GCIS地球化学工具软件的设计及其在地学中的应用

马海勇,董云鹏,杨 钊,秦江峰

(1.西北大学 地质学系,陕西 西安 710069;2.长庆油田公司 勘探开发研究院/低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,陕西 西安 710018)

1 概 述

地球化学示踪是揭示区域壳幔深部组成与作用过程系统研究的必要手段(李昌年,1992)。地球化学数据可以追溯岩石的成因、形成过程和大地构造环境,是区域和造山带地学研究的基本方法。大量地球化学研究表明,各种岩石中元素组合、比值的变化是岩石形成时所处大地构造环境的反映,同一类岩石产出的构造环境不同,相关成岩过程的物理、化学条件也有明显的差异,造成了岩石中元素,特别是微量元素组合及比值等不同,这是构建常量和微量元素构造环境判别图解的基础(赵振华,2007)。不同的大地构造背景有不同的地球化学数据的表征,有效的运用高质量的地球化学数据的二变量、三变量投影作图,分析数组中元素的相互关系,推测岩石可能形成的地球化学过程和岩石大地构造环境(张远飞等,2004)。通过对地球化学数据计算和处理后,地球化学数据才能作为图解的坐标变量,利用稀土元素配分图解、微量元素蛛网图和构造环境判别图解的方式表现出来,结合其他地质要素对地球化学数据进行岩石学过程、岩石成因和大地构造环境辨别。地球化学研究是一个复杂的过程,尤其是数据处理工作极为繁杂。随着信息技术的发展和地学者对数据处理的精确性和可靠性的要求,地质学研究不再是传统的模糊的科学,它需要大量可靠的数据,应用很多数学、化学的方法来反应地质的问题。大量学者已在这方面做出了许多努力,其中有代表性的国外软件有Minpet、Origin、IGPET等地球化学数据处理、投图的专业软件;近年来,国内学者也自主研发了 Geokit、GeoPlot、GCDPlot等在 Excel中使用的地球化学数据计算和投图的专业宏程序软件(路远发,2004)。本文介绍笔者研发的构造环境判别图解软件——GCIS,该系统软件不仅完成了地球化学数据的管理,而且包涵了丰富的环境判别图解,将一些较可靠具有说服力的环境判别图解和元素比值关系图解,及时补充完善到系统中。GCIS软件做为独立的程序软件,实现了平台无关性、完成了地球化学数据投影,生成二变量和三变量的构造环境判别图解等功能。

2 GCIS的开发平台

本系统软件在管理信息系统(MIS)设计思路的基础上,选择Microsoft Visual Basic.Net作为编程语言,利用Microsoft Office Access数据库作为后台数据库完成地球化学数据的存储(黄明等,2005)。为了便于软件的传输与发布,笔者利用安装制作软件将其打包成一个安装软件(GCISsetup.exe)。安装软件提供.NET Framework软件开发平台的安装,从而实现了平台无关性,使软件可以安装在不同的计算机操作系统上,通过 Microsoft Office Excel电子表格将地球化学信息数据导入Access数据库中,实现数据的录入功能;利用开放数据库互连技术(ODBC)完成对Access数据库的访问(石磊,2001;何明国,2004;刘保顺,2004),使用SQL语言作为数据输入与管理的接口,在友好的用户界面中进行地球化学数据的编辑,并且将地球化学公式经过程序精确计算得到的地球化学元素数据信息投影到稀土元素配分图解、微量元素蛛网图解和相应的构造环境判别图解中,实现地球化学数据的大地构造环境示踪研究。

3 软件的组成与结构

基于管理信息系统的设计思路,GCIS软件按功能可分为用户管理、资源信息管理、样品信息管理和地球化学图解四个模块(图1)。

图1 GCIS软件系统结构Fig.1 The structure of the GCIS software system

用户管理模块主要是为了确保系统中标准化值不被随意修改,对软件用户做了一定的权限限制,管理员用户才可以对标准化数据进行编辑,在资源信息编辑界面中实现对标准化值的编辑操作,根据地质研究工作的需要调整稀土元素配分图解、微量元素蛛网图解中元素的显示顺序和显示比例。样品信息管理模块可以将存储在 Excel表格中的地球化学样品数据导入到Access数据库中,软件系统将在Access数据库文件中创建样品数据记录表;并在导入样品数据时通过公式计算得出的K、P、Ti和Mg#等元素的含量值存储在样品数据表中。

地球化学图解功能模块是 GCIS软件主要功能模块,包括稀土元素配分图解、微量元素蛛网图解和大地构造环境判别图解等三个子功能模块。

在岩石学研究中,稀土元素在岩石中的丰度分布以及聚集迁移的规律性和特征有助于研究岩浆起源、演化和岩石形成的条件等岩石学问题。稀土元素配分图解是确定样品的稀土元素的丰度值对球粒陨石标准化值的比值后取对数坐标得到的地球化学图解。标准化数据通常选择与研究样品有成因联系的元素作为标准样。研究玄武质岩石选择球粒陨石或原始地幔作为标准样;而研究花岗质岩石选择 MORB作为标准样;研究地幔岩石时则选择 C1球粒陨石作为标准样,对于每个标准化方式,系统中提供了多套标准化数据,并且允许管理员用户修改和添加新的标准。

微量元素蛛网图常用于分析微量元素成岩意义,图解的横坐标是等间距排列的各微量元素,排列顺序自左至右基本上按分配系数Dis/l由小变大,或按离子半径由大变小,纵坐标是岩石中各不相容微量元素对于球粒陨石(CN)或原始地幔(PM)或洋脊玄武岩(MORB)或洋脊花岗岩(MOG)各同名元素的比值取对数。因此,微量元素蛛网图与稀土元素配分图解的构成本质上是相似的,都是元素标准化比值的配分型式图解。微量元素蛛网图、稀土元素配分图解通过将用户的样品数据相对于一个已知的标准进行标准化然后按一定的顺序绘制成折线图(路远发,2004)。微量元素蛛网图使用的元素多为亲石元素和不相容元素,在图解中横坐标元素排列次序目前还没有统一的形式,但习惯上主要有三种:Sun(1989)、Thompson(1982)和Pearce(1982)。为了增强系统的通用性,系统允许用户自定义微量元素的顺序组合,根据研究需求选择元素组合、元素显示次序、图解显示比例。

大地构造环境判别分析方法是将统计学技术应用于岩石地球化学研究,利用地球化学推测地球化学过程和岩石大地构造环境。将岩石样品划分成不同的类型,把不同类型的样品按其元素浓度或者根据浓度计算的判别因子,进行投影作图,画出不同类型样品之间的界限。在实现构造环境判别图解功能时,系统调用存储在 Access数据库文件中的样品数据,在生成相应的环境判别图解过程中,通过地球化学公式计算获得样品的元素数据和比值信息,将这些数据投影到相应的构造环境判别图解中,并实现图像信息的保存。构造环境判别图解子模块提供了丰富的环境判别图解,包括玄武岩环境判别图解(34幅)、花岗岩环境判别图解(19幅)、岩石分类判别图解(5幅)和沉积岩环境判别图解(8幅)(图2),为了方便地质研究人员的查阅,GCIS软件系统帮助中提供了所有环境判别图解的文献出处及图解元素算法注解。

图2 GCIS软件构造环境图解用户界面Fig.2 The interface of the GCIS tectonic discrimination

4 软件设计的基本算法

GCIS软件使用点阵图加载的方法,将点阵图加载到程序界面中,通过地球化学公式计算提取图解元素数据信息(黄淼云,2004;张树泉,2004),利用三角图解、对数坐标图解算法,完成地球化学数据的图解投影,形成二变量、三变量的构造环境判别图解。在此仅对形成构造环境判别图解的主要算法中的三角图解和对数坐标算法做简要说明。

4.1 三角图解的算法

三角图解算法利用几何学的方法实现数据信息的在程序界面中图形的定位数据点定位,具体步骤如下:

(1) 将点阵图置于直角坐标系中(图3),设ABC△

为边长为1的等边三角形,投图点M(x,y),则有:

(Zr、Y、Nb分别代表分析样品的含量)

(2) 过 M 点做平行于三角形三个边的平行线A″B″,A′C″,B′C′;

(3) 过M点做垂直于AB的线段MN交AB于N点;

(4) △ABC交X轴于C点,交Y轴于A点,因为 A″B″//AB,A′C″//AC,B′C′//BC,所以 △ M A′B′≅△ C AB。

图3 三角图解算法示意图Fig.3 The triangular algorithm diagrammatic sketch of the GCIS

△ M A′B′为等边三角形,A′N=NB′,∠ MA′B′=60°,MN=A′M×sin60°;

由三角图解定义可知a、b、c分别代表BB′、A′B′、A′A 的长度,AA′=b,B′B=a,A′B′=c;

在直角坐标系XOY中,M点的坐标(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°

因为 △ M A′B′是等边三角形,MA′=A′B′=c

所以y=(1–c)×sin60°=(a+b)×sin60°

因此,M 点坐标可实现为M (b+c/2,(1–c)×sin60°);

Zr/4、Y、Nb/2分别代表图解中各端元的数值,这些数值是从样品数据表提取的分析样品元素含量值经公式计算获取,将这些数据投影到三角图解中,实现三角环境判别图解的生成和存储。

4.2 对数坐标图解的算法

稀土元素配分图解、微量元素蛛网图是将用户的样品数据相对于已知的标准值进行标准化,然后按一定的顺序绘制成的纵坐标以对数刻度显示的折线图,构造环境判别图解也有一些图解是以对数刻度为坐标轴显示的图解(图4),在这里简要介绍对数坐标轴图解在计算机图形显示中实现的算法。

经过分析发现,对数坐标轴中数据显示具有以下规律,即:

投影在对数坐标轴中的数据点,在 10n与 10n-1间距中的分刻度之间有一定比例关系的刻度分布(图4),设x为分析样品含量值,可利用下列公式计算投影到对数坐标的投影值:

图4 对数坐标图解Fig.4 The logarithmic diagram of the GCIS

Length=L+j×(lgx–lgk)/[lg(k+1)–lgk]

(k为x的最高位数的整数值,j为k+1与k间的间距,L为k在投影坐标轴的长度)

软件通过调用存储在Access数据库中的分析样品数据,根据环境判别图解投影坐标数据的需求经计算获得投影坐标数据,利用对数坐标算法将投影数据精确的投影到相应的对数坐标环境判别图解中,并在程序图形生成子模块中完成位图格式文件(.bmp、.jpg、window位图文件)的生成与存储。

5 GCIS软件在地学中的应用

滇东地区的师宗-弥勒构造带是扬子陆块与华夏陆块的结合带,构造带内的火山岩元素地球化学数据记录了扬子和华夏陆块相互作用过程的重要信息。师宗-弥勒构造带西段建水地区发现的岛弧型枕状熔岩,为正确认识滇东南大地构造格局、扬子地块与华夏地块相互作用及其构造演化过程提供一定的制约(董云鹏等,1999)。本文选择建水地区枕状熔岩代表性岩石样品进行主量元素、微量元素地球化学分析,利用 GCIS工具软件将地球化学数据进行稀土元素配分图解、微量元素蛛网图分析。建水火山岩稀土配分型式为 LREE轻微富集,稀土总量低,弱Eu负异常,并存在斜长石分离结晶作用(图5)。

原始地幔标准化的微量元素配分图解显示岩石具有相对平坦的配分型式,明显区别于板内玄武岩。Sm-Lu低于MORB值,尤其是出现明显的Nb、Ta亏损和Th富集特征,表明源区受到消减组分加入的影响,类似于岛弧拉斑玄武质系列岩石地球化学特征,与 MORB相区分,显示出岛弧火山岩地球化学特征(图6)。

基于本区地球化学研究,利用 GCIS工具软件将建水枕状熔岩地球化学数据投影在相应的构造环境判别图解中(图7),构造环境判别图解显示建水枕状熔岩样品投影点均落入板内玄武岩(WPB)区。在Nb-Zr-Y图解中,样品投点较集中,均落入火山弧玄武岩区;在Ti-Zr-Y图解、Hf-Th-Nb图解中,样品投影点均落入岛弧玄武岩区。另外,该区玄武岩其他微量元素含量值在 Ta/Yb-Th/Yb、La-La/Nb等相关图解中均显示建水枕状熔岩形成于与板块消减作用相关的岛弧构造环境。结合前述地球化学研究,认为建水枕状熔岩形成于岛弧构造环境;建水岛弧火山岩有可能是先期俯冲洋壳与消减组分在地幔楔形区的部分熔融混合,并保存于深部地幔中,直到晚古生代在伸展扩张的动力学背景下,沿裂谷喷出地表。建水地区火山岩地质、地球化学显示该构造带曾是分隔具有不同地壳结构的扬子与华夏陆块的界限(董云鹏等,2002)。

图5 建水火山岩稀土配分图解(软件生成原图)Fig.5 The chondrite normalized REE patterns of the Jianshui volcanic rocks

图6 建水火山岩微量元素配分图解(软件生成原图)Fig.6 The trace element spider diagrams of the Jianshui volcanic rocks

6 存在的不足和今后研发方向

GCIS地球化学数据处理工具软件的研发是地球化学数据计算机处理和应用的一次尝试,GCIS地球化学信息软件还存在许多不足之处,还缺乏专业软件的系统性和完整性。该软件仅涉及到了稀土元素配分图、微量元素蛛网图、岩石分类图解、火成岩样品微量元素判别图解和沉积岩判别图解;但做为地学研究重要手段的同位素地球化学大量的参数计算与图解在本软件中尚未涉及,软件还没有实现与 GIS的关联,这也将是软件进一步研发的方向,软件还存在着许多计算机技术应用和功能模块不够完善等问题,还需要不断的改进。

鉴于本软件还存在的不足,笔者欢迎各位同行、专家在使用本软件过程中对软件存在的问题提出宝贵的意见和建议,以便对其做进一步的完善,希望通过系统功能的不断完善,能够提高地质资料整理的科学性、高效性,切实的为地学工作者的科学研究工作提供便利,使其成为广大地学工作者真正有用、好用的工具软件。

图7 建水地区火山岩构造环境判别图解(软件生成原图)Fig.7 The tectonic discrimination diagrams of the Jianshui volcanic rocks

致谢:感谢两位审稿老师在审稿过程中提出的宝贵意见,感谢编辑部老师对稿件不厌其烦的处理和热心帮助,他们的诸多帮助才使本文质量得以提高。

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