包裹体课程教研有关的网络资源探讨

包裹体课程教研有关的网络资源探讨

【摘要】与各类型包裹体有关的知识和课程在矿物学、岩石学、矿床学、宝玉石学、石油地质学等地球科学领域中具有不可替代的重要地位。应用和学习包裹体时,所涉及的相变观察、物理化学参数计算以及成分和物相测定等环节存在着抽象烦琐或数据量庞杂等问题。因此,许多便利快捷的数据库及信息平台应运而生,极大地改善了教学效果并提升了科研效率。本文对这些网络资源进行了较为系统的整理归纳,并做简要介绍,以便该领域的师生和研究者了解和利用。

【关键词】流体地质学;包裹体;网络资源;数据库

赋存于各类矿物内的多种包裹体,记录了不同阶段地质作用的发生以及主矿物经历的地质过程,在地质学相关的多个领域或研究方向中,均具有重要的科学意义。比如,流体包裹体反映了成矿流体的温度、盐度、组分等物理化学条件,有机质包裹体及油包裹体对于探讨油气成熟度,矿物包裹体及流体包裹体的种类、特征和组合方式,是判别宝石产地及识别合成、优化、处理的关键依据,熔融包裹体的成分则能够表征未经分异或风化蚀变的原始岩浆主微量元素成分及含水量。全世界具有地球科学相关专业的高校或学院,基本上均开设了以包裹体的认知和应用为主要内容的本科生或研究生课程。但是,包裹体课程的教学,依赖较多的实验设备、涉及复杂的数据处理、存在抽象图谱的建立和解译等制约,在网络课程蓬勃发展的大背景下,这些障碍也限制了包裹体课程的公开化和线上化。为解决上述问题,世界各地的科教工作者利用计算机和互联网,完成了许多对包裹体教研大有裨益的网络在线平台或信息数据库。但由于涉及较多国家地区,而且上线时间跨度较大,分别针对包裹体研究的不同环节,所以有些甚至并不为专门的研究者所熟知,在面向初学者的课程教学中就显得更为欠缺。因此,本文对这些资源做了较为系统全面的收集归纳和整理介绍,希望对涉及包裹体的教学或科研活动有所帮助。

一、显微测温的相转变图像资料

显微测温工作是流体包裹体研究中最为基础、同时也极为重要的环节之一。观察不同类型包裹体在冷热台中的相变现象,并记录与之对应的相变温度,是获取地质流体的古温度、古压力、古盐度、古密度等信息的前提。但对于初学者来说,流体包裹体这一研究对象,与其他课程中讲授的岩石及矿物等存在较大差异,并且体积微小,不易观察。因此,在这一环节的教学中,应尽可能地提供给学生直观具体的包裹体照片及视频资料。体积较大的,特征较典型的,类型较丰富的流体包裹体代表性视频,对于学生理解和掌握显微测温非常有帮助。1.法国里尔第一大学地球科学系流体包裹体世界网站网址:fluid-inclusions.univ-lille.fr/co/000_Flincs_module_1.html该网站选取了七种具有代表性的包裹体相变过程制作视频:

(1)纯水包裹体的低温条件下行为及冰点测定;

(2)纯二氧化碳包裹体的冰点及均一温度测定;

(3)NaCl-H2O体系气液两相包裹体的低温条件下行为及冰点测定;

(4)高盐度含子矿物多相包裹体高温条件下的行为及子矿物熔化现象;

(5)NaCl-CO2-H2O体系下含液态二氧化碳三相包裹体的低温条件下行为、冰点的循环测定及部分均一温度测定;

(6)气液两相包裹体高温条件下行为及均一温度测定;

(7)纯水包裹体的临界均一现象。视频中均标注了体系和对应的实时温度。更重要的是,对于每段视频,都配有详细的文字描述和过程讲解,并附有与视频一一对应的相图。这对于初学者建立流体包裹体冷热台显微测温过程形象直观的深刻印象以及理论联系实际理解复杂晦涩的相图,都很有益处。

二、物理化学参数计算及相图构建

在流体包裹体工作中,通过系统翔实的显微测温实验,将会观察到各种各样相态类型的出现、消失以及互相转变的现象,同时获得大量的测温数据。那么,如何还原出具有地质意义的物理化学参数并构建相图,就成了这个阶段的首要任务。但由于流体体系多元化、状态方程复杂化后,这一计算和数据处理过程也变得较为繁复,多个从事流体地质教学和研究的知名单位及研究组,都开发编制了适合进行相关计算的电脑程序,供全世界的师生和研究者免费下载应用。

1.美国弗吉尼亚理工大学地球科学系地质流体研究组

网址:geochem.geos.vt.edu/fluids该研究组是流体包裹体领域的全球顶级研究组,成果卓著,水平顶尖,研究方向广泛而深入,基于发表的论文,编制了HOKIEFLINCS_H2O-NACL用于计算H2O-NaCl体系PVTX,以及针对常见三元体系的计算程序。H2O-NaCl-CaCl2的相关计算通过Excel表格进行,利用提出的模型,运用不同相态的冰点或冰点与XNaCl含量相结合,计算三个端元的含量。对于H2O-NaCl-KCl体系,该研究组基于已有成果,编制了SALTY程序,根据物相变化规律,能计算出该体系三个端元组分的含量。

2.瑞士苏黎世联邦理工大学地球科学系成矿系统与流体研究组

网址:mineralsystems.ethz.ch瑞士苏黎世联邦理工大学的成矿系统与流体研究组是领域内国际知名的高影响力研究组。该研究组基于编制了SoWat计算程序组合。可对NaCl-H2O体系的气液两相包裹体完成盐度、密度、均一压力等参数的计算,或者对含石盐子矿物的三相包裹体开展密度、盐度、等容线的计算,在已知温度、压力、NaCl摩尔分数的情况下,可以计算出对应的相状态、摩尔体积、各相的成分和热容,还能以数值的形式返回结果,易于通过其他常用的软件绘制成图。

3.奥地利莱奥本大学应用地球科学系流体包裹体实验室

网址:fluids.unileoben.ac.at奥地利莱奥本大学应用地球科学系流体包裹体实验室长期致力于流体地质学的教学和研究工作。在收集归纳前人研究的基础上,编制许多计算机计算程序。主要包括出现笼合物时使用的CLATHRATES,由DENSITY、ICE、Q2、NOSALT、CURVES五个子程序构成。在没有笼合物存在时,则使用FLUIDS,由BULK、ISOC、TEST、Loners、AqSo五个子程序组成,均可计算出多种参数并可绘制相图。

4.中国科学院地质与地球物理研究所计算地球化学研究组

网址:www.geochem-model.org该研究组利用分子动力学、统计力学和热力学相结合的计算地球化学方法,建立了多个具有预测性的状态方程,被全球研究者广泛应用。编制的诸多程序和Excel表格可用于计算:CO2-H2O体系的温度-压力-成分-摩尔体积-摩尔分数关系、CH4-H2O体系中甲烷在水中的溶解度、H2O-MgCl2体系的摩尔体积和饱和压力、CO2-H2O-NaCl体系中笼合物在给定温度下的平衡压力等。

三、元素组成及含量测定

激光剥蚀原位分析技术对单个流体包裹体的成分分析,极大地克服了包裹体研究中对象微小、样品量少、分析困难的传统难题,对于推动地质流体研究走向全面定量化,具有重要意义。国际上的研究组,也开发了相关的软件。相关知识对于及早接触学科前沿非常有必要。

1.美国弗吉尼亚理工大学地球科学系地质流体研究组

网址:geochem.geos.vt.edu/fluids通过激光剥蚀等离子体质谱系统,对单个流体包裹体进行元素含量的原位分析是该组擅长的方向之一。因此,他们编制了用于处理激光剥蚀数据的软件AMS,可对流体包裹体及固体相的激光剥蚀微量元素数据进行处理和分析。

2.瑞士苏黎世联邦理工学院地球科学系成矿系统与流体研究组

网址:mineralsystems.ethz.ch该研究组的基本情况和研究领域已经在第二部分做了介绍。而单个包裹体的激光剥蚀原位定量成分测定正是该研究组的主要优势。他们编制了SILLS软件,适合对封存于某种主矿物内的流体、熔体及矿物包裹体进行测定。

四、光谱学特征及物相分析

在包裹体相关的教学和研究中,光谱学的工作占有举足轻重的地位,用途非常广泛,跟显微测温一样,是必需的讲授章节和实验项目。包裹体所涉及的光谱学研究方法主要包括激光拉曼光谱和显微红外光谱两项,二者都能够对微小的包裹体进行原位微区的无损光谱学分析,并获得分析对象的图谱。而光谱学数据和结果分析的最核心部分,就是对图谱的解译。在获得图谱后,从峰的位置、数量、形态等角度,与标准图谱数据库进行对比,就成了物相的组成分析和判定的最关键环节。经过多年的收集和积累,目前已经形成了初具规模的几个代表性数据库,对于包裹体相关的教学和研究,提供了不可或缺的支持和帮助。

1.矿物拉曼光谱、X射线衍射及化学性质综合数据库

(RRUFF)网址:rruff.infoRRUFF数据库是目前面向矿物学家、地球科学家、宝石学家最全最大的矿物光谱图谱数据库之一。以激光拉曼图谱为主要特色,同时有一定的红外图谱,另外矿物的粉晶衍射图和化学组成信息也实现了一一对应的全覆盖。

2.法国宇宙科学研究所里昂地质实验室拉曼光谱地质应用手册

网址:www.geologie-lyon.fr/Raman/index.php该网站可从矿物名称或矿物类别开展激光拉曼图谱的检索,在检索结果中会列出对应矿物的图谱和全部峰值对应拉曼漂移波数,以及获取该数据的具体参考文献。同时该网站还列出了其他提供拉曼光谱但数据库相对较小的一些有用链接。

3.美国加州理工学院地质行星科学系矿物光谱学服务器

网址:minerals.gps.caltech.edu美国加州理工学院地质行星科学系的矿物研究组对于矿物的晶体结构、致色机理以及光谱学特征都有着非常深入的研究。该网站提供了不同矿物在不同波长范围内的红外光谱图谱查询功能,并且罗列了一些有用的外部数据库链接。

4.德国光谱学工具网站

网址:www.science-and-fun.de/tools该网站可通过输入红外光谱的吸收峰数值,反查对应的有机化合物及多种离子基团的伸缩振动具体种类和类型。在持有未知种属物质的数据时应用性较强。

5.日本国立产业技术综合研究所有机物光谱数据库(SDBSofAIST)

网址:sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi日本国立产业技术综合研究所是日本最大的国家研发机构之一,由该单位所建立的SDBS有机化合物红外光谱数据库可从化合物名称、分子式、分子量等角度检索,获得对应的红外和拉曼等图谱。

6.美国国家标准技术研究院(NIST)

网址:webbook.nist.gov/chemistry美国国家标准技术研究院直属于美国商务部,原名美国国家标准局,该单位组建了多方面多领域的网络查询标准数据库,其中的化学webbook可从名称或化学式出发,检索查询多种物质的多种化学性质,其中就包括红外光谱的数据库。

五、结语

无论是面向本科生还是研究生,或涉及矿物学、岩石学、矿床学、宝玉石学以及石油地质学等不同地学领域时,包裹体有关的知识和课程在健全专业设置,完善培养方案,构建与时俱进适应时展的教学内容,加强地学领域研究型高水平人才培养等方面,都具有举足轻重的地位。这是一门具备研究深度的专业课,也是一门应用性很强的方法课,需要理论与实践相结合,抽象知识与具体现象相贯通,扎实基础和学科前沿相统一。要实现这些教学目标,就一定要将课程中涉及复杂体系相变过程和参数计算的内容,以及包裹体成分和物相分析等高新手段的运用方法融入教学过程中。在课程教学和科研活动中合理运用本文梳理并归纳的涉及包裹体教研各环节的主要网站和数据库资源,将极大地改善教学效果并提高科研效率。希望从事包裹体教研的师生在未来的工作中,能进一步补充和完善有关的资源,紧跟科教学术领域信息化、网络化、全球化的大趋势。

作者:徐耀明 单位:中国地质大学(武汉)资源学院