第三讲矿物地质温压计

第三讲矿物地质温度压力计(MineralGeothermobarometry)成岩成矿矿物学什么是地质温压计？•用来计算或确定地质过程发生时的温度和压力条件的方法一、地质温度压力计的作用二、矿物地质温度压力计的建立三、典型矿物地质温度压力计提纲5006007008009001000Temperature(oC)102030Pressure(kbars)变质过程的温度－压力条件的变化构成P－T轨迹一、地质温度压力计的作用变质作用的P-T轨迹地质温压计•同位素分馏温度计•流体包裹体温压计•矿物温压计1000ln石英-水=3.306×106T-2一2.71CO2H2O-NaCl确定P-T的矿物学方法矿物反应与矿物相变矿物组合矿物温度－压力计矿物反应CaCO3＋SiO2＝CaSiO3＋CO2方解石石英硅灰石石英方解石硅灰石矿物相变同质多像是矿物学中一个重要的现象矿物相变是温度－压力变化的结果矿物相变可以用来指示形成条件P-T曲解上三条反应线相交于一点：三相点。三条反应线上相应的两相共生。三条反应线将P-T空间分为三个区，每个区仅一相稳定Ai2SiO5同质多像之间的相转变反应Triplepoint矽线石V=49.0蓝晶石V=44.09红柱石V=51.5反应的岩石学意义：And、Ky、Sil是富Al矿物Ai2SiO5，它们在岩石中出现说明岩石富铝（变泥质岩）And出现说明岩石形成于低温条件，Ky出现说明高压条件，Sil的出现则指示高温条件柯石英：P2.8GPaatT=700oC金刚石：P4GPaatT=700oC-PbO2型TiO2：P=4-5GPa橄榄石中钙钛矿型FeTiO3出溶：P=10-13GPaCoesGtQz柯石英：P2.8GPaatT=700100m金刚石-PbO2型TiO2钙钛矿型FeTiO3Olivine金刚石：P4GPaatT=700oC-PbO2型TiO2：P=4-5GPa橄榄石中钙钛矿型FeTiO3出溶：P=10-13GPa利用矿物学方法精确计算地质过程所经历的温度和压力的方法矿物温度压力计二、地质温度压力计的建立1、矿物缩写符号2、矿物地质温压计的类型3、矿物地质温压计的理论基础4、矿物地质温压计的一般推导造岩矿物缩写符号(Symbolsforrock-formingminerals)为便于表达而在国际上通用的矿物符号目前列出了186种矿物的缩写符号KretzR.1983.Symbolsforrock-formingminerals.AmericanMineralogist,68:277-2791、矿物缩写符号中文名英文名缩写符号石英QuartzQtz钠长石AlbiteAb斜长石PlagioclasePl普通辉石AugiteAug阳起石ActinoliteAct方解石CalciteCct石膏GypsumGp黑云母BiotiteBt白云母MuscoviteMs矿物稳定同位素地质温压计：从理论上讲，平衡矿物之间的稳定同位素分馏值是温度的函数；每一对平衡矿物的稳定同位素都能计算出来。例如，石英–钠长石矿物对的同位素分馏温度计为：1000lnQtz-Ab=0.5106T-2。矿物包裹体温压计：利用矿物中的流体、气体包裹体的均一温度、冰点等确定寄主矿物形成的温度以及校正压力。2、矿物温度压力计的种类矿物离子交换温压计：利用矿物中或矿物之间离子交换性质建立起来的温压计。利用元素分配原理建立起来的温压计。目前地质研究中普遍使用该类温压计。与固溶体概念相联系！自然界中的许多矿物，绝大部分都是由两种或两种以上组分所构成的固溶体矿物。共生的固溶体矿物，如果是处于平衡状态的话，又常常具有某一种或几种相同的元素(离子或原子)。同样的元素也可以存在于同一矿物的不同结构位置中Bt:K(Fe,Mg)3AlSi3O10(OH)2Grt:(Mg,Fe)3Al2Si3O12如：斜长石由钠长石NaAlSi3O8和钙长石CaAl2Si2O8两种固溶体组成3、矿物温度压力计的理论基础共生矿物间或同一矿物的非等效结构之间、不同结构位置之间都可能存在离子或原子的交换问题，即元素的分配问题。元素的分配问题受热力学定律(Nernst定律)所支配。假如把天然矿物看成理想溶体或近于理想溶体的话，那么某种元素在共生矿物之间或不同等效结构位置之间的分配数量之比，是受温度和/或压力的支配。因此，根据矿物的成分特点或矿物中元素的占位特点，反过来就可以推测矿物平衡时的温度和压力。这就是矿物温压计的基本原理。常见的平衡反应有两大类：(1)交换反应(2)纯转换反应在地质过程中，只导致两个物相之间或同一物相的不同结构位置之间的离子交换反应，而不会产生矿物种的变化，也不会导致矿物实际比例的变化。交换反应通常有一个较小的V值和适度的S和H值，因而dP/dT特别大(即平衡常数等值线的斜率较陡)，这些反应可用作地质温度计。交换反应(1)一种矿物中不同结构位置之间的元素分配温压计，它的关键参数是离子的占位率和离子交换反应的平衡常数。矿物离子交换地质温压计有两种类型(2)共生矿物的元素分配温压计。它利用的关键性参数是矿物组分的摩尔分数Xi、Xi和分配系数Ki-石榴子石–黑云母温压计Fe3Al2Si3O12+KMg3AlSi3O10(OH)2=Mg3Al2Si3O12+KFe3AlSi3O10(OH)2铁铝榴石金云母镁铝榴石黑云母石榴子石–多硅白云母温度计Mg3Al2Si3O12+3KFeAlSi4O10(OH)2=Fe3Al2Si3O12+KMgAlSi4O10(OH)2镁铝榴石多硅白云母铁铝榴石多硅白云母应用离子交换地质温压计时，必须考虑矿物平衡状态问题（1）矿物环带结构如果用于温年的压计算的矿物具有环带结构，必须确定它的哪一部分与岩石中其它矿物达到了平衡（2）选定矿物组合检查矿物组合的连线的关系（3）确定矿物相接触时的成分交换代表了不同物相的溶解、成核及结晶作用，即有新的物相的产生。纯转换反应通常具有较大的V，则dP/dT特别小，因此，它们可以用作地质压力计。纯转换反应NaAlSi2O6+SiO2=NaAlSi3O8Jd（硬玉）QAbV60.427.69100.07该反应有较平缓的正斜率，是较好的地质压力计矿物组合Jd+Q的出现是高压的标志石榴子石–Al2SiO5–石英–斜长石(GASP)地质压力计Ca3Al2Si3O12+2Al2SiO5+SiO2=3CaAl2Si2O8石榴子石石英斜长石石榴子石–白云母–斜长石–黑云母地质压力计(GMPB)(Mg,Fe)3Al2Si3O12+Ca3Al2Si3O12+KAl3Si3O10(OH)2镁铝榴石钙铝榴石钾长石=3CaAl2Si2O8+K(Mg,Fe)AlSi3O10(OH)2钙长石黑云母基本步骤为：进行简化的模拟实验，取得矿物成分变化（即离子交换的程度）与温度、压力的对应数据，然后进行回归统计，得到温压计的数学表达式，最后以地质实例进行检验和修正。4、矿物温度压力计的一般推导黑云母–石榴子石矿物温压计的推导（1）压力恒定时的温度计推导（1）实验(575-950Oc,600Mpa)（2）成分测定，确定Kd（3）计算Kd和温度之间的相关性（4）得出黑云母—石榴子石温度计lnKD,Mg=(3835.1/T)-2.7695或：T(C)=[3835.1/(lnKD,Mg+2.76950)]-273（2）压力校正––温压计推导为适应在可变的压力范围类使用该黑云母—石榴子石温度计，需进行压力校正。经校正后的lnKD与温度和压力之间的复杂关系表示为：该公式适用的温度范围是很宽广的，从575C至950C均可；对矿物成分的限制比较小。（3）成分校正黑云母–石榴子石温压计是基于纯组分而建立的。但实际矿物成分要比理想成分复杂得多，如石榴子石中可含有Ca、Mn，lnKD与温度之间的相关关系可能偏离理想状态。成分校正温压计：（4）误差传递估算由于建立温压计时，采用的多级计算步骤，如矿物化学成分的测定、温度的测定等，这些过程都会造成一定的误差，由此建立的温压计会在此误差基础上逐级放大。要建立准确的矿物温压计，必需要使其产生的误差尽量小。为了定量地描述温压计的误差性，必需对温压计建立过程的所有误差进行定量计算。三、典型矿物地质温度压力计1、硫化物温压计2、氧化物温压计3、硅酸盐温压计4、三个特殊的温度计5、花岗岩常用的温压计(1)闪锌矿–黄铁矿–磁黄铁矿矿物压力计闪锌矿中FeS的摩尔组份不仅与温度有关，而且也和压力具有明显的相关性，FeS的摩尔数越小，则压力越大。1、硫化物温压计(2)闪锌矿–方铅矿地质温度计在这两种矿物中可以存在一定量的硫镉矿固溶体组份，并且元素Cd在共生的闪锌矿和方铅矿之间的分配系数是温度的函数：它的应用条件为：(1)钛铁晶石和磁铁矿构成固溶体矿物，钛铁矿和赤铁矿构成另一类固溶体矿物；(2)两者平衡共存。该温度计是考虑共生钛铁矿和尖晶石之间Fe2+–Mg2+交换反应：MgTiO3+FeAl2O4=FeTiO3+MgAl2O4(1)Fe–Ti氧化物矿物温度计(2)钛铁矿–尖晶石温度计2、氧化物温压计(1)石榴子石–Al2SiO5–石英–斜长石压力计（GASP压力计）平衡矿物组合为：Ca3Al2Si3O12+2Al2SiO5+SiO2=3CaAl2Si2O83、硅酸盐温压计(3)石榴子石—白云母—斜长石—黑云母地质压力计(GMPB)Mg3Al2Si3O12+3KFeAlSi4O10(OH)2=Fe3Al2Si3O12+3KMgAlSi4O10(OH)2(2)石榴子石—多硅白云母地质温度计(Fe,Mg)3Al2Si3O12+Ca3Al2Si3O12+KAl3Si3O12(OH)2=3CaAl2Si2O8+K(Fe,Mg)AlSi3O10(OH)2(5)二长温度计(4)二辉温度计二辉温度计的基础是两种辉石––斜方辉石和单斜辉石之间的Mg–Fe2+离子交换反应：Mg2Si2O6+CaFeSi2O6=Fe2Si2O6+CaMgSi2O6由于Or在Pl中的含量很少，An组分在Af中的含量很少，因此可以假定Or组分不影响Pl相中的Ab组分，An组分不影响Af相中的Ab组分。因此，Ab组份在钾长石和斜长石中的存在受温度控制。(6)角闪石铝压力计角闪石中Al含量随压力而升高。对于由石英、钾长石、更长石(An=25-35)、黑云母、角闪石、榍石和Fe-Ti氧化物的花岗岩来说，角闪石中的Al含量可用来作为压力计。2Quartz+2anorthite+biotite=orthose+tschermakP(kbar)=4.76Al–3.01–[(T(oC)–675)/85]×[0.530Al+0.005294(T(oC)–675)]Al=AlIV+AlVI(阳离子总量为13)4、几个特殊温度计(1)金红石中锆含量温度计(2)锆石中钛含量温度计(3)石英中钛含量温度计(4)黑云母中钛含量温度计（1）金红石中的锆含量温度计Zirconium-in-rutilethermometrySiO2+ZrO2=ZrSiO4(Qtz)(BdinRt)(Zrn)利用金红石中的锆含量计算岩石形成温度Zack金红石Zr温度计:T(C)＝127.8ln(Zr)–10计算得到金红石的形成温度：685~787C金红石中Zr含量频率直方图（2）锆石中的钛含量温度计Titanium-in-zirconthermometry利用锆石中的钛含量计算岩石形成温度（3）石英中的钛含量温度计TitaniQ:Titanium-in-quartzthermometry（4）黑云母中的钛含量温度计TIB:TiinbiotitegeothermoeterK(Fe,Mg)3[(AlSi3O10](OH)2T=([ln(Ti)-a-c(XMg)3]/b)0.333TistemperatureinoC,Tiistheapfunormalizedto22oxygens,XMgisMg/(Mg+Fe)a-2.3594b4.6482e-9c-1.7283姑婆山含锡黑云母