Geochemical software

Самое оригинальное и одно из самых нравственных чувств нашего века, века науки, это чувство искреннего сомнения.

Ж. Гюйо

Статьи

Компьютерный инструментарий геолога - петрохимические программы

Современные петрологические и геохимические исследования оперируют огромным количеством аналитических данных, которые обработать "вручную" практически невозможно. Попытки автоматизировать весьма трудоемкий процесс математической обработки массивов аналитических данных по составам минералов и горных пород предпринимался различными исследователями еще до появления персональных компьютеров. Главным образом это были программы для микрокалькуляторов. Естественно, что после перехода на PC появилось некоторое количество программ так или иначе решающих эту проблему. Большинство этих программ были созданы самими специалистами-геологами для собственных нужд и направлены на решение конкретных задач сохранения аналитических данных и быстрого экспресс-пересчета как геохимических, так и петрогенетических параметров исследуемых пород и минералов. Конечно, по сравнению с разнообразными ГИС-приложениями, используемыми в промышленных целях, их количество невелико, но, тем не менее, такие программы существуют и современным специалистам в области геохимии, петрологии и минералогии следует о них знать и уметь использовать это программное обеспечение в своих исследованиях.
Далее в хронологическом порядке дается краткое описание наиболее известных петрохимических программ, ссылки на которые приводятся в различных научных статьях геологической тематики.

MinFile, MinCalc и т.п.

Американская программа MinFile является одной из первых программ подобного рода, появившихся на PC и приобретших определенную популярность. Ее авторами являются сотрудники Мичиганского университета Абдулкадер Афифи и Эрик Иссене (Afifi & Essene, 1988), создавшие эту программу на языке QuickBASIC в 1988 г. - времени безраздельного царствования операционной системы MS DOS и пятидюймовых дискет. Программа обладала простейшим строковым меню и позволяла рассчитывать коэффициенты кристаллохимических формул минералов по их химическим анализам классическим кислородным или катионным методом. Данные анализов и расчетов могли сохраняться в виде текстовых файлов определенного формата, которые в дальнейшем могли заново загружаться в программу для редактирования и пересчета. Кроме того, в программе присутствовала функция перевода оксидов в элементы и наоборот - элементов в оксиды.
Дальнейшим развитием этой программы являлась программа MinCalc (Waters, 1992), работающая с подготовленными файлами разного формата, в т.ч. и минфайловскими. Кроме того, появились подобные программы, рассчитывающие кристаллохимические формулы минералов отдельных минеральных групп, к примеру - программы профессора Истамбульского университета Фуата Явуза (Fuat Yavus) -Amphcalc, Calcpyrx и т.п.
Из российских разработок следует отметить программу И.С. Перетяжко CRYSTAL (Институт Геохимии СО РАН) (Перетяжко, 1996), с русскоязычным интерфейсом, которая позволяет рассчитывать формулы минералов различными методами, рассчитывать баланс масс для минералов, пород и расплавов, производить нормирование составов пород методом CIPW и выполнять статистическую обработку данных. Кроме того, данная программа обладает графическими функциями, позволяющими строить гистограммы, двумерные и треугольные диаграммы, а также графики функций и REE-диаграммы распределения редкоземельных элементов.
Как уже говорилось, все эти программы работают под управлением операционной системы MS DOS, а потому обладают всеми достоинствами и недостатками такого типа программ. Программа для DOS - это почти самодостаточная рабочая среда, включающая в себя все необходимое для полноценного автономного функционирования. Благодаря своему "эксклюзивному" однозадачному положению DOS-версия работает быстро даже на очень слабых компьютерах, а отсутствие сложной и иногда капризной многозадачной операционной системы не только высвобождает все аппаратные ресурсы, но и значительно повышает надежность работы самой программы. Вместе с тем недостатки программ для DOS тоже вполне очевидны - отсутствие уже привычного многооконного графического интерфейса, отсутствие многозадачности, сложность прямой интеграции с другим программным обеспечением, необходимость наличия специальных DOS драйверов для работы с периферийными устройствами, трудность реализации сетевых решений, комплексной автоматизации и соблюдения современных требований к оформлению печатной документации. Все это приводит к тому, что программы для DOS практически не развиваются и не поддерживаются своими разработчиками, вследствие чего пользователи рано или поздно начинают переходить на более современные аналоги с графическим интерфейсом.

IgPet

Программа IgPet - igneous petrology software, является прекрасным примером длительного успешного развития авторского программного обеспечения для геохимиков и петрологов. Эту программу создал профессор Рутгерского университета (Rutgers University) Нью-Джерси Майкл Карр (Carr, 2010), известный специалист в области геохимии и петрологии магматических и изверженных пород. Первоначально программа была задумана и реализована в начале 90-х годов как DOS-приложение, а начиная с 2000 г. развивается как полноценное Windows и Mac приложение с графическим интерфейсом. IgPet позволяет пользователям интерпретировать аналитические данные вещественного состава магматических и изверженных пород, в том числе данные редкоземельного и изотопного анализа, вычислять нормативные минералы по методу CIPW, рассчитывать для них различные петрохимические модули и индексы, выносить эти данные на разнообразные типовые диаграммы и графики, а так же создавать собственные графические зависимости и схемы распределения. Программа обладает собственным весьма развитым графическим пакетом, который позволяет создавать диаграммы и графики различного типа: точечные двумерные, треугольные, спайдер и REE-диаграммы, а также линейные графики с обычной и логарифмической размерностью шкал.
Статистические функции программы позволяют строить линии трендов и регрессий по различным апробированным алгоритмам.
Список доступных классификационных диаграмм весьма обширен, в него включено большинство известных петрохимических диаграмм для изверженных и магматических пород, такие как диаграммы Pearce, Irvine and Baragar, O'Hara, Walker, Grove, Baker and Eggler, Wood, Thompson, Sun and McDonough и т.п.

Результирующими файлами программы являются либо однотабличные базы данных формата .DBF (dBase), либо текстовые файлы различного формата, в том числе формата .ROC, ставшим негласным стандартом файлов данных для многих геохимических программ. Графика сохраняется в формате .WMF. Предусмотрен импорт/экспорт данных из электронных таблиц типа MS Excel посредством текстового файла с разделителями.
IgPet является коммерческой программой. Стоимость простой лицензии составляет 199$. Продажей программы занимается известный дистрибьютор геологического программного обеспечения RockWare, либо сам автор этой программы Майкл Карр.
В 1994 г. появился DOS клон этой программы под названием NewPet, разработанный Дэрилом Кларком (Clarke et al., 1994), сотрудником канадского Memorial University of Newfoundland. Кларк сам отмечает в справочном мануале своей программы, что она происходит от одной из ранних DOS-версий программы IgPet Майкла Карра, поэтому файлы данных NewPet тоже имеют расширение .ROC. Обладая сходными функциями, но при этом более низкой ценой (20$) и статусом условно-бесплатной (shareware) программы, NewPet была весьма популярна в конце 90-х годов. Однако дальнейшего развития эта программа не получила и в настоящее время автором не поддерживается и не распространяется, хотя ссылки на дистрибутив программы встречаются в Интернете довольно часто.
При всех своих несомненных достоинствах программа IgPet и ее производные ориентирована, прежде всего, на работу с аналитическими данными в первую очередь изверженных и магматических пород. Использовать ее для работы с метаморфически измененными породами уже гораздо сложнее, не говоря уже про работу с осадочными породами. Расчеты минералов в данной программе тоже реализованы, возможна даже классификация по составу некоторых минеральных групп, например, полевых шпатов и пироксенов, однако эти функции явно вторичны и поэтому не особо развиты. Тем не менее, в настоящее время IgPet является одной из самых популярных петрохимических программ.

MinPet

MinPet - Mineralogical and Petrological data processing system - геохимическая программа, созданная в 1995 г. сотрудником канадской геологической службы Линдой Ричард (Richard, 1995) как полноценное Windows приложение. Код программы был написан на языке Visual Basic, что и обусловило разработку удобного, интуитивно понятного и полнофункционального графического интерфейса. На тот момент среди геохимических программ ничего подобного не существовало. Финальная версия MinPet, до сих пор доступная в сети Интернет, имеет номер 2.02. Известно, что существовали более ранние DOS версии данного приложения, однако широкого распространения они не получили.
Эту программу отличает помимо интерфейса тщательно разработанные алгоритмы расчета коэффициентов кристаллохимических формул минералов. Именно минералогическая часть является наиболее сильной стороной этой программы. Минералы группируются в 23 минеральные группы, для каждой группы предлагается несколько методов расчета - на заданное количество анионов(O+F+Cl, с учетом наличия гидроксильных OH групп), на заданное количество катионов, с возможностью редактирования списка катионов и т.д. Коэффициенты рассчитываются с учетом позиций элементов в формуле минерала. Составы минералов могут быть вынесены на классификационные диаграммы семи минеральных групп: амфиболов, биотитов, хлоритов, полевых шпатов, оливинов, платиноидов и пироксенов. Для нескольких минеральных групп - амфиболов, хлоритов, платиноидов и пироксенов доступно несколько классификационных диаграмм, которые могут быть выбраны из списка.
Петрохимическая часть программы тоже весьма представительна. Из расчетных методов здесь присутствует только расчет 25 нормативных минералов по методу CIPW. Но составы пород можно выносить на 40 дискриминационных диаграмм, которые разделены на 4 группы: базальты (17 диаграмм), граниты (11 диаграмм), ультрамафиты (8 диаграмм) и классификационные диаграммы для пород (4 диаграммы). Для метаморфитов и осадочных пород диаграммы отсутствуют. Весьма полезными являются REE и спайдер-диаграммы с помощью которых можно нормировать редкоземельный и изотопный состав пород по различным реперным эталонам - углистым хондритам, мантийным составам, различным коровым составам и т.п., вплоть до морской и речной воды.
Кроме всего этого с помощью графического пакета программы пользователь может на основе аналитических данных создавать произвольные двумерные и треугольные диаграммы, а также гистограммы, круговые диаграммы и т.п. Вся графика может быть выведена из программы на принтер, либо сохранена в формате .WMF.
Выходными файлами, т.е. фалами для хранения аналитических данных и результатов расчетов являются файлы формата .DBF, которые по своей сути являются однотабличными базами данных dBase. Поэтому один файл данных MinPet может содержать огромное количество анализов, при этом пользователь сам может редактировать структуру файлов данных и определять, какие именно данные будут сохраняться в этом файле. По этой же причине MinPet напрямую может работать с файлами dBase, созданных другими программными средствами, открывать их и импортировать данные. Другой способ импорта и экспорта данных заключается в использовании текстовых файлов с разделителями формата .CSV.
Вообще MinPet оставляет впечатление добротного, профессионально сделанного продукта, в первую очередь по уровню программирования. Удобный, хорошо продуманный интерфейс, впечатляющая функциональность, объемный графический пакет, стабильность и надежность работы - все это и сейчас выглядит очень солидно. Может быть поэтому у MinPet столь высокая цена - 1000-1200 $ CAN. Дистрибьютором программы являлась канадская фирма MinPet Geological Software, однако в настоящее время продажа программы не осуществляется, новых версий нет, также ничего не известно о поддержке автором программы данного проекта.

Petrograph

Программа Petrograph была создана в 2005 г. сотрудником университета г. Перуджа (University of Perugia) Маурицио Петрелли (Petrelli et al., 2005). Она написана на MS Visual Basic v.6.0 и поэтому хорошо совместима с любыми современными Windows ОС. Последняя на сегодняшний день версия программы датируется 2007 г., имеет номер 2 (beta) и отличается от предыдущих версий наличием инсталлятора.
Программа предназначена для работы с петрохимическими данными анализов изверженных и магматических пород. Составы пород могут выноситься на различные типы дискриминационных диаграмм - классификационные и "петро-тектонические", двумерные и треугольные. Всего в программе используется 19 дискриминационных диаграмм для вулканических и интрузивных пород.
Кроме того, используются REE-диаграммы для нормализации редкоземельного состава пород относительно 17 реперных эталонов, либо относительно произвольных эталонов, определенных пользователем.
Вся графика может быть сохранена в виде файлов формата .WMF.
В программе так же предусмотрена возможность рассчитывать модели кристаллизации расплавов по изотопному составу по методу Лангмюра и Де Паоло.
Выходными файлами программы являются текстовые файлы собственного формата .PEG. Импорт данных возможен из электронных таблиц Excel и файлов данных программы IgPet формата .ROC.
Главное достоинство программы кроме современного графического интерфейса в том, что она бесплатная и доступна для свободного скачивания с сайта автора.

GCDkit

GeoChemical Data ToolKit, или сокращенно GCDkit, представляет собой систему для обработки и расчетов анализов вулканических пород. Эта программа написана на языке R, предназначенного для статистических вычислений и их графического отображения, поэтому для установки и использования этой программы предварительно необходимо установить интерпретатор языка R.
Авторами программы являются сотрудники чешской геологической службы Войтек Янушек и Войтек Эрбан, а также сотрудник университета Глазго Колин Фэрроу (Janousek, Farrow, Erban, 2006). Последняя версия программы имеет номер 2.3 и датируется 2008 г.
Основные функции и свойства программы:

  • Стандартные геохимические вычисления, основанные на данных химического состава пород, в том числе редкоземельного и изотопного.
  • Эффективное управление данными, их поиск и сортировка.
  • Отображение аналитических и расчетных данных на различных типах дискриминационных диаграмм (двумерных, треугольных и спайдер-диаграммах).
  • Подготовка графического аналитического материала для публикации
  • Модульная компоновка, позволяющая пользователям легко расширять функциональность программы и модифицировать ее согласно решаемым задачам.
  • Бесплатность и открытость приложения благодаря использованию программного обеспечения с исходным открытым кодом.

Программа управляется системой меню, левая часть которого относится к функциям интерпретатора языка R а правая часть непосредственно управляет функциями и опциями GCDkit.
Расчетные методы GCDkit представлены различными нормализациями: CIPW в редакции Хатчинсона, катанормы Ниггли и мезонормы для гранитоидов, вычислениями большого набора петрохимичеких модулей и индексов, необходимых для дискриминационных диаграмм и т.п.
В графический пакет входит 35 дискриминационных диаграмм, разделенных на две группы: классификационные диаграммы и геотектонические диаграммы. Классификационные диаграммы в свою очередь разделены на три подгруппы - общие, диаграммы для вулканических и диаграммы для интрузивных пород. Геотектонические диаграммы разделены на две подгруппы - базальтоиды и гранитоиды.
Так же доступны различные спайдер и REE диаграммы, нормирующие редкоземельный и изотопный состав пород по 17 реперным эталонам.
С помощью графического пакета пользователь самостоятельно может строить различные графические зависимости в виде двумерных, треугольных, трехмерных и пузырьковых диаграмм.
Графику можно сохранить в виде метафайла формата .EMF, либо в виде файла PostScript формата .PS, либо в формате .PDF, либо скопировать в виде метафайла или растрового изображения в буфер обмена.
GCDkit может импортировать данные из файлов разных форматов. В первую очередь из однотабличных файлов баз данных dBase (которые используют такие программы как IgPet и MinPet, а также некоторые популярные аналитические базы данных типа NAVDAT) и MS Access. Данные также можно импортировать из электронных таблиц MS Excel. Кроме того, можно импортировать данные из текстовых файлов специальных форматов, таких как .ROC (IgPet, NewPet), .PEG (Petrograph), файлов с разделителями .CSV и других структурированных текстовых файлов.
Свои данные программа сохраняет в структурированных текстовых файлах формата .DATA, но, кроме того, данные могут быть экспортированы в формат HTML, в электронные таблицы MS Excel и однотабличные базы данных dBase и MS Access.
Как видно из приведенного описания, GCDkit предоставляет своим пользователям весьма обширный набор инструментов, но для того, чтобы внедрять в программу собственные алгоритмы расчета и создавать собственные подключаемые программные модули, необходимо овладеть навыками программирования на языке R.
GCDkit распространяется абсолютно свободно и бесплатно, последнюю версию программы и соответствующую ей версию интерпретатора языка R вместе с обширной документацией в формате .PDF можно скачать на сайте программы.
Следует отметить, что, по-видимому, благодаря своей доступности и бесплатности в сочетании с богатством предоставляемых функций и хорошей совместимостью с другим программным обеспечением, программа GCDkit пользуется заметной популярностью по сравнению с аналогичными программами. Так по данным известного web-каталога программного обеспечения Software Informer индекс популярности GCDkit равен 52, в то время как у программ IgPet и Petrograph этот индекс равен 17, а такая добротная программа как MinPet вообще не попала в каталог. Результаты поисковых запросов в Google Академии распределились таким образом: MinPet - 155 ссылок, GCDkit - 118, IgPet - 91, Petrograph - 64.

WinRock

Известный австралийский разработчик геологического программного обеспечения MinServ (Mineral Services) предлагает свой вариант петрохимического процессора под названием WinRock (Kanen, 2004). Эта программа имеет стандартный многооконный Windows-интерфейс, обладает собственным графическим пакетом и имеет встроенные электронные таблицы для ввода и расчета данных.
Программа работает только с химическими анализами пород, при этом, в отличие от других программ этого типа, способна обрабатывать аналитические данные не только вулканических и магматических, но также и метаморфических и осадочных пород. Для классификации и диагностики пород по химическому составу WinRock использует 27 различных классификационных диаграмм, как двумерных, так и треугольных. Кроме этого возможно построение спайдер-диаграмм для нормализации редкоземельного состава пород по 11 реперным эталонам. Помимо диаграмм программа предоставляет еще 10 классификационных таблиц для различных типов пород - от ультрамафитов до конгломератов и метеоритов.
Из расчетных методов в WinRock присутствует расчет составов пород на нормативные минералы по методу CIPW, пересчет на нормативные минералы составы щелочно-карбонатных пород по методике Le Bas (1973), а также расчет наиболее часто определяемых петрохимических соотношений, модулей и индексов.
Программа сохраняет данные в виде excel-таблиц, а также в виде текстовых файлов с разделителями. Импорт данных в программу возможен из структурированных текстовых файлов с различными разделителями, а также из электронных таблиц MS Excel.
Графические данные программа сохраняет в графических файлах различного формата: .BMP, .JPG, .PDF и т.п.
Отличительной особенностью WinRock является способность программы напрямую работать с различными справочными базами данных, в первую очередь - от того же производителя MinServ. С помощью SQL запросов можно производить поиск в этих базах по заданным параметрам, формировать различные выборки и использовать найденные данные в расчетах. Менеджер баз данных дает возможность организовать вывод данных из баз различного формата. WinRock является коммерческой программой. Ее цена составляет 499 AU$, а в комплекте с минеральной справочной базой данных Geolbases - 599 AU$. Продажей программы занимается сетевой дистрибьютор Geologynet на своем web-сайте.

Программы, основанные на MS Excel

Табличный процессор MS Excel хорошо известен своими возможностями обрабатывать большие массивы данных по алгоритмам, определяемых пользователем. С помощью программных макросов, написанных на языке MS Visual Basic for Applications (VBA) эти функциональные возможности могут быть значительно расширены. Удобный и гибкий пакет деловой графики дополняет способность MS Excel являться основой для разнообразных программных средств для обработки массивов аналитических данных.
Excel-таблицы для расчета коэффициентов кристаллохимических формул минералов различных минералогических групп известны давно. Они пришли на смену простеньким DOS-программкам и благодаря Интернету получили широкое распространение. В качестве примера можно отметить такие разработки, как FORMULA - расчет коэффициентов кристаллохимических формул минералов кислородным методом, PX-NOM Роберта Штурма (Sturm, 2002) - электронная таблица для расчета кристаллохимических формул пироксенов, определение их номенклатуры, а также вычисление термобарометрических параметров их образования с помощью жадеит-кварцевого геобарометра и пироксен-гранатовых геотермометров. Кроме того, можно упомянуть электронную таблицу GTcalc (Locock, 2008), позволяющую рассчитать составы гранатов на 29 миналов (15 основных и еще 14 гипотетических) и т.п. Из отечественных разработок можно отметить электронную таблицу Make Mineral, созданную в 2004 г. сотрудником ИГЕМ РАН С.C. Абрамовым, с помощью которой можно рассчитать коэффициенты кристаллохимических формул амфиболов, биотитов, клинопироксенов, апатитов, хлоритов, гранатов и магнетитов, а также определить термобарометрические условия образования минеральных парагенезисов с помощью амфибол-гранатового геотермометра и клинопироксен-плагиоклаз-кварцевого геобарометра. Весьма интересным и хорошо разработанным инструментом для работы с массивами аналитических данных минералов является программа немецкого исследователя Андреаса Бранделика CalcMin (Brandelik, 2009). Хоть она и создана на основе MS Excel, но благодаря использованию программных VBA-макросов, программа имеет собственный графический интерфейс и собственный формат дата-файлов .CMI. Естественно, что программа позволяет импортировать данные из других excel-таблиц, а также из файлов данных микрозонда Cameca SX.


В зависимости от вида минерала и его принадлежности к определенной группе программа предлагает в общей сложности 24 метода расчета коэффициентов кристаллохимической формулы минерала и его минальных компонентов. Кроме того, для тех, кто владеет методами программирования на VBA, предлагается возможность ввести в программу собственные алгоритмы расчета минералов с помощью предустановленных шаблонов. Результаты расчета аналитических данных минералов в виде файлов формата .CMP могут использоваться в качестве входных данных для другой excel-программы этого же автора - PTGIBBS, предназначенной для расчета термобарометрических параметров образования минеральных парагенезисов (Brandelik & Massonne, 2004).
Обзор собственно петрохимических excel-программ будет уместно начать с программы американских авторов PetroPlot (Su, Langmuir & Asimow, 2003), позволяющей пользователю выносить аналитические данные вещественного состава горных пород на произвольные двумерные диаграммы, а также строить REE-диаграммы для нормализации редкоземельного состава пород относительно различных реперных эталонов. Программа управляется собственным пунктом меню MS Excel, появляющегося после интеграции в Excel надстройки программы. Алгоритмы расчетов и построения диаграмм выполнены в виде VBA-макросов.
Эта программа получила свое развитие усилиями китайских разработчиков, создавших сначала GeoPlot (Zhou & Li, 2006), а затем GCDPlot (Wang, Ma, et al., 2008). Компоновка программы осталась той же, однако за счет увеличения числа VBA-макросов, программа приобрела возможность выносить аналитические и расчетные данные на большое количество типовых дискриминационных диаграмм, как двумерных, так и треугольных. Кроме того, пользователь получил возможность самостоятельно создавать собственные дискриминационные диаграммы, данные о которых сохраняются в INI-файлах.
Как правило, все excel-программы обладают открытым кодом, легко подвергаются модификации в соответствии с требованиями пользователя и распространяются свободно и бесплатно.
К их недостаткам можно отнести некоторую капризность в настройке, зависимость от региональных стандартов и установленной версии MS Excel.

 

Перспективы дальнейшего развития петрохимического программного обеспечения.

Как видно из приведенного обзора, за 22 года петрохимическое программное обеспечение заметно эволюционировало, превратившись из простых арифметических утилит в серьезные приложения с современным многооконным интерфейсом, развитым графическим пакетом и функциями базы данных, позволяющих относительно просто создавать и обрабатывать большие информационные массивы аналитических данных, относящихся к тем или иным геологическим объектам. Однако, как верно заметил автор программы IgPet Майкл Карр: "главная опасность этого программного обеспечения - непринужденность, с которой неверные и незрелые выводы могут быть подкреплены большим количеством красивых диаграмм. Что эти программы могут делать наиболее легко и просто - так это подтверждать неверные гипотезы!" (Carr, 2010). Так что применение современного петрохимического программного обеспечения не страхует от концептуальных ошибок, а иногда и провоцирует их возникновение. И об этом следует помнить.
Кроме того, следует заметить, что большинство мощных и функциональных программ, таких, как IgPet, GCDkit, MinPet, достаточно узко ориентированы в своем применении на решение задач в области изучения вулканических и магматических пород. Что касается изучения метаморфических пород и, тем более, осадочных пород, то здесь применение этих программ ограничивается только самыми общими функциями, такими, как расчет кристаллохимических формул минералов и нормирование редкоземельного состава пород по реперным эталонам, поскольку дискриминационные диаграммы и специфические расчеты петрохимических индексов для этого типа породных ассоциаций отсутствуют. Более-менее полнофункциональной в этом смысле программой является коммерческая WinRock, но и там большая часть диаграмм относится к вулканическим и магматическим породам. Между тем для изучения метаморфических и осадочных комплексов существует довольно много оригинальных методик обработки аналитических данных, так же, как и различных дискриминационных диаграмм. Видимо причина отсутствия этих методик в авторском петрохимическом программном обеспечении состоит в том, что его разработчики по роду своей геологической деятельности занимались в основном вулканическими и магматическими комплексами и при создании программного обеспечения руководствовались в первую очередь своими насущными потребностями. Кроме того, следует признать, что петрохимические зависимости от вещественного состава изверженных и интрузивных пород лучше всего теоретически обоснованы и хорошо подвергаются экспериментальной и полевой проверке. Тем не менее, задача расширить спектр применения петрохимических программ, включив в него методы анализа вещественного состава метаморфических и осадочных пород, является сегодня весьма актуальной.
Результаты пересчетов аналитических данных вещественного состава пород и минералов, их слагающих часто служат исходными данными для расчета термобарометрических параметров возникновения равновесных минеральных парагенезисов и различных петрологических моделей. Для этого также используется специализированное программное обеспечение, самыми известными представителями которого являются программы ThermoCalc, TWQ, Theriak-Domino и т.п. Естественно, что совмещение в едином программном пакете петрохимических и петрологических функций является весьма перспективной идеей. Попытки такого совмещения функций наблюдаются в виде использования выходных файлов петрохимических программ в качестве входных файлов данных для петрологических программ. Примером могут служить программы CalcMin и PTGIBBS Андреаса Бранделика. В других программах для этого предлагаются функции расчета различных геотермометров и геобарометров. Сложность заключается в том, что для достоверности этих расчетов необходимо получение аналитических данных из реально существующих в природе минеральных парагенезисов, грубо говоря - из одного образца, в то время как в петрохимических базах часто используются данные, полученные из разных источников, которые лишь географически и описательно принадлежат одному и тому же объекту. Тем не менее, введение петрологических функций в петрохимические программы является одним из перспективных направлений развития этого типа программного обеспечения.
С развитием приборной базы, с появлением новых методов вещественного анализа, таких как спектрометрические, изотопные и т.п. методы и связанной с этим разработкой оригинальных методик расчетов полученных данных появляется необходимость учитывать и использовать результаты этих видов анализов в петрохимических исследованиях. В соответствии с этим должно развиваться и программное обеспечение. Кроме того, в связи с бурным развитием геоинформатики весьма перспективным было бы внедрение в петрохимические пакеты различных ГИС функций. К сожалению, в области чисто научного программного обеспечения не существует специализированных девелоперских фирм и компаний, наподобие компании Шлюмберже в нефтегазовой сфере, способных разрабатывать мощные программные продукты. Поэтому приходится констатировать, что разработка научных приложений является уделом энтузиастов одиночек, которые с помощью программирования стремятся облегчить свой труд по обработке больших массивов информации. Тем не менее, иногда у них получаются весьма эффективные инструменты, которыми необходимо уметь пользоваться.
Кроме того хочется сказать несколько слов об отечественных разработках петрохимического программного обеспечения. Следует признать, что успехи в этой области в России весьма скромные, даже на фоне общемировых тенденций. И это тем более удивительно, что российской геологической наукой накоплен большой объем различных петрохимических методик, а российская геохимическая школа всегда считалась одной из ведущих в мире. Предпринятые в 80-х годах прошлого столетия силами вычислительных центров некоторых институтов и геологических служб СССР попытки создания автоматизированных систем обработки геохимических данных на базе ЭВМ (Ефремова, Стафеев, 1985) дальнейшего развития не получили, несмотря на бурное развитие вычислительной техники и средств программирования. В связи с этим отечественные методики петрохимических расчетов и отечественные оригинальные дискриминационные диаграммы остались малоизвестными и редко применяются на практике. Между тем программное обеспечение одно из эффективных современных видов популяризации и продвижения различных научных идей и повышения научного авторитета. Остается только сожалеть, что российское научное сообщество уделяет так мало внимания этому весьма важному аспекту научно-практической деятельности.

PetroExplorer

С учетом всех приведенных выше соображений автором данной статьи была предпринята попытка создания геохимического процессора, получившего название PetroExplorer (Е.В. Кориневский, 2010). Программа существует и развивается уже более 5 лет. Первоначально возникшая, как простая Excel-таблица, в настоящее время она преобразована в полноценное многооконное Windows-приложение, сопряженное с базой данных, обладающее собственным графическим пакетом и возможностью генерировать и загружать графические файлы в формате .JPG.
По существу программа является управляющим модулем для баз данных MS Access. Программный движок был написан на Visual Basic.NET-2005 (Visual Basic v.8.0), чем была достигнута полная совместимость программы с последними на то время версиями NT-операционных систем Microsoft Windows (Win XP, Win Server 2003, 2005, Win Vista), а также получена возможность использовать функции MS NET Framework v.2.0 и выше.
Основными функциями программы являются возможность хранить в базе данных и рассчитывать химические анализы минералов пяти породообразующих минеральных групп - гранатов, амфиболов, пироксенов, полевых шпатов и слюд, химические анализы горных пород, а также анализы других минералов, которые можно рассчитывать на заданное количество атомов кислорода. На основе химических анализов минералов рассчитываются их кристаллохимические формулы и производится химическая классификация. Химические анализы пород рассчитываются на нормативные минералы по методу CIPW и, кроме того, одновременно вычисляются различные петро- и литохимические модули. Результаты расчетов каждого анализа также сохраняются в базе данных. Основным базовым объектом является образец горной породы, который отбирается в процессе полевых исследований и который служит источником аналитических проб, взятых на различные виды анализов. Таким образом, из одного образца могут быть получены десятки и даже сотни наборов аналитических данных под различными кодовыми номерами. Привязка всех этих наборов данных к одному образцу, из которого они были получены, делает процесс систематизации данных более осмысленным и логичным. Химические составы пород и минералов, а также рассчитанные на основе результатов химических анализов миналы и параметры могут выносится на различные треугольные и двумерные диаграммы, как стандартные, так и определяемые самим пользователем. Кроме того, программа позволяет рассчитывать термодинамические параметры (температуру и давление условий образования) различных минеральных парагенезисов.
PetroExplorer можно использовать на всех этапах обработки аналитических данных - от этапа составления кадастра образцов по данным дневниковых записей или по журналу образцов до этапа подготовки аналитических данных к публикации.
Для расчета формульных коэффициентов и классификации минералов в программе используются алгоритмы, одобренные Комиссией по новым минералам и названиям минералов Международной минералогической ассоциации (КНМНМ ММА).
Для пересчетов химических анализов пород используются метод CIPW нормативного пересчета составов пород, а также другие оригинальные методики, изложенные в литературных источниках и Интернет-публикациях.
Для расчета термодинамических параметров использованы алгоритмы, применяющиеся в термодинамических программах TPF и GeoPath Института экспериментальной минералогии РАН, а также опубликованные за последние 10 лет в различных литературных источниках.
Программа разрабатывается в Институте минералогии УрО РАН, как методологическое и инструментальное дополнение к многолетним исследованиям автора геологии и вещественного состава Ильменогорского метаморфического комплекса.
Программа распространяется свободно и бесплатно на принципах Универсальной общественной лицензии GNU GPL. Последнюю версию программы, имеющую номер 2.4 можно загрузить с данного сайта поддержки.
По сравнению с зарубежными аналогами PetroExplorer пока обладает довольно скромными возможностям, список доступных дискриминационных диаграмм невелик, но зато предлагаются диаграммы не только для магматических и вулканических, но и для метаморфических (диаграмма Маракушева) и осадочных (диаграмма Коссовской-Тучковой для песчаников) пород. В ближайших планах автора - существенное увеличение списка дискриминационных диаграмм, внедрение функции построения REE-диаграмм нормализации редкоземельного состава пород по эталонным реперам, увеличение числа термобарометрических сенсоров, добавление новых методов расчета формул минералов и т.д. При этом основной упор предполагается делать на отечественные методики.
Интерфейс программы - русскоязычный, планируется перевод на английский язык.

Петрохимические программы являются современным и весьма эффективным инструментом для геологов, с помощью которого они получают возможность достаточно быстро создавать информационно-аналитические массивы, являющиеся основой любых геологический исследований. Их основные функции позволяют значительно упростить и ускорить решение следующих задач:

  • Хранение, сортировка и классификация аналитических данных горных пород и минералов
  • Расчет геохимических коэффициентов, модулей, миналов и других вычисляемых параметров на основе аналитических данных
  • Вывод фигуративных точек вещественного состава горных пород и минералов на различные дискриминационнные и классификационные диаграммы
  • Статистический анализ информационно-аналитических массивов
  • Подготовка данных для публикации и другого геологического программного обеспечения

Важной особенностью подобного программного обеспечения является тот факт, что оно, как правило, создается и развивается не обычными программистами, а специалистами в области наук о Земле, что обеспечивает грамотный подход к решаемым задачам и их актуальность. Поэтому умение пользоваться таким программным обеспечением и участие в его развитии и совершенствовании может служить свидетельством высокой квалификации современных исследователей.
Тем не менее, следует помнить и о том, что никакой, даже самый совершенный и высокотехнологичный инструментарий не подменяет собой необходимость творческого осмысления полученных данных и формулирование итоговых выводов. Эта функция, как и во все времена, остается исключительной прерогативой самого исследователя.

Список литературы
  1. Ефремова С. В., Стафеев К. Г. (1985). Петрохимические методы исследования горных пород: Справочное пособие. М.: Недра, 1985. 511 с.
  2. Кориневский Е.В. (2010). PetroExplorer - новая компьютерная программа для хранения и расчета химических анализов минералов и горных пород // Тезисы докладов VI Международной школы по наукам о Земле им. Л.Л. Перчука. Одесса, 2010. С. 63-66.
  3. Перетяжко И.С. (1996). CRYSTAL - прикладное программное обеспечение для минералогов, петрологов, геохимиков // Записки ВМО, 1996, N3. С.140-148.
  4. Afifi A.M. and Essene E.J.(1988). MINFILE; a microcomputer program for storage and manipulation of chemical data on minerals // American Mineralogist; April 1988; v. 73; no. 3-4; p. 446-448
  5. Brandelik A. (2009). CALCMIN - an EXCEL™ Visual Basic application for calculating mineral structural formulae from electron microprobe analyses // Computers & Geosciences, Volume 35, Issue 7, July 2009, Pages 1540-1551
  6. Brandelik A., Massonne H.-J. (2004). PTGIBBS - an EXCEL™ Visual Basic program for computing and visualizing thermodynamic functions and equilibria of rock-forming minerals // Computers & Geosciences, Volume 30, Issues 9-10, November-December 2004, Pages 909-923
  7. Carr M.J. (2010). Igpet for Windows. Terra Softa Inc., Somerset, NJ, USA
  8. Clarke D., Mengel F., Coish R.A., Kosinowski M.H. (1994). NewPet for DOS, version 94.01.07. St. John's: Department of Earth Sciences, Memorial University of Newfoundland.
  9. Janousek V., Farrow C. M. & Erban V. (2006). Interpretation of whole-rock geochemical data in igneous geochemistry: introducing Geochemical Data Toolkit (GCDkit) // Journal of Petrology 47(6), pp. 1255-1259
  10. Kanen R. (2004). WinRock. User manual. Mineral Servises, Australia, 68 p.
  11. Locock A. J. (2008) An Excel spreadsheet to recast analyses of garnet into end-member components, and a synopsis of the crystal chemistry of natural silicate garnets // Computers & Geosciences, v. 34, no. 12, pp. 1769-1780.
  12. Petrelli M., Poli G., Perugini D., Peccerillo A. (2005). Petrograph: a New Software to Visualize, Model, and Present Geochemical Data in Igneous Petrology, Geochem. Geophys. Geosyst., Vol. 6, 26 July 2005, pp. 1-15.
  13. Richard L.R. 1995. MinPet: Mineralogical and petrological data processing system, version 2.02. MinPet Geological Software, Quebec, Canada.
  14. Sturm R. (2002). PX-NOM - an interactive spreadsheet program for the computation of pyroxene analyses derived from the electron microprobe // Computers & Geosciences, Volume 28, Issue 4, May 2002, Pages 473-483
  15. Su Y., Langmuir C. H., Asimow P. D. (2003). PetroPlot: A plotting and data management tool set for Microsoft Excel. Geochemistry Geophysics and Geosystems 4, no. 3: 1030.
  16. Wang X., Ma W., Gao S., Ke L. (2008). GCDPlot: An extensible microsoft excel VBA program for geochemical discrimination diagrams Computers & Geosciences Volume 34, Issue 12, December 2008, Pages 1964-1969
  17. Waters D.J. (1992). MinCalc: a program for recalculating and tabulating mineral data. Notes for version 3.1.
  18. Zhou J., Li X. (2006). GeoPlot: An Excel VBA program for geochemical data plotting // Computers & Geosciences, Vol. 32, Issue 4, May 2006, Pages 554-560.

Библиографическая ссылка на эту статью: Кориневский Е.В. Компьютерный инструментарий геолога. Петрохимические программы // Материалы VI Всероссийского совещания "Минералогия Урала - 2011". Сборник научных статей. Миасс-Екатеринбург: УрО РАН, 2011. С. 215-220.