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【摘要】與各類型包裹體有關的知識和課程在礦物學、巖石學、礦床學、寶玉石學、石油地質學等地球科學領域中具有不可替代的重要地位。應用和學習包裹體時,所涉及的相變觀察、物理化學參數計算以及成分和物相測定等環節存在著抽象煩瑣或數據量龐雜等問題。因此,許多便利快捷的數據庫及信息平臺應運而生,極大地改善了教學效果并提升了科研效率。本文對這些網絡資源進行了較為系統的整理歸納,并做簡要介紹,以便該領域的師生和研究者了解和利用。
【關鍵詞】流體地質學;包裹體;網絡資源;數據庫
賦存于各類礦物內的多種包裹體,記錄了不同階段地質作用的發生以及主礦物經歷的地質過程,在地質學相關的多個領域或研究方向中,均具有重要的科學意義。比如,流體包裹體反映了成礦流體的溫度、鹽度、組分等物理化學條件,有機質包裹體及油包裹體對于探討油氣成熟度,礦物包裹體及流體包裹體的種類、特征和組合方式,是判別寶石產地及識別合成、優化、處理的關鍵依據,熔融包裹體的成分則能夠表征未經分異或風化蝕變的原始巖漿主微量元素成分及含水量。全世界具有地球科學相關專業的高?;驅W院,基本上均開設了以包裹體的認知和應用為主要內容的本科生或研究生課程。但是,包裹體課程的教學,依賴較多的實驗設備、涉及復雜的數據處理、存在抽象圖譜的建立和解譯等制約,在網絡課程蓬勃發展的大背景下,這些障礙也限制了包裹體課程的公開化和線上化。為解決上述問題,世界各地的科教工作者利用計算機和互聯網,完成了許多對包裹體教研大有裨益的網絡在線平臺或信息數據庫。但由于涉及較多國家地區,而且上線時間跨度較大,分別針對包裹體研究的不同環節,所以有些甚至并不為專門的研究者所熟知,在面向初學者的課程教學中就顯得更為欠缺。因此,本文對這些資源做了較為系統全面的收集歸納和整理介紹,希望對涉及包裹體的教學或科研活動有所幫助。
一、顯微測溫的相轉變圖像資料
顯微測溫工作是流體包裹體研究中最為基礎、同時也極為重要的環節之一。觀察不同類型包裹體在冷熱臺中的相變現象,并記錄與之對應的相變溫度,是獲取地質流體的古溫度、古壓力、古鹽度、古密度等信息的前提。但對于初學者來說,流體包裹體這一研究對象,與其他課程中講授的巖石及礦物等存在較大差異,并且體積微小,不易觀察。因此,在這一環節的教學中,應盡可能地提供給學生直觀具體的包裹體照片及視頻資料。體積較大的,特征較典型的,類型較豐富的流體包裹體代表性視頻,對于學生理解和掌握顯微測溫非常有幫助。1.法國里爾第一大學地球科學系流體包裹體世界網站網址:fluid-inclusions.univ-lille.fr/co/000_Flincs_module_1.html該網站選取了七種具有代表性的包裹體相變過程制作視頻:
(1)純水包裹體的低溫條件下行為及冰點測定;
(2)純二氧化碳包裹體的冰點及均一溫度測定;
(3)NaCl-H2O體系氣液兩相包裹體的低溫條件下行為及冰點測定;
(4)高鹽度含子礦物多相包裹體高溫條件下的行為及子礦物熔化現象;
(5)NaCl-CO2-H2O體系下含液態二氧化碳三相包裹體的低溫條件下行為、冰點的循環測定及部分均一溫度測定;
(6)氣液兩相包裹體高溫條件下行為及均一溫度測定;
(7)純水包裹體的臨界均一現象。視頻中均標注了體系和對應的實時溫度。更重要的是,對于每段視頻,都配有詳細的文字描述和過程講解,并附有與視頻一一對應的相圖。這對于初學者建立流體包裹體冷熱臺顯微測溫過程形象直觀的深刻印象以及理論聯系實際理解復雜晦澀的相圖,都很有益處。
二、物理化學參數計算及相圖構建
在流體包裹體工作中,通過系統翔實的顯微測溫實驗,將會觀察到各種各樣相態類型的出現、消失以及互相轉變的現象,同時獲得大量的測溫數據。那么,如何還原出具有地質意義的物理化學參數并構建相圖,就成了這個階段的首要任務。但由于流體體系多元化、狀態方程復雜化后,這一計算和數據處理過程也變得較為繁復,多個從事流體地質教學和研究的知名單位及研究組,都開發編制了適合進行相關計算的電腦程序,供全世界的師生和研究者免費下載應用。
1.美國弗吉尼亞理工大學地球科學系地質流體研究組
網址:geochem.geos.vt.edu/fluids該研究組是流體包裹體領域的全球頂級研究組,成果卓著,水平頂尖,研究方向廣泛而深入,基于發表的論文,編制了HOKIEFLINCS_H2O-NACL用于計算H2O-NaCl體系PVTX,以及針對常見三元體系的計算程序。H2O-NaCl-CaCl2的相關計算通過Excel表格進行,利用提出的模型,運用不同相態的冰點或冰點與XNaCl含量相結合,計算三個端元的含量。對于H2O-NaCl-KCl體系,該研究組基于已有成果,編制了SALTY程序,根據物相變化規律,能計算出該體系三個端元組分的含量。
2.瑞士蘇黎世聯邦理工大學地球科學系成礦系統與流體研究組
網址:mineralsystems.ethz.ch瑞士蘇黎世聯邦理工大學的成礦系統與流體研究組是領域內國際知名的高影響力研究組。該研究組基于編制了SoWat計算程序組合。可對NaCl-H2O體系的氣液兩相包裹體完成鹽度、密度、均一壓力等參數的計算,或者對含石鹽子礦物的三相包裹體開展密度、鹽度、等容線的計算,在已知溫度、壓力、NaCl摩爾分數的情況下,可以計算出對應的相狀態、摩爾體積、各相的成分和熱容,還能以數值的形式返回結果,易于通過其他常用的軟件繪制成圖。
3.奧地利萊奧本大學應用地球科學系流體包裹體實驗室
網址:fluids.unileoben.ac.at奧地利萊奧本大學應用地球科學系流體包裹體實驗室長期致力于流體地質學的教學和研究工作。在收集歸納前人研究的基礎上,編制許多計算機計算程序。主要包括出現籠合物時使用的CLATHRATES,由DENSITY、ICE、Q2、NOSALT、CURVES五個子程序構成。在沒有籠合物存在時,則使用FLUIDS,由BULK、ISOC、TEST、Loners、AqSo五個子程序組成,均可計算出多種參數并可繪制相圖。
4.中國科學院地質與地球物理研究所計算地球化學研究組
網址:www.geochem-model.org該研究組利用分子動力學、統計力學和熱力學相結合的計算地球化學方法,建立了多個具有預測性的狀態方程,被全球研究者廣泛應用。編制的諸多程序和Excel表格可用于計算:CO2-H2O體系的溫度-壓力-成分-摩爾體積-摩爾分數關系、CH4-H2O體系中甲烷在水中的溶解度、H2O-MgCl2體系的摩爾體積和飽和壓力、CO2-H2O-NaCl體系中籠合物在給定溫度下的平衡壓力等。
三、元素組成及含量測定
激光剝蝕原位分析技術對單個流體包裹體的成分分析,極大地克服了包裹體研究中對象微小、樣品量少、分析困難的傳統難題,對于推動地質流體研究走向全面定量化,具有重要意義。國際上的研究組,也開發了相關的軟件。相關知識對于及早接觸學科前沿非常有必要。
1.美國弗吉尼亞理工大學地球科學系地質流體研究組
網址:geochem.geos.vt.edu/fluids通過激光剝蝕等離子體質譜系統,對單個流體包裹體進行元素含量的原位分析是該組擅長的方向之一。因此,他們編制了用于處理激光剝蝕數據的軟件AMS,可對流體包裹體及固體相的激光剝蝕微量元素數據進行處理和分析。
2.瑞士蘇黎世聯邦理工學院地球科學系成礦系統與流體研究組
網址:mineralsystems.ethz.ch該研究組的基本情況和研究領域已經在第二部分做了介紹。而單個包裹體的激光剝蝕原位定量成分測定正是該研究組的主要優勢。他們編制了SILLS軟件,適合對封存于某種主礦物內的流體、熔體及礦物包裹體進行測定。
四、光譜學特征及物相分析
在包裹體相關的教學和研究中,光譜學的工作占有舉足輕重的地位,用途非常廣泛,跟顯微測溫一樣,是必需的講授章節和實驗項目。包裹體所涉及的光譜學研究方法主要包括激光拉曼光譜和顯微紅外光譜兩項,二者都能夠對微小的包裹體進行原位微區的無損光譜學分析,并獲得分析對象的圖譜。而光譜學數據和結果分析的最核心部分,就是對圖譜的解譯。在獲得圖譜后,從峰的位置、數量、形態等角度,與標準圖譜數據庫進行對比,就成了物相的組成分析和判定的最關鍵環節。經過多年的收集和積累,目前已經形成了初具規模的幾個代表性數據庫,對于包裹體相關的教學和研究,提供了不可或缺的支持和幫助。
1.礦物拉曼光譜、X射線衍射及化學性質綜合數據庫
(RRUFF)網址:rruff.infoRRUFF數據庫是目前面向礦物學家、地球科學家、寶石學家最全最大的礦物光譜圖譜數據庫之一。以激光拉曼圖譜為主要特色,同時有一定的紅外圖譜,另外礦物的粉晶衍射圖和化學組成信息也實現了一一對應的全覆蓋。
2.法國宇宙科學研究所里昂地質實驗室拉曼光譜地質應用手冊
網址:www.geologie-lyon.fr/Raman/index.php該網站可從礦物名稱或礦物類別開展激光拉曼圖譜的檢索,在檢索結果中會列出對應礦物的圖譜和全部峰值對應拉曼漂移波數,以及獲取該數據的具體參考文獻。同時該網站還列出了其他提供拉曼光譜但數據庫相對較小的一些有用鏈接。
3.美國加州理工學院地質行星科學系礦物光譜學服務器
網址:minerals.gps.caltech.edu美國加州理工學院地質行星科學系的礦物研究組對于礦物的晶體結構、致色機理以及光譜學特征都有著非常深入的研究。該網站提供了不同礦物在不同波長范圍內的紅外光譜圖譜查詢功能,并且羅列了一些有用的外部數據庫鏈接。
4.德國光譜學工具網站
網址:www.science-and-fun.de/tools該網站可通過輸入紅外光譜的吸收峰數值,反查對應的有機化合物及多種離子基團的伸縮振動具體種類和類型。在持有未知種屬物質的數據時應用性較強。
5.日本國立產業技術綜合研究所有機物光譜數據庫(SDBSofAIST)
網址:sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi日本國立產業技術綜合研究所是日本最大的國家研發機構之一,由該單位所建立的SDBS有機化合物紅外光譜數據庫可從化合物名稱、分子式、分子量等角度檢索,獲得對應的紅外和拉曼等圖譜。
6.美國國家標準技術研究院(NIST)
網址:webbook.nist.gov/chemistry美國國家標準技術研究院直屬于美國商務部,原名美國國家標準局,該單位組建了多方面多領域的網絡查詢標準數據庫,其中的化學webbook可從名稱或化學式出發,檢索查詢多種物質的多種化學性質,其中就包括紅外光譜的數據庫。
五、結語
無論是面向本科生還是研究生,或涉及礦物學、巖石學、礦床學、寶玉石學以及石油地質學等不同地學領域時,包裹體有關的知識和課程在健全專業設置,完善培養方案,構建與時俱進適應時展的教學內容,加強地學領域研究型高水平人才培養等方面,都具有舉足輕重的地位。這是一門具備研究深度的專業課,也是一門應用性很強的方法課,需要理論與實踐相結合,抽象知識與具體現象相貫通,扎實基礎和學科前沿相統一。要實現這些教學目標,就一定要將課程中涉及復雜體系相變過程和參數計算的內容,以及包裹體成分和物相分析等高新手段的運用方法融入教學過程中。在課程教學和科研活動中合理運用本文梳理并歸納的涉及包裹體教研各環節的主要網站和數據庫資源,將極大地改善教學效果并提高科研效率。希望從事包裹體教研的師生在未來的工作中,能進一步補充和完善有關的資源,緊跟科教學術領域信息化、網絡化、全球化的大趨勢。
作者:徐耀明 單位:中國地質大學(武漢)資源學院