酸性程度高;同時(shí),由于MgO、FeO、CaO等氧化物含量較高的礦物所要求的熔融溫度較高,在巖石發(fā)生部分熔融時(shí)這些礦物較難被熔出,而經(jīng)歷過熔融作用后殘留的巖石總是比原巖的基性程度高。

本文篩選PetDB、GEOROC、NAVDAT 3個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中地理位置屬性和基本組分屬性完整的數(shù)據(jù),共獲取火山巖數(shù)據(jù)226 756項(xiàng)。再分別篩選出經(jīng)緯度屬性完整的安山巖、玄武巖數(shù)據(jù)集,安山巖和玄武巖數(shù)據(jù)分別為18 994、47 431項(xiàng)。而對(duì)于本文關(guān)注的屬性缺失的數(shù)據(jù)項(xiàng),則通過輔助屬性取均值的方式獲取;若輔助屬性也缺失,則刪除該數(shù)據(jù)項(xiàng)。

本文關(guān)注的有效屬性與輔助屬性見表1所列。

表1 參與數(shù)據(jù)篩選的有效和輔助屬性

2.2 安山巖與玄武巖空間分布

安山巖是造山帶中最普通的一種火山巖,由斜長(zhǎng)石和少量石英組成,w(SiO2)為57%～62%;玄武巖由基性巖漿噴發(fā)凝結(jié)而成,主要成分是硅鋁酸鈉或硅鋁酸鈣,w(SiO2)大約為45%～52%,w(Fe2O3)、w(MgO)也較高。在全體數(shù)據(jù)集的巖石類型可視化分析中,本文篩選出的火山巖數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻,以其中數(shù)據(jù)量占比分別居首位和第2位的安山巖和玄武巖為研究對(duì)象,對(duì)這2類巖石進(jìn)行可視化分析,結(jié)果表明,安山巖與玄武巖以一種伴生的形式分布,玄武巖富集的地區(qū)也會(huì)出現(xiàn)不同程度的安山巖富集,如圖1所示。

在火山巖的常用分類中,安山巖屬于火山巖大類中的中性巖的一種,而玄武巖屬于基性巖。安山巖和玄武巖雖然在化學(xué)成分上分類不屬于同一類巖石,但其構(gòu)成組分具有親緣性,安山巖是由伴生的玄武巖巖漿分離結(jié)晶形成的[12]。

圖1 安山巖與玄武巖全球空間分布

2.3 剖面數(shù)據(jù)分析

為進(jìn)一步探究經(jīng)度變化和組分含量變化之間的相關(guān)關(guān)系,在相隔30°的緯度區(qū)間內(nèi),作出橫穿全球的剖面。鄰域分析方法可通過函數(shù)對(duì)單元值及其鄰域單元值進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析,然后將該值輸出到相應(yīng)單元位置。在鄰域分析中,估值范圍內(nèi)的有效巖石樣品數(shù)可達(dá)到最大數(shù)量,實(shí)現(xiàn)樣本域內(nèi)的局部最大無(wú)偏估計(jì),使得樣本的實(shí)際值具有最小的可能誤差[13]。搜索距離是鄰域分析中最重要的參數(shù)之一,根據(jù)投圖工具所支持的輸入類型,鄰域分析工具可分為2類,即基于要素的工具和基于柵格的工具,后者具有累積遍歷源與目標(biāo)之間每個(gè)像元的距離成本的特點(diǎn),因此本文采用后者,即ArcMap 10.2軟件中的“柵格工具集”。

本文以南半球和北半球的15°、45°緯度線作為目標(biāo)要素線,即所謂“剖面線”,創(chuàng)建了在這4條緯度線南北方向上,要素距離為15°緯度范圍內(nèi)的柵格范圍。以剖面線為基準(zhǔn),擴(kuò)展單位為15個(gè)緯度單位,全部數(shù)據(jù)點(diǎn)地理投影如圖2所示。

圖2 投圖數(shù)據(jù)剖面分析

對(duì)投影后的數(shù)據(jù)點(diǎn)產(chǎn)生的屬性字段進(jìn)行數(shù)值合并,利用新產(chǎn)生的屬性字段和元素含量字段生成平滑線圖。各組分在不同緯度范圍內(nèi)的剖面線數(shù)據(jù)顯示,主量組分SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)集中在個(gè)別經(jīng)度范圍上,如圖3所示。圖3中,橫軸經(jīng)度負(fù)值表示西經(jīng),正值表示東經(jīng)。

由圖3可知,在120°W～140°W、0°S～30°E、140°E～160°E這3段經(jīng)度范圍內(nèi)都出現(xiàn)了明顯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增高的現(xiàn)象,特別是在以45°N為剖面線的剖面中。Na2O、K2O、Al2O33個(gè)主量組分

圖3 各緯度剖面SiO2質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分布

在該剖面上的投圖結(jié)果也出現(xiàn)了與SiO2類似的情形。主量組分含量的多少,可以在一定程度上直接影響火成巖中礦物成分的變化,尤其是Na2O和SiO2,可通過這2種組分的含量以及SiO2含量的高低劃分堿性巖、次堿性巖之間的界限。此外,不同細(xì)分類型的火成巖形成于不同的構(gòu)造環(huán)境,主量組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)可用于研究板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。

3 組分含量匯集點(diǎn)地理位置分析

緯度剖面上的主量組分投圖結(jié)果中,在不同經(jīng)度段上的數(shù)值異常,表現(xiàn)出和各大地質(zhì)板塊交界處、活火山聚集處的位置相契合的現(xiàn)象。本文對(duì)比了w(SiO2)峰值出現(xiàn)的位置與板塊邊界的位置,以驗(yàn)證w(SiO2)峰值作為巖漿劇烈活動(dòng)標(biāo)志的可行性。

由圖3可知,在45°N150°E、15°N15°W、15°N155°W、15°S30°E 4處地理位置上,w(SiO2)都出現(xiàn)了峰值,可分別與以下板塊邊界地點(diǎn)形成對(duì)應(yīng):位于45°N150°E的菲律賓板塊、太平洋板塊、北美洲-歐亞板塊三者交界處,15°S30°E處的東非大裂谷,15°S120°E處的澳洲板塊和歐亞板塊交界處,以及15°S75°W處的南美洲板塊和納茲卡板塊交界處等,如圖4所示(板塊分界線據(jù)文獻(xiàn)[14])。

圖4 w(SiO2)峰值位置與板塊交界對(duì)應(yīng)地點(diǎn)分布情形

巖石圈由若干板塊組成,這是在固體地球的表層物質(zhì)被撕裂為多個(gè)體量巨大的巖塊的產(chǎn)物,它們受下方地幔對(duì)流的影響,漂浮在地幔的軟流層之上,在不同方向上緩慢地運(yùn)動(dòng),在板塊的交界處巖石圈比較破碎,地下巖漿容易在此噴發(fā)形成火山[15]。由于巖漿的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)了與之相接觸的巖石圈的運(yùn)動(dòng),巖漿不斷運(yùn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)著巖石圈,巖漿中的各種元素隨著巖石圈的變動(dòng)朝著板塊的邊界處匯集,在跨度為數(shù)百萬(wàn)年的長(zhǎng)時(shí)間地質(zhì)作用下,在板塊的邊界處就匯集大量巖漿組分。投圖結(jié)果與構(gòu)成巖漿的主要組分在板塊交界處和大裂谷處質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生顯著性增高的現(xiàn)象相符合。

4 結(jié) 論

本文從3個(gè)大的巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)PetDB、GEOROC、NAVDAT中聚合出所需屬性完整的數(shù)據(jù)集,依據(jù)地質(zhì)時(shí)代屬性、巖漿的基本組分,篩選出可靠性較高的數(shù)據(jù)集并進(jìn)行空間分布規(guī)律分析,得到以下結(jié)論:

(1) 安山巖與玄武巖以一種伴生的形式分布,玄武巖富集的地區(qū)也會(huì)出現(xiàn)不同程度的安山巖富集,結(jié)合板塊邊界的分布情況進(jìn)行分析可知，富集現(xiàn)象主要集中在納茲卡板塊與南美洲板塊交界沿線、南亞島鏈等地。

(2) 火成巖的主量組分SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)峰值的位置集中在以45°N為主的剖面,所有主量組分在該剖面上的質(zhì)量分?jǐn)?shù)值都達(dá)到甚至超過了30%;而在120°W～140°W、0°E～30°E、140°E～150°E這3段經(jīng)度范圍上,出現(xiàn)了組分富集現(xiàn)象。組分富集的具體位置可對(duì)應(yīng)以南美洲板塊和納茲卡板塊交界沿線為代表的多處板塊交界,這些地區(qū)曾發(fā)生過劇烈?guī)r漿活動(dòng)。

地球化學(xué)大數(shù)據(jù)分析的意義不僅在于綜合利用龐大的地球化學(xué)數(shù)據(jù)和各種地球化學(xué)數(shù)據(jù)類型,更在于對(duì)盡可能多的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,減小人為因素影響,實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)思想和傳統(tǒng)地學(xué)的有機(jī)結(jié)合。本文進(jìn)一步驗(yàn)證了地質(zhì)全數(shù)據(jù)研究方式在地球化學(xué)數(shù)據(jù)空間分布研究中的可實(shí)踐性,對(duì)于其在地質(zhì)學(xué)眾多分支領(lǐng)域中的應(yīng)用研究具有借鑒意義。