GM5地质温压计new

Chap.5矿物地质温压计§1概述矿物温压计：利用矿物各种标型来判断地质体形成的具体温度和压力。即由矿物学特征测量矿物平衡温度和压力的数学模型。矿物地质温压计是利用矿物的特征来估测矿物平衡温度和压力的方法。它的理论基础是矿物的标型学说和热力学平衡理论。属于半定量性质为主的估测方法。矿物地质温压计是以矿物特征为基础的；其所依据的特征不同，就有不同类型的矿物温压计，一般可利用的矿物特征有：化学成分、离子的占位数量、晶格位错、气液包裹体、熔点、同质多象转变点、固熔体熔离点、晶体形态、热电性、点导率、热效应、颜色等，与之相应，就有不同类型的矿物温压计。类型：一、成分温压计（一）类质同象温压计（二）元素分配温压计（离子交换地质温压计）微量元素分配温压计常量元素分配温压计（三）稳定同位素温压计二、结构温压计（一）同质多象转变温压计（二）元素占位温压计三、形态温压计：晶体表面能计算温压计四、物理性质温压计导电率的测定、热电系数测定、差热分析直接测定、矿物分解温度测定、固熔体离熔温度测定。五、气液包体温压计六、其他：共结温度测定、矿物重结晶温度测定、标型矿物组合指示温度测定。理论基础：熵变＝－R能量变化焓变体积变化自由能变化＝RT化学位i＝i＋RTlni)ln(iiEHVGi)ln(ii0iΔS元素在共生矿物中的分配遵循Nernst分配定律：令分配系数KD＝则lnKD＝-/RT＝-(-)/RTαiμβiμβiαiχχG000∵＝-T则lnKD＝-+G000H0SRTH0TS三、符号1.：固溶体矿物中化学组分i之摩尔分数。＝≤1iχmol.mol.)(ii类质同像组分iχ2.imol.%＝100：矿物中组分i之摩尔百分数。iχ3.：占位系数：固溶体矿物的单位分子中，某种组分i在某套等效结构位置k上，所占据的数量比率。αki)(χ＝≤1数目位的分子数或离子数位上的中中)(kikf.u.f.u.αki)(χ4.：组分i在共生固溶体矿物和中的分配系数。＝DiKDiK)1()1(βiβiαiαiχχχχ＝＝)1()1(αiαiβiβiχχχχDiK1DiK5.：固溶体矿物中离子占位的平衡系数：同一固溶体矿物中不同的等效结构位置上的组分i的分配系数。＝KDiKDi][1][1)k(i)k(i)k(i)k(i22116.：同一组分i在共生固溶体矿物和中的分离系数。＝iKβiαiχχiK7.R：R＝1.9872cal·mol-1·K-1＝8.3143J·mol-1·K-18.：反应的焓效应：反应的熵效应：反应的固相容积效应0H0SV：温度T时反应的自由能改变量：压力105Pa和温度T时反应的自由能改变量：固溶体矿物中，化学组分i的过剩自由能TG0TG)(eiG：固溶体矿物中，化学组分i的活度mol.%：摩尔百分数wt%或wB%：质量百分数iaT：绝对温度（K）t：摄氏温度（℃）P：压力（105Pa）§2成分地质温压计§2.1类质同象温压计条件：矿物中某元素的类质同象代换数量取决于温度和压力时，可作为温压计使用。作为温压计的矿物常常成分简单，元素彼此成等构造代换。如闪锌矿中的Zn—Fe的代换。使用类质同象温压计要注意的问题：（1）选择矿物成分简单或类质同象代换简单的矿物。（2）当利用某元素在某矿物中代换数量作温压计时，必须介质中该元素浓度达“饱和”，可根据共生矿物判断。如闪锌矿与磁黄铁矿共生，说明闪锌矿中的Fe浓度已达到饱和。（3）矿物本身和共生矿物最好达平衡，如晶体内出现环带构造，矿物间出现交代关系则是不平衡的表现。（4）注意要有温压校正。（5）元素特别是微量元素代换作温压计时，要注意地球化学背景值。缺点：受介质中元素浓度的影响较大，造成判断温度的误差。1、闪锌矿自然界中闪锌矿中Fe2+代替Zn2+最高可达26％（重量百分比），相当于45％（分子数比）。2FeS+2S=2FeS2FeS+S=Fe1-xS进入闪锌矿中FeS的量是闪锌矿形成温度的函数。但必须介质中FeS浓度较高，闪锌矿与磁黄铁矿或与黄铁矿＋磁黄铁矿平衡共生时，这种函数关系才存在。在290－500℃范围内，闪锌矿中FeS的含量为一常数，在此范围内不能做温度计，只能在200－290℃、500－580℃范围内才可应用。在一个大气压下，硫的逸度（）形成温度及闪锌矿中FeS量之间为一函数关系：FeS％(分子数百分比)＝(1)222282)(lg34486.0lg)/5.7205()/10(38918.0lg01448.0/5.1590026995.72fSfSTTfST2fs硫逸度公式为：（2）联立方程（1）和（2）,就可以求出闪锌矿和磁黄铁矿的平衡温度与是磁黄铁矿中FeS的克分子率温度单位为K91.119981.0130.39)1/1000)(83.8503.70(lg2FeSFeSXTXfs2fsFeSX确定闪锌矿中FeS%：（1）X射线衍射：测定闪锌矿的晶胞参数a0，利用图查出FeS%。（2）根据电子探针或化学分析结果计算：Fe(wt%)/55.847(Fe原子量)/(Fe(wt%)/55.847+Zn(wt%)/65.39)例如：与黄铁矿、磁黄铁矿共生的闪锌矿的成分是Zn59.66(Wt%)，Fe7.32，S33.02。则FeS%＝(7.32/55.847)÷（(7.32/55.847)＋（59.66/65.39））是磁黄铁矿中FeS的克分子率，求法是将化学分析的重量百分比换算成Fe、S原子比，将Fe和S按1：1的比例结合成FeS，多余的S原子换算成分子数。则FeSX2S)/(2SFeSFeSXFeS2fs如果已知及闪锌矿FeS%，则在下图中可查出温度。闪锌矿地质压力计：闪锌矿中FeS的摩尔分数不仅和温度有关，而且和压力也有明显的相关性，FeS的摩尔分数越小，则压力越大。据M.N.Hutchison&S.D.Scott,1981式中压力单位是MPa。100)%)lg(1.323.42(sphFeSmolP闪锌矿中的InCdTlGaGe的含量也与温度有定量关系：温度范围℃400－450300－350200－250In(ppm)100010050温度范围℃300－400250－350100－200Ge(ppm)750170Ga(ppm)254050Tl(ppm)0.44.5102、石英中Ti地质温度计（DavidA.Wark，E.BruceWatson，2006）石英中的Si可以被Ti以类质同象的形式所代替，Ti的含量是温度的函数。有金红石出现时：地壳岩石中αTiO2一般0.5该温度计适用温度400℃，可用于火成岩和变质岩。3、一些副矿物微量元素温度计近年来，由于能够显示矿物内部复杂化学分区的成像技术和高分辨率微区原位测试技术的发展和应用，基于矿物中微量元素含量及其与温度的相关性,新发展了几个适用领域更宽的地质温度计。锆石、金红石、榍石等副矿物稳定的温压范围宽，在许多类型的岩石中广泛存在，可以用于放射性同位素定年，且微量元素ZrTi在它们中的扩散慢，因此这些副矿物是做地质温度计的较佳对象。由于锆石中的Ti含量往往较低，必须使用离子探针(SIMS)或激光剥蚀等离子体质谱(LA-ICPMS)才能准确测定，而金红石中一般含有较高的Zr，通常使用电子探针就能准确测定，因而得到了更多的应用。（1）锆石Ti温度计((E.B.Watson,D.A.Wark,J.B.Thomas,2005,2006)1）原理：锆石中的Zr可以被Ti呈类质同象替代2）实验结果表明：锆石中Ti的含量是形成温度和TiO2活度的函数。式中Ti含量的单位为ppm，可用ICP-MS测定注意：由于基性岩中Ti的含量高于长英质岩石，因此据上述Ti温度计计算结果，基性岩的温度常低于长英质岩石。除了温度和Ti的活度，SiO2的活度、压力可能会影响锆石中Ti的含量。Waston(2007)的实验表明，锆石Ti温度计对压力不敏感。log(Tizircon)=6.03-5080/T(P=1GPa)(Waston,2007)锆石中Ti地质温度计可广泛应用于岩浆岩和变质岩岩石结晶温度的计算。金红石中Zr的含量是温度的函数。式中Zr的单位为ppm金红石Zr温度计对压力有点敏感。log(Zrrut)=7.36-4470/T(P=1GPa;Waston,2007)(2)金红石中Zr温度计(Waston,2006)(3)榍石中的Zr地质温度计log(Zrsph)=11.30-9615/T（在P＝1GPa条件下）T单位为K，结晶温度低于~725°C的榍石和结晶温度低于~850°C的锆石，其成分需要用LA-ICP/MSorSIMS来测定；电子探针（EMPA）可用于测结晶温度低至约500℃的金红石。上述三个温度计中，由于Ti在锆石中的扩散最慢，因此锆石Ti温度计的封闭温度最高；金红石中Zr扩散最快，其对于的封闭温度最低；榍石中Zr的扩散介于二者之间，因此其温度计的封闭温度也介于二者之间。由于金红石中的Zr扩散相对较快，使得在一些退变质环境中，Zr部分扩散与低于600℃的温度再平衡的可能性增加。§2.2元素分配(离子交换)温压计一、原理：共生的固溶体矿物，常具有某一种或某几种相同的元素。在共生的矿物中，存在元素分配的问题。同样，在同一矿物晶体中，非等效结构位置之间可以有一种或几种相同的离子（原子），不同结构位置之间也存在离子（原子）交换的问题，即元素分配的问题。元素分配是受热力学定律所支配的。BRTHKD)/(ln为该元素在相1和相2中溶解热之差，可以根据实验求出；R为气体常数，B为积分常数，也能求出，T为温度。H原理：在一定的温度和压力下，元素在共存相（或在同一晶体不同结构位置）之间的分配系数是一常数。分配系数随温度的变化关系式为：微量元素在矿物中的浓度低，与液态的稀释溶液相似，因而趋向于理想溶液。微量元素在共存矿物相之间的分配遵循Nernst分配定律。若将天然矿物视为理想溶体或近于理想溶体，则：1）某种元素在共生矿物之间或在不同等效结构位置之间的分配数量之比，是受T&P的支配的。2）分配的数量比是温压的函数。矿物离子交换GTB的基本原理：根据矿物的成分特点或矿物中元素的占位特点，可以推测矿物平衡时的温度&压力。常量元素在共存矿物中的分配原理，与微量元素相同。但是由于常量元素浓度较大，不是理想溶液，因此平衡常数与温压的关系须通过大量的实验工作和野外工作来确定，KD值应根据复合分配系数来计算。二、元素分配温压计应用条件和注意问题：应用条件：1．共生的固溶体矿物和单种矿物必须达到平衡;2.必须要有可靠的矿物化学成分资料；必须区分Fe2+和Fe3+;3．有时需晶体结构数据;4．必须掌握矿物学和晶体化学知识要注意的问题：（1）使用的矿物对必须平衡共生；因为分配系数是在一定的温度、压力及组分浓度条件下的平衡状态求得。（2）元素的赋存状态必须是类质同象混入物，因为这样才能在矿物中均匀分布和受热力学条件的控制，不能是机械混入物或表面吸附；（3）在利用电子探针来确定微量元素含量时，要选择相互毗邻的矿物，因为相互毗邻的矿物达到平衡的机会更多；（4）在岩石中，往往多世代的矿物相互叠加，因此所选的矿物应属于同一世代。注意：所得温度为矿物达到平衡时的温度，而不是结晶时的温度。注意：天然的固熔体矿物及其组合不可能完全符合理想溶液热力学模型，而是不同程度地偏离理想模型，再加上矿物的实验研究还不过充分，因此现有的离子交换温压计估测得到的温度和压力，只能是半定量的。尽管如此，在研究矿物成因、岩石和矿石成因以及分析自然作用的演变规律时，运用这些温压计数据进行相对的分析，仍有重要的意义。二、种类1、共生矿物的元素分配GTB2、一种矿物中不同结构位置之间的元素分配GTB三、符号：1.：固溶体矿物中化学组分i之摩尔分数。＝≤1iχmol.mol.)(ii类质同像组分iχ熵变＝－R焓变自由能变