馬海勇,董云鵬,楊 釗,秦江峰

(1.西北大學 地質學系,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)。地球化學數(shù)據(jù)可以追溯巖石的成因、形成過程和大地構造環(huán)境,是區(qū)域和造山帶地學研究的基本方法。大量地球化學研究表明,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造環(huán)境的反映,同一類巖石產出的構造環(huán)境不同,相關成巖過程的物理、化學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,這是構建常量和微量元素構造環(huán)境判別圖解的基礎(趙振華,2007)。不同的大地構造背景有不同的地球化學數(shù)據(jù)的表征,有效的運用高質量的地球化學數(shù)據(jù)的二變量、三變量投影作圖,分析數(shù)組中元素的相互關系,推測巖石可能形成的地球化學過程和巖石大地構造環(huán)境(張遠飛等,2004)。通過對地球化學數(shù)據(jù)計算和處理后,地球化學數(shù)據(jù)才能作為圖解的坐標變量,利用稀土元素配分圖解、微量元素蛛網圖和構造環(huán)境判別圖解的方式表現(xiàn)出來,結合其他地質要素對地球化學數(shù)據(jù)進行巖石學過程、巖石成因和大地構造環(huán)境辨別。地球化學研究是一個復雜的過程,尤其是數(shù)據(jù)處理工作極為繁雜。隨著信息技術的發(fā)展和地學者對數(shù)據(jù)處理的精確性和可靠性的要求,地質學研究不再是傳統(tǒng)的模糊的科學,它需要大量可靠的數(shù)據(jù),應用很多數(shù)學、化學的方法來反應地質的問題。大量學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等地球化學數(shù)據(jù)處理、投圖的專業(yè)軟件;近年來,國內學者也自主研發(fā)了 Geokit、GeoPlot、GCDPlot等在 Excel中使用的地球化學數(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)了平臺無關性、完成了地球化學數(shù)據(jù)投影,生成二變量和三變量的構造環(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)設計思路的基礎上,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信息數(shù)據(jù)導入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(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數(shù)據(jù)的編輯,并且將地球化學公式經過程序精確計算得到的地球化學元素數(shù)據(jù)信息投影到稀土元素配分圖解、微量元素蛛網圖解和相應的構造環(huán)境判別圖解中,實現(xiàn)地球化學數(shù)據(jù)的大地構造環(huán)境示蹤研究。

3 軟件的組成與結構

基于管理信息系統(tǒng)的設計思路,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圖解四個模塊(圖1)。

圖1 GCIS軟件系統(tǒng)結構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)中標準化值不被隨意修改,對軟件用戶做了一定的權限限制,管理員用戶才可以對標準化數(shù)據(jù)進行編輯,在資源信息編輯界面中實現(xiàn)對標準化值的編輯操作,根據(jù)地質研究工作的需要調整稀土元素配分圖解、微量元素蛛網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表格中的地球化學樣品數(shù)據(jù)導入到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、微量元素蛛網圖解和大地構造環(huán)境判別圖解等三個子功能模塊。

在巖石學研究中,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準化值的比值后取對數(shù)坐標得到的地球化學圖解。標準化數(shù)據(jù)通常選擇與研究樣品有成因聯(lián)系的元素作為標準樣。研究玄武質巖石選擇球粒隕石或原始地幔作為標準樣;而研究花崗質巖石選擇 MORB作為標準樣;研究地幔巖石時則選擇 C1球粒隕石作為標準樣,對于每個標準化方式,系統(tǒng)中提供了多套標準化數(shù)據(jù),并且允許管理員用戶修改和添加新的標準。

微量元素蛛網圖常用于分析微量元素成巖意義,圖解的橫坐標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,微量元素蛛網圖與稀土元素配分圖解的構成本質上是相似的,都是元素標準化比值的配分型式圖解。微量元素蛛網圖、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準進行標準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,在圖解中橫坐標元素排列次序目前還沒有統(tǒng)一的形式,但習慣上主要有三種: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。

大地構造環(huán)境判別分析方法是將統(tǒng)計學技術應用于巖石地球化學研究,利用地球化學推測地球化學過程和巖石大地構造環(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)構造環(huán)境判別圖解功能時,系統(tǒng)調用存儲在 Access數(shù)據(jù)庫文件中的樣品數(shù)據(jù),在生成相應的環(huán)境判別圖解過程中,通過地球化學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)投影到相應的構造環(huán)境判別圖解中,并實現(xiàn)圖像信息的保存。構造環(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軟件構造環(huán)境圖解用戶界面Fig.2 The interface of the GCIS tectonic discrimination

4 軟件設計的基本算法

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)坐標圖解算法,完成地球化學數(shù)據(jù)的圖解投影,形成二變量、三變量的構造環(huán)境判別圖解。在此僅對形成構造環(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系中(圖3),設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;

在直角坐標系XOY中,M點的坐標(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)坐標圖解的算法

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

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

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

圖4 對數(shù)坐標圖解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在投影坐標軸的長度)

軟件通過調用存儲在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數(shù)據(jù)的需求經計算獲得投影坐標數(shù)據(jù),利用對數(shù)坐標算法將投影數(shù)據(jù)精確的投影到相應的對數(shù)坐標環(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軟件在地學中的應用

滇東地區(qū)的師宗-彌勒構造帶是揚子陸塊與華夏陸塊的結合帶,構造帶內的火山巖元素地球化學數(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,為正確認識滇東南大地構造格局、揚子地塊與華夏地塊相互作用及其構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、微量元素地球化學分析,利用 GCIS工具軟件將地球化學數(shù)據(jù)進行稀土元素配分圖解、微量元素蛛網圖分析。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晶作用(圖5)。

原始地幔標準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系列巖石地球化學特征,與 MORB相區(qū)分,顯示出島弧火山巖地球化學特征(圖6)。

基于本區(qū)地球化學研究,利用 GCIS工具軟件將建水枕狀熔巖地球化學數(shù)據(jù)投影在相應的構造環(huán)境判別圖解中(圖7),構造環(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等相關圖解中均顯示建水枕狀熔巖形成于與板塊消減作用相關的島弧構造環(huán)境。結合前述地球化學研究,認為建水枕狀熔巖形成于島弧構造環(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背景下,沿裂谷噴出地表。建水地區(qū)火山巖地質、地球化學顯示該構造帶曾是分隔具有不同地殼結構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地球化學數(shù)據(jù)處理工具軟件的研發(fā)是地球化學數(shù)據(jù)計算機處理和應用的一次嘗試,GCIS地球化學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;但做為地學研究重要手段的同位素地球化學大量的參數(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應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,能夠提高地質資料整理的科學性、高效性,切實的為地學工作者的科學研究工作提供便利,使其成為廣大地學工作者真正有用、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量得以提高。

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