地質(zhì)溫度計的程序設(shè)計

熊險峰,路遠(yuǎn)發(fā),彭相林

(長江大學(xué) 地球環(huán)境與水資源學(xué)院,湖北 武漢 430100)

0 引 言

與成巖成礦作用相關(guān)的物理化學(xué)條件中最主要的參數(shù)是溫度、壓力和氧逸度等(趙振華,1997),尤其是溫度對成巖成礦作用的影響,對認(rèn)識成巖成礦的地球化學(xué)過程具有十分重要的意義。目前,研究地質(zhì)過程的溫度有兩個基本方法,一是通過流體包裹體直接測定成巖-成礦的溫度,另一種途徑是利用各種地質(zhì)溫度計進(jìn)行計算。目前,地質(zhì)溫度計主要包括微量元素溫度計、同位素溫度計及巖石(礦物)化學(xué)溫度計。前人已經(jīng)建立了大量的具有實用價值的溫度計(特別是同位素溫度計),但這些“溫度計”分散在各種專著(趙振華,1997)、教材(鄭永飛和陳江峰,2000)及論文中(丁悌平等,1992a,b;張理剛等,1990a,b,1991,1998;張理剛,1977;周根陶和鄭永飛,2000;Beswick,1973;Bird et al.,1993,1994;Carothers et al.,1998;Chiba et al.,1981;Clayton et al.,1972;Cole and Ripley,1999;Drake and Weill,1975;Fritz and Smith,1970;H?kli and Wright,1967;Hart and Davis,1978;Kim and O’Neil,1997;Kusakabe and Robinson,1977;Matthews and Katz,1977;O’Neil and Taylor,1967,1969;O’Neil et al.,1969;O’Neil,1986;Stormer and Carmichael,1971;Stosch,1981),給查找及使用這些溫度計帶來不便,并且溫度計的計算多較為復(fù)雜,手工計算的難度較大。由于同位素溫度計和微量元素溫度計各自具有固定的數(shù)學(xué)形式,這給使用數(shù)據(jù)庫來管理這些溫度計帶來極大的便利。然而,到目前為止,除廣泛應(yīng)用的 GeoKit(路遠(yuǎn)發(fā),2004)軟件具有同位素溫度計計算功能外,還沒有一款具有系統(tǒng)管理各種溫度計方程的軟件。為此,本文利用VB6.0和Access數(shù)據(jù)庫開發(fā)出可用于各種溫度計管理和溫度計算的軟件GeoT。本軟件通過安裝程序制作成安裝包,安裝后可脫離VB環(huán)境運行,使用方便。

1 溫度計的數(shù)學(xué)模型

同位素溫度計和微量元素溫度計的理論推導(dǎo),前人已做過相關(guān)工作(趙振華,1997;鄭永飛,1987;鄭永飛和陳江峰,2000),以下僅對數(shù)學(xué)模型做簡要介紹。

1.1 同位素溫度計數(shù)學(xué)模型

對任意的化學(xué)反應(yīng)

由Gibbs-Helmholtz方程

到達(dá)平衡時

將(2)代入(1)得:

由G R Kirchhoff定律:

積分得 ΔH=∫ΔCP dT+C1,C1為積分常數(shù)。

對于同位素交換反應(yīng)

取

聯(lián)合(5),(4),(3)得

積分后得

在同位素分餾研究中,定義分餾系數(shù)α為一化合物中兩種同位素原子豐度之比除以另一化合物中相應(yīng)的同位素原子豐度之比,即

如果化合物M和N中這兩種同位素任意分布在所有可能位置上,則

將(7)代入(6)并整理得

式(8)為本軟件采用的數(shù)學(xué)模型。

1.2 微量元素溫度計數(shù)學(xué)模型

微量元素的行為符合“能斯特分配定律”,在稀溶液中,溶質(zhì) i(微量組分)在兩相α和β之間達(dá)到平衡時,有關(guān)系式:

將(10),(11)代入(9)并整理得

將(3)式積分得:

在一定溫度、壓力和給定溶劑、溶質(zhì)范圍內(nèi),ΔH可視為常數(shù)。

由于微量組分 i的濃度很低,可看作活度與濃度在數(shù)值上相等,故在計算時只需微量元素在兩相中的濃度數(shù)據(jù)即可算出溫度。

2 軟件設(shè)計

2.1 編程工具簡介

GeoT 是在Microsoft Visual Basic 6.0(以下簡稱VB6.0)平臺下開發(fā)完成。Visual Basic將 Windows界面編程的復(fù)雜性封裝起來,它提供了開發(fā)Microsoft Windows(R)應(yīng)用程序最迅速、最簡捷的方法①Microsoft Corporation.1998.Visual Basic 6.0中文版程序員指南.微軟(中國)有限公司譯.北京希望電腦公司出品:1-40.。由于Visual Basic在Microsoft Office,如Excel的 Applications Edition(洛邁克斯,2002;Korol,2002)、Microsoft Access 和Windows 的許多其他應(yīng)用程序(如AutoCAD,CorelDraw)中的廣泛應(yīng)用以及其簡潔的語法受到廣大程序員的喜愛。VB6.0作為Visual Studio家族中的一員,以其開發(fā)速度快、使用簡單而被廣泛使用,尤其在數(shù)據(jù)庫開發(fā)方面,VB6.0具有快速、簡單和功能完備的獨到優(yōu)勢(郭瑞軍等,2005)。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

本軟件采用面向?qū)ο蟮娜龑?C/S架構(gòu)設(shè)計(圖1)。三層C/S架構(gòu)指邏輯上的三層,用戶界面層發(fā)出查詢命令,業(yè)務(wù)處理層進(jìn)行業(yè)務(wù)規(guī)則、數(shù)據(jù)訪問和合法性校驗等工作,再組織SQL語句查詢底層數(shù)據(jù)庫,業(yè)務(wù)處理層將數(shù)據(jù)庫返回的查詢結(jié)果返回給用戶界面層,完成用戶界面層的查詢命令。

本軟件數(shù)據(jù)存儲層使用Microsoft Access,用戶界面層由同位素溫度計數(shù)據(jù)庫管理和微量元素溫度計數(shù)據(jù)庫管理組成,業(yè)務(wù)處理層全部使用 ADO(Microsoft ActiveX Data Objects 2.6 Library)配合 SQL(Structured Query Language)實現(xiàn),整個系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫的四項基本操作,即瀏覽、增加、刪除和更新。

3 軟件窗體介紹

3.1 主窗體

GeoT軟件主窗體如圖2所示,窗體菜單欄有“同位素溫度計”、“微量元素溫度計”、“其他”等選項,工具欄有“計算器”、“記事本”,方便用戶調(diào)用。

圖1 GeoT的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)Fig.1 Database structure of the GeoT software

圖2 GeoT軟件主界面Fig.2 Main interface of the GeoT software

3.2 同位素溫度計_溫度計算窗體

點擊主窗體菜單欄“同位素溫度計”即可進(jìn)入同位素溫度計_溫度計算窗體,如圖3所示。

該窗體用來計算平衡溫度或水的同位素組成:①選擇分餾方程后,輸入測試獲得的兩種礦物(或水)的同位素含量即可計算溫度。在窗體中選擇同位素類型、礦物 A、礦物 B后,窗體顯示出符合條件的同位素分餾方程,對于未收錄的分餾方程,用戶可在同位素溫度計_數(shù)據(jù)庫管理窗體(如圖4)自行添加。②當(dāng)同位素為氧同位素并且礦物對中有水時,在兩種計算類型中選擇水的氧同位素選項,輸入礦物A和溫度即可計算水的氧同位素。

3.3 同位素溫度計_數(shù)據(jù)庫管理窗體

同位素溫度計_數(shù)據(jù)庫管理窗體,如圖4所示,提供數(shù)據(jù)庫的四項基本操作:瀏覽、添加、刪除、更新。

對于未收錄的分餾方程可以自行添加,參數(shù)有誤的方程,可以修改相關(guān)參數(shù)后更新數(shù)據(jù)庫,軟件提供條件搜索功能篩選滿足條件的記錄。

3.4 微量元素溫度計_溫度計算窗體

由于分配系數(shù)K包括簡單分配系數(shù)、復(fù)合分配系數(shù)和一些比較特殊的形式,而且計算公式?jīng)]有一致的形式,所以本窗體提供兩種方式計算分配系數(shù)(圖5):

(1) 分配系數(shù)為兩數(shù)值的比值(如簡單分配系數(shù)和復(fù)合分配系數(shù)),直接輸入兩種礦物的分析值,點擊計算按鈕即可算出溫度。

圖3 同位素溫度計計算窗體Fig.3 A window for isotope thermometer calculation

圖4 同位素溫度計數(shù)據(jù)庫管理Fig.4 Database management of isotope thermometer

圖5 微量元素溫度計計算窗體Fig.5 A window for trace element calculation

(2) 對于分配系數(shù)不是簡單比值的情況,直接輸入K后可進(jìn)行溫度計算。

微量元素溫度計數(shù)據(jù)庫管理窗體與同位素溫度計數(shù)據(jù)庫管理窗體功能大致一致,不再贅述。

3.5 橄欖石溫度計窗體

橄欖石溫度計窗體如圖6,參數(shù) XFo、XFa、XMg、XFe的意義見夏林圻(1981)。本窗體提供兩種數(shù)據(jù)輸入方式,一是點擊“數(shù)據(jù)”項下“導(dǎo)入”命令,可從文件導(dǎo)入,二是直接輸入四個參數(shù)的值,手動添加。巖石類型可選超鎂鐵質(zhì)和鎂鐵質(zhì),點擊“計算”按鈕后即可算出所有溫度。

圖6 橄欖石溫度計窗體Fig.6 A window for olivine thermometer

4 應(yīng)用實例

4.1 同位素溫度計計算實例

運行軟件,在主界面點擊同位素溫度計,選擇氧同位素,礦物A為白云石,礦物B為方解石,選擇參數(shù),窗體右下角提示當(dāng)前參數(shù):A=0.5,B=0,C=0,如圖7,輸入測試獲得的這兩種礦物氧同位素組成,點擊計算按鈕,得出平衡溫度。按照此流程對胡作維等(2012)數(shù)據(jù)逐一計算,并采用 GeoKit軟件計算結(jié)果做對比,計算結(jié)果如表1。

圖7 同位素溫度計計算實例Fig.7 An example of the isotope thermometer calculation

從表1可以看出本軟件計算結(jié)果與GeoKit計算結(jié)果完全一致,與胡作維等(2012)原文結(jié)果相比略有差別,這些差別主要是由于軟件采用的單精度數(shù)據(jù)參與計算時精度丟失導(dǎo)致,結(jié)果可靠。

4.2 橄欖石溫度計的計算實例

運行軟件,在主界面選擇“其他”菜單欄下“橄欖石溫度計”(如圖6),參數(shù) XFo、XFa、XMg、XFe分別代表橄欖石晶體中鎂橄欖石的克分子分?jǐn)?shù)、橄欖石晶體中鐵橄欖石的克分子分?jǐn)?shù)、熔漿中鎂原子分?jǐn)?shù)、熔漿中鐵原子分?jǐn)?shù)。點擊“數(shù)據(jù)”工具欄下“導(dǎo)入”選項,導(dǎo)入夏林圻(1981)測試獲得的橄欖石的數(shù)據(jù),點擊“計算”命令按鈕,得出溫度。本軟件計算結(jié)果與原文溫度列于表2中。

從表2可以看出,本軟件計算結(jié)果與原文結(jié)果基本一致,有些結(jié)果相差1 K是由于計算過程中小數(shù)四舍五入導(dǎo)致,本軟件計算結(jié)果可靠。

表1 同位素溫度計計算結(jié)果數(shù)據(jù)對比Table1 Comparison of the results of different methods of isotope thermometer calculation

表2 橄欖石溫度計計算結(jié)果數(shù)據(jù)對比Table2 Comparison of the results of olivine thermometer calculation using different methods

5 存在的不足與今后開發(fā)方向

由于筆者水平有限,該軟件還存在許多不足之處,其功能有待于進(jìn)一步改進(jìn)、提高。

(1) 目前所有溫度計方程只包括同位素溫度計、微量元素溫度計和橄欖石溫度計,對于其他各類溫度計筆者未加以考慮,這是本軟件今后開發(fā)的一個重要方向。

(2) 對于不滿足本文提到的數(shù)學(xué)模型的溫度計方程未羅列在內(nèi),GeoT在以后的版本中將逐漸添加。

(3) 由于微量元素溫度計的平衡常數(shù)公式多不規(guī)則,因此對平衡常數(shù)的設(shè)計不夠簡潔,并且數(shù)據(jù)量較少,本軟件的新版本開發(fā)將其列為重要內(nèi)容。

(4) 缺少與Excel的交互能力,Excel作為數(shù)據(jù)處理的專業(yè)軟件被廣泛使用,本軟件今后將逐步完善與Excel交互能力。

6 結(jié) 語

本文開發(fā)的GeoT軟件具有以下特點:

(1) 利用VB6.0,結(jié)合 ADO數(shù)據(jù)訪問對象和面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)所編寫的 GeoT軟件,具有界面友好、使用方便、運行穩(wěn)定等特點。

(2) 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)采用低耦合并且易于維護(hù)的三層C/S架構(gòu),利于今后的功能擴展。

(3) 軟件可方便的管理數(shù)據(jù)和溫度計算,計算精度可滿足需求。

致謝:本文承蒙中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院張德會教授、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所范宏瑞研究員認(rèn)真審核并提出寶貴意見,在此表示衷心的感謝。

丁悌平,劉玉山,萬德芳,劉志堅,李金城,張桂蘭.1992a.石英-鎢鐵礦氧同位素地質(zhì)溫度計及其地質(zhì)應(yīng)用研究.地質(zhì)學(xué)報,66(1):48-58.

丁悌平,張承信,萬德芳,劉志堅,李延河,張桂蘭.1992b.閃鋅礦-方鉛礦硫同位素地質(zhì)溫度計的實驗標(biāo)定.科學(xué)通報,15:1392-1395.

郭瑞軍,唐邦民,謝晗昕.2005.Visual Basic數(shù)據(jù)庫開發(fā)實例精粹.北京:電子工業(yè)出版社:10-11.

胡作維,黃思靜,李志明.2012.白云石-方解石氧同位素溫度計在川東北地區(qū)飛仙關(guān)組白云巖成因研究中的嘗試.成都理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)),39(1):1-9.

路遠(yuǎn)發(fā).2004.GeoKit:一個用VBA構(gòu)建的地球化學(xué)工具軟件包.地球化學(xué),33(5):459-466.

洛邁克斯.2002.VB與VBA技術(shù)手冊.劉海明,譯.北京:中國電力出版社:13-21.

夏林圻.1981.橄欖石地質(zhì)溫度計.中國地質(zhì)科學(xué)院院報(西安地質(zhì)礦產(chǎn)研究所分刊),2(1):73-82.

張理剛.1977.穩(wěn)定同位素地溫計.地質(zhì)地球化學(xué),(5):7-23.

張理剛,劉敬秀,周環(huán)波,陳振勝.1990a.石英-水體系氧同位素平衡再研究——鹽同位素效應(yīng)及其它.中國地質(zhì)科學(xué)院院報:60-62.

張理剛,劉敬秀,周環(huán)波,陳振勝.1990b.石英-水-鹽體系氧同位素分餾作用.礦床地質(zhì),9(2):158-166.

張理剛,劉敬秀,周環(huán)波,陳振勝.1991.石英-黑鎢礦-水體系的氧同位素分餾作用實驗研究.地質(zhì)評論,37(1):80-88.

張理剛,劉敬秀,周環(huán)波,陳振勝.1998.石英-錫石-水體系氧同位素分餾作用實驗研究.地質(zhì)與勘探,26(5):31-37.

趙振華.1997.微量元素地球化學(xué)原理.北京:科學(xué)出版社:73-75.

鄭永飛.1987.穩(wěn)定同位素地質(zhì)溫度計.西北地質(zhì),2:15-24.

鄭永飛,陳江峰.2000.穩(wěn)定同位素地球化學(xué).北京:科學(xué)出版社:38-65.

周根陶,鄭永飛.2000.文石-水體系氧同位素分餾系數(shù)的低溫實驗研究.高校地質(zhì)學(xué)報,6(1):89-105.

Beswick A E.1973.An experimental study of alkali metal distributions in feldspars and micas.Geochimica et Cosmochimica Acta,37(2):183-208.

Bird M I,Longstaffe F J and Fyfe W S.1993.Oxygenisotope fractionation in titanium-oxide minerals at low temperature.Geochimica et Cosmochimica Acta,57(13):3083-3091.

Bird M I,Longstaffe F J,Fyfe W S,Tazaki K and Chivas A R.1994.Oxygen-isotope fractionation in gibbsite:Synthesis experiments versus natural samples.Geochimica et Cosmochimica Acta,58(23):5267-5277.

Carothers W W,Adami L H and Rosenbauer R J.1988.Experimental oxygen isotope fractionation between siderite-water and phosphoric acid liberated CO2-siderite.Geochimica et Cosmochimica Acta,52(10):2445-2450.

Chiba H,Kusakabe M,Hirano S I,Matsuo S and Somiya S.1981.Oxygen isotope fractionation factors between anhydrite and water from 100 to 550°C.Earth and Planetary Science Letters,53(1):55-62.

Clayton R N,O’Neil J R and Mayeda T K.1972.Oxygen isotope exchange between quartz and water.Journal ofGeophysical Research,77(17):3057-3067.

Cole D R and Ripley E M.1999.Oxygen isotope fractionation between chlorite and water from 170 to 350°C:A preliminary assessment based on partial exchange and fluid/rock experiments.Geochimica et Cosmochimica Acta,63(3-4):449-457.

Drake M J and Weill D F.1975.Partition of Sr,Ba,Ca,Y,Eu2+,Eu3+and other REE between plagioclase feldspar and magmatic liquid:An experimental study.Geochimica et Cosmochimica Acta,39(5):689-712.

Fritz P and Smith D G W.1970.The isotopic composition of secondary dolomites.Geochimica et Cosmochimica Acta,34(11):1161-1173.

H?kli T A and Wright T L.1967.The fractionation of nickel between olivine and augite as a geothermometer.Geochimica et Cosmochimica Acta,31(5):877-884.

Hart S R and Davis K E.1978.Nickel partitioning between olivine and silicate melt.Earth and Planetary Science Letters,40(2):203-219.

Kim S T and O'Neil J R.1997.Equilibrium and nonequilibrium oxygen isotope effects in synthetic carbonates.Geochimica et Cosmochimica Acta,61(16):3461-3475.

Korol J.2002.MS Excel 2002 VBA/XML Programming and ASP.Wordware Publishing,Inc:1-69.

Kusakabe M and Robinson B W.1977.Oxygen and sulfur isotope equilibria in the BaSO4-HSO4--H2O system from 110 to 350°C and applications.Geochimica et Cosmochimica Acta,41(8):1033-1040.

Matthews A and Katz A.1977.Oxygen isotope fractionation during the dolomitization of calcium carbonate.Geochimica et Cosmochimica Acta,41(10):1431-1438.O’Neil J R.1986.Theoretical and experimental aspects of isotopic fractionation.Reviews in Mineralogy and Geochemistry,16(1):1-40.

O’Neil J R,Clayton R N and Mayeda T K.1969.Oxygen isotope fractionation in divalent metal carbonates.The Journal of Chemical Physics,51(12):5547-5558.

O’Neil J R and Taylor H P Jr.1967.The oxygen isotope and cation exchange chemistry of feldspars.The American Mineralogist,52:1414-1437.

O’Neil J R and Taylor H P Jr.1969.Oxygen isotope equilibrium between muscovite and water.Journal of Geophysical Research,74(25):6012-6022.

Stormer J C and Carmichael I S E.1971.Fluorine-hydroxyl exchange in apatite and biotite:A potential igneous geothermometer.Contributions to Mineralogy and Petrology,31(2):121-131.

Stosch H G.1981.Sc,Cr,Co and Ni partitioning between minerals from spinel peridotite xenoliths.Contributions to Mineralogy and Petrology,78(2):166-174.