1、第三讲 矿物地质温度压力计 (Mineral Geothermobarometry),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,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=3.306106T-2一2.71,CO2,H2O - 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,CaCO3SiO2 C
2、aSiO3CO2 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,Triple point,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，S
3、il的出现则指示高温条件,柯石英：P2.8GPa at T=700 oC 金刚石： P4 GPa at T=700 oC -PbO2型TiO2：P=4-5GPa 橄榄石中钙钛矿型FeTiO3出溶：P=10-13GPa,柯石英：P2.8GPa at T=700,100m,金刚石,-PbO2型TiO2,钙钛矿型FeTiO3,Olivine,金刚石： P4 GPa at T=700 oC -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
4、、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 (Symbols for rock-forming minerals),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,Kretz R. 1983. Symbols for rock-forming minerals. American Mineralogist, 68: 277-279,1、矿物缩写符号,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：
5、1000lnQtz-Ab=0.5106T-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)3AlSi
6、3O10(OH)2 Grt: (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
7、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Fe3Al2S
8、i3O12 + 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
9、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 = NaAlSi3O8 Jd（硬玉） Q Ab V 60.4 27.69 100.07,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
10、 + 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(575-950 Oc, 600 Mpa) （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 ln
11、KD,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575C至950C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，
12、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
13、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) FeTi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 = 3CaAl2Si2O8,3、硅酸盐温压计,(3)
14、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MgFe2+离子交换反应： Mg2Si2O6 + CaFeSi2O6 = Fe2Si2O6 + CaMgSi
15、2O6,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。 2 Quartz + 2 anorthite + biotite = orthose + tschermak,P (kbar) = 4.76Al 3.01 (T(oC) 675)/85 0.530Al + 0.
16、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-rutile thermometry,SiO2 + ZrO2 = ZrSiO4 (Qtz) (Bd in Rt) (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：685787 C,金红石中Zr含量频率直方图,（2）
17、锆石中的钛含量温度计 Titanium-in-zircon thermometry,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-quartz thermometry,（4）黑云母中的钛含量温度计 TIB: Ti in biotite geothermoeter,K(Fe,Mg)3(AlSi3O10(OH)2,T = (ln(Ti) - a - c(XMg)3/b)0.333,T is temperature in oC, Ti is the apfu normalized to 22 oxygens, XMg is Mg/(Mg+F
18、e),姑婆山含锡黑云母花岗岩,三个侵入阶段 第一阶段 T = 690 oC 第二阶段 T = 675 oC 第三阶段 T = 560 oC,骑田岭含锡黑云母花岗岩,第二阶段 T = 700 oC,（5）榍石中的锆含量温度计 Zirconium-in-titanite thermometry,CaTiSiO5 titanite + ZrSiO4 zircon = CaZrSiO5 titanite + TiO2 rutile + SiO2 quartz,T (oC) = 7708 + 960P/10.52 log(aTiO2) log(aSiO2) log(ppmZr, titanite) -2
19、73, T = 721-780 (oC), T = 690-790 (oC), T 600 (oC),湖南骑田玲花岗岩中的榍石的形成温度,温度计,(1) 普遍适用于花岗岩研究的温度计, 二长温度计 Fe-Ti氧化物温度计,5、花岗岩中常用的温压计,角闪石斜长石温度计 石榴子石角闪石温度计,(2) 应用于含角闪石花岗岩的温度计,二辉温度计 单斜辉石角闪石温度计和单斜辉石黑云母温度计 斜方辉石黑云母温度计 辉石钛铁矿温度计,(3) 应用于含辉石花岗岩的温度计, 石榴子石角闪石温度计 锆石饱和温度计,T(oC)=12900/(Kd + 0.85*M + 2.95)-273 Kd=497657/Zr，
20、M=2Ca+Na+K/(Si*Al),(4) 应用于过铝质花岗岩的温度计,锆石平衡温度计的适用条件,（1）合适条件下的适当校正。温度计只适用于中性到酸性地壳岩石。 （2）锆石饱和的熔体。岩相学特征可以判别早期的饱和状态。 （3）熔体成分的合适估计。,压力计,(1) 富Fe斜方辉石橄榄石石英压力计 (2) 角闪石Al压力计 (3) 石榴子石角闪石斜长石石英压力计 (4) 石榴子石黑云母斜长石白云母压力计 (5) 多硅白云母压力计,氧和水逸度计算,辉石和橄榄石花岗岩中的H2O压力计 Phlogopite + 3Quartz = 3 Enstatite + Sanidine + H2OAnnite
21、+ 3/2 Quartz = Sanidine + Fayalite + H2O logfH2O (bar) = 7402/T(K) + 10.84 + 0.036 (Pbar 1)/T(K) + log aannite + 3/2 log aSiO2 log asan 3/2 log afa,2. 铁云母透长石磁铁矿(ASM) Annite + 3/2 O2 = Sanidine + Magnetite + H2O logfO2 (bar) = 4819 /T(K) + 6.69 fH2O 0.011 (Pbar 1) /T(K) + log aannite log asan log aMt,3. 榍石磁铁矿石英(TMQ)3 Titanite + 2 Magnetite + 3 Quartz = 3 Hedenbergite + 3 Ilmenite + O2 logfO2 (bar) = 30930 /T(K) + 14.98 +0.142 (Pbar 1) /T(K),
