地質溫度計的程序設計

熊險峰,路遠發,彭相林

(長江大學 地球環境與水資源學院,湖北 武漢 430100)

0 引 言

與成巖成礦作用相關的物理化學條件中最主要的參數是溫度、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,對認識成巖成礦的地球化學過程具有十分重要的意義。目前,研究地質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溫度計進行計算。目前,地質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)化學溫度計。前人已經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學形式,這給使用數據庫來管理這些溫度計帶來極大的便利。然而,到目前為止,除廣泛應用的 GeoKit(路遠發,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管理各種溫度計方程的軟件。為此,本文利用VB6.0和Access數據庫開發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環境運行,使用方便。

1 溫度計的數學模型

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

1.1 同位素溫度計數學模型

對任意的化學反應

由Gibbs-Helmholtz方程

到達平衡時

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。

對于同位素交換反應

取

聯合(5),(4),(3)得

積分后得

在同位素分餾研究中,定義分餾系數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)為本軟件采用的數學模型。

1.2 微量元素溫度計數學模型

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

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、溶質范圍內,ΔH可視為常數。

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

2 軟件設計

2.1 編程工具簡介

GeoT 是在Microsoft Visual Basic 6.0(以下簡稱VB6.0)平臺下開發完成。Visual Basic將 Windows界面編程的復雜性封裝起來,它提供了開發Microsoft Windows(R)應用程序最迅速、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 的許多其他應用程序(如AutoCAD,CorelDraw)中的廣泛應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,以其開發速度快、使用簡單而被廣泛使用,尤其在數據庫開發方面,VB6.0具有快速、簡單和功能完備的獨到優勢(郭瑞軍等,2005)。

2.2 軟件結構

本軟件采用面向對象的三層 C/S架構設計(圖1)。三層C/S架構指邏輯上的三層,用戶界面層發出查詢命令,業務處理層進行業務規則、數據訪問和合法性校驗等工作,再組織SQL語句查詢底層數據庫,業務處理層將數據庫返回的查詢結果返回給用戶界面層,完成用戶界面層的查詢命令。

本軟件數據存儲層使用Microsoft Access,用戶界面層由同位素溫度計數據庫管理和微量元素溫度計數據庫管理組成,業務處理層全部使用 ADO(Microsoft ActiveX Data Objects 2.6 Library)配合 SQL(Structured Query Language)實現,整個系統實現了數據庫的四項基本操作,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”,方便用戶調用。

圖1 GeoT的數據庫結構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_數據庫管理窗體(如圖4)自行添加。②當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_數據庫管理窗體

同位素溫度計_數據庫管理窗體,如圖4所示,提供數據庫的四項基本操作:瀏覽、添加、刪除、更新。

對于未收錄的分餾方程可以自行添加,參數有誤的方程,可以修改相關參數后更新數據庫,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K包括簡單分配系數、復合分配系數和一些比較特殊的形式,而且計算公式沒有一致的形式,所以本窗體提供兩種方式計算分配系數(圖5):

(1) 分配系數為兩數值的比值(如簡單分配系數和復合分配系數),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 同位素溫度計數據庫管理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) 對于分配系數不是簡單比值的情況,直接輸入K后可進行溫度計算。

微量元素溫度計數據庫管理窗體與同位素溫度計數據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 XFo、XFa、XMg、XFe的意義見夏林圻(1981)。本窗體提供兩種數據輸入方式,一是點擊“數據”項下“導入”命令,可從文件導入,二是直接輸入四個參數的值,手動添加。巖石類型可選超鎂鐵質和鎂鐵質,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,窗體右下角提示當前參數: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)數據逐一計算,并采用 GeoKit軟件計算結果做對比,計算結果如表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果與GeoKit計算結果完全一致,與胡作維等(2012)原文結果相比略有差別,這些差別主要是由于軟件采用的單精度數據參與計算時精度丟失導致,結果可靠。

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 XFo、XFa、XMg、XFe分別代表橄欖石晶體中鎂橄欖石的克分子分數、橄欖石晶體中鐵橄欖石的克分子分數、熔漿中鎂原子分數、熔漿中鐵原子分數。點擊“數據”工具欄下“導入”選項,導入夏林圻(1981)測試獲得的橄欖石的數據,點擊“計算”命令按鈕,得出溫度。本軟件計算結果與原文溫度列于表2中。

從表2可以看出,本軟件計算結果與原文結果基本一致,有些結果相差1 K是由于計算過程中小數四舍五入導致,本軟件計算結果可靠。

表1 同位素溫度計計算結果數據對比Table1 Comparison of the results of different methods of isotope thermometer calculation

表2 橄欖石溫度計計算結果數據對比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,其功能有待于進一步改進、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的一個重要方向。

(2) 對于不滿足本文提到的數學模型的溫度計方程未羅列在內,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公式多不規則,因此對平衡常數的設計不夠簡潔,并且數據量較少,本軟件的新版本開發將其列為重要內容。

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

6 結 語

本文開發的GeoT軟件具有以下特點:

(1) 利用VB6.0,結合 ADO數據訪問對象和面向對象的編程技術所編寫的 GeoT軟件,具有界面友好、使用方便、運行穩定等特點。

(2) 數據庫結構采用低耦合并且易于維護的三層C/S架構,利于今后的功能擴展。

(3) 軟件可方便的管理數據和溫度計算,計算精度可滿足需求。

致謝:本文承蒙中國地質大學(北京)地球科學與資源學院張德會教授、中國科學院地質與地球物理研究所范宏瑞研究員認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溫度計及其地質應用研究.地質學報,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溫度計的實驗標定.科學通報,15:1392-1395.

郭瑞軍,唐邦民,謝晗昕.2005.Visual Basic數據庫開發實例精粹.北京:電子工業出版社: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飛仙關組白云巖成因研究中的嘗試.成都理工大學學報(自然科學),39(1):1-9.

路遠發.2004.GeoKit:一個用VBA構建的地球化學工具軟件包.地球化學,33(5):459-466.

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

夏林圻.1981.橄欖石地質溫度計.中國地質科學院院報(西安地質礦產研究所分刊),2(1):73-82.

張理剛.1977.穩定同位素地溫計.地質地球化學,(5):7-23.

張理剛,劉敬秀,周環波,陳振勝.1990a.石英-水體系氧同位素平衡再研究——鹽同位素效應及其它.中國地質科學院院報:60-62.

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

張理剛,劉敬秀,周環波,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.地質評論,37(1):80-88.

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

趙振華.1997.微量元素地球化學原理.北京:科學出版社:73-75.

鄭永飛.1987.穩定同位素地質溫度計.西北地質,2:15-24.

鄭永飛,陳江峰.2000.穩定同位素地球化學.北京:科學出版社:38-65.

周根陶,鄭永飛.2000.文石-水體系氧同位素分餾系數的低溫實驗研究.高校地質學報,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.