第三讲矿物地质温压计

1、第三讲第三讲 矿物地质温度压力计矿物地质温度压力计(Mineral Geothermobarometry) 成岩成矿矿物学成岩成矿矿物学什么是地质温压计？什么是地质温压计？ 用来计算或确定地质过程发生时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的温度和压力条件的方法一、地质温度压力计的作用一、地质温度压力计的作用二、矿物地质温度压力计的建立二、矿物地质温度压力计的建立三、典型矿物地质温度压力计三、典型矿物地质温度压力计提提 纲纲5006007008009001000Temperature(oC)102030Pressure (kbars)变质过程的温变质过程的温度压力条件度压力条件的变

2、化构成的变化构成P T轨迹轨迹一、地质温度压力计的作用一、地质温度压力计的作用变质作用的变质作用的P-T轨迹轨迹地质温压计地质温压计 同位素分馏温度计同位素分馏温度计 流体包裹体温压计流体包裹体温压计 矿物温压计矿物温压计1000ln 石英石英-水水=3.306106T-2一一2.71 CO2H2O - NaCl确定确定P-T的矿物学方法的矿物学方法 矿物反应与矿物相变矿物反应与矿物相变 矿物组合矿物组合 矿物温度压力计矿物温度压力计矿物反应矿物反应 石英石英方解石方解石硅灰石硅灰石矿物相变矿物相变同质多像是矿物学中一个重要的现象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

3、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矿物相变可以用来指示形成条件P-T曲解上三条反曲解上三条反应线相交于一点：应线相交于一点：三相点三相点。三条反应。三条反应线上相应的两相共线上相应的两相共生。三条反应线将生。三条反应线将P-T空间分为三个空间分为三个区，每个区仅一相区，每个区仅一相稳定稳定Ai SiO 同质多像之间的相转变反应同质多像之间的相转变反应Triple point矽线石矽线石V = 49.0蓝晶石蓝晶石V = 44.09红柱石红柱石V = 51.5反应的岩石学意义：反应的岩石学意义：And、Ky、Sil是富是富Al矿物矿物Ai SiO ，它们，它们在岩石中出现说明在

4、岩石中出现说明岩石富铝（变泥质岩石富铝（变泥质岩）岩）And出现说明岩石形出现说明岩石形成于低温条件，成于低温条件，Ky出现说明高压条件，出现说明高压条件，Sil的出现则指示高的出现则指示高温条件温条件 柯石英：柯石英：P2.8GPa at T=700 oC 金刚石：金刚石： P4 GPa at T=700 oC -PbO2型型TiO2：P=4-5GPa 橄榄石中钙钛矿型橄榄石中钙钛矿型FeTiO3出溶：出溶：P=10-13GPaCoesGtQz柯石英：柯石英：P2.8GPa at T=700100 m金刚石金刚石 -PbO2型型TiO2钙钛矿型钙钛矿型FeTiO3Olivine金刚石：金刚石

5、： P4 GPa at T=700 oC -PbO2型型TiO2：P=4-5GPa 橄榄石中钙钛矿型橄榄石中钙钛矿型FeTiO3出溶：出溶：P=10-13GPa利用矿物学方法精确计算地质过程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所经历的温度和压力的方法矿物温度压力计矿物温度压力计二、地质温度压力计的建立二、地质温度压力计的建立1、矿物缩写符号、矿物缩写符号2、矿物地质温压计的类型、矿物地质温压计的类型3、矿物地质温压计的理论基础、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、矿物地质温压计的一般推导造岩矿物缩写符号造岩矿物缩写符号(Symbols for rock-fo

6、rming minerals) 为便于表达而在国际上通用的矿物符号为便于表达而在国际上通用的矿物符号目前列出了目前列出了186种矿物的缩写符号种矿物的缩写符号Kretz R. 1983. Symbols for rock-forming minerals. American Mineralogist, 68: 277-279 1、矿物缩写符号、矿物缩写符号中文名中文名英文名英文名缩写符号缩写符号石英石英QuartzQtz钠长石钠长石AlbiteAb斜长石斜长石PlagioclasePl普通辉石普通辉石AugiteAug阳起石阳起石ActinoliteAct方解石方解石CalciteCct石膏石

7、膏GypsumGp黑云母黑云母BiotiteBt白云母白云母MuscoviteMs矿物稳定同位素地质温压计：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，石英能计算出来。例如，石英钠长石矿物对的同位钠长石矿物对的同位素分馏温度计为：素分馏温度计为：1000ln Qtz-Ab=0.5 106T-2。 矿物包裹体温压计：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

8、物形成的温度以及校正压力。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、矿物温度压力计的种类矿物离子交换温压计：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利用矿物中或矿物之间离子交换性质建立起来的温压计。温压计。利用元素分配原理建立起来的温压计。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！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上组分所构成的固溶体矿物 。共生的固溶体矿物，如果是处

9、于平衡状态的话，又共生的固溶体矿物，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常常具有某一种或几种相同的元素(离子或原子离子或原子) 。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：斜长石由钠长石如：斜长石由钠长石NaAlSi3O8和钙长石和钙长石CaAl2Si2O8两种固两种固溶体组成溶体组成3、矿物温度压力计的理论基础、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、不同结构共生矿物间或同一矿物的非等效结构之间、不同结

10、构位置之间都可能存在离子或原子的交换问题，即元素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。的分配问题。元素的分配问题受热力学定律元素的分配问题受热力学定律 (Nernst定律定律) 所支配。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，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，是受温度和间的分配数量之比，是受温度和/或压力的支配。或压力的支配。 因此，根据矿物的成分特点或矿物中元素的因此，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

11、温度占位特点，反过来就可以推测矿物平衡时的温度和压力。和压力。这就是矿物温压计的基本原理。这就是矿物温压计的基本原理。 常见的平衡反应有两大类：常见的平衡反应有两大类：(1) 交换反应交换反应(2) 纯转换反应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。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交换反应通常有一个较小的 V值和适度的值和适度的 S和和 H值，因而值，因而dP/dT特别大特别

12、大(即平衡常数等值线的斜率较即平衡常数等值线的斜率较陡陡)，这些反应可用作地质温度计。，这些反应可用作地质温度计。 交换反应交换反应(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。应的平衡常数。矿物离子交换地质温压计有两种类型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数是矿物组分的摩尔分数Xi 、Xi 和分配系数和分配系数Ki - 石榴子石石榴子石黑云母

13、温压计黑云母温压计 Fe3Al2Si3O12 + KMg3AlSi3O10(OH)2 = Mg3Al2Si3O12 + KFe3AlSi3O10(OH)2 铁铝榴石铁铝榴石 金云母金云母 镁铝榴石镁铝榴石 黑云母黑云母石榴子石石榴子石多硅白云母温度计多硅白云母温度计Mg3Al2Si3O12 + 3KFeAlSi4O10(OH)2 = Fe3Al2Si3O12 + KMgAlSi4O10(OH)2 镁铝榴石镁铝榴石 多硅白云母多硅白云母 铁铝榴石铁铝榴石 多硅白云母多硅白云母应用离子交换地质温压计时，必须考虑矿物应用离子交换地质温压计时，必须考虑矿物平衡状态问题平衡状态问题（1）矿物环带结构）矿

14、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）选定矿物组合 检查矿物组合的连线的关系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）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。新的物相的产生。纯转换反应通常具有较大的纯转换反应通常具有较大的 V，则，则dP/dT特别小，特别小，因此，它们可以用作地质压力计。因此，它们可以用作地质压力计。纯转换反应

15、纯转换反应NaAlSi2O6 + SiO2 = NaAlSi3O8Jd（硬玉）（硬玉） Q AbV 60.4 27.69 100.07该反应有较平缓该反应有较平缓的正斜率，是较的正斜率，是较好的地质压力计好的地质压力计 矿物组合矿物组合Jd+QJd+Q的出现是高压的的出现是高压的标志标志石榴子石石榴子石Al2SiO5石英石英斜长石斜长石(GASP)地质压力计地质压力计Ca3Al2Si3O12 + 2Al2SiO5 + SiO2 = 3CaAl2Si2O8 石榴子石石榴子石 石英石英 斜长石斜长石石榴子石石榴子石白云母白云母斜长石斜长石黑云母地质压力计黑云母地质压力计(GMPB)(Mg,Fe)3

16、Al2Si3O12 + Ca3Al2Si3O12 + KAl3Si3O10(OH)2 镁铝榴石镁铝榴石 钙铝榴石钙铝榴石 钾长石钾长石= 3CaAl2Si2O8 + K(Mg,Fe)AlSi3O10(OH)2 钙长石钙长石 黑云母黑云母基本步骤为：基本步骤为：进行简化的模拟实验，取得矿物成分变化（即离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。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、矿物

17、温度压力计的一般推导黑云母黑云母石榴子石矿物温压计的推导石榴子石矿物温压计的推导 （1）压力恒定时的温度计推导）压力恒定时的温度计推导 （1） 实验实验(575-950 Oc, 600 Mpa)（2）成分测定，确定）成分测定，确定Kd（3）计算）计算Kd和温度之间的相关性和温度之间的相关性（4）得出黑云母）得出黑云母石榴子石温度计石榴子石温度计lnKD,Mg=(3835.1/T)-2.7695或：或：T( C)=3835.1/(lnKD,Mg+2.76950)-273 （2）压力校正）压力校正温压计推导温压计推导为适应在可变的压力范围类使用该黑云母为适应在可变的压力范围类使用该黑云母石石榴子石

18、温度计，需进行压力校正。榴子石温度计，需进行压力校正。经校正后的经校正后的lnKD与温度和压力之间的复杂关系与温度和压力之间的复杂关系表示为：表示为：该公式适用的温度范围是很宽广的，从该公式适用的温度范围是很宽广的，从575 C至至950 C均可；对矿物成分的限制比较小。均可；对矿物成分的限制比较小。 （3）成分校正）成分校正黑云母黑云母石榴子石温压计是基于纯组分而建立的。但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中可含有Ca、Mn，lnKD与温度之间的相关关系可能与温度之间的相关关系可能偏离理想状态

19、。偏离理想状态。成分校正温压计：成分校正温压计： （4）误差传递估算）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差性，必需对温压计建立过程的所有误

20、差进行定量计算。计算。 三、典型矿物地质温度压力计三、典型矿物地质温度压力计1、硫化物温压计、硫化物温压计2、氧化物温压计、氧化物温压计3、硅酸盐温压计、硅酸盐温压计4、三个特殊的温度计、三个特殊的温度计5、花岗岩常用的温压计、花岗岩常用的温压计(1) 闪锌矿闪锌矿黄铁矿黄铁矿磁黄铁矿矿物压力计磁黄铁矿矿物压力计 闪锌矿中闪锌矿中FeS的摩尔组份不仅与温度有关，而且也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，和压力具有明显的相关性，FeS的摩尔数越小，则的摩尔数越小，则压力越大。压力越大。 1、硫化物温压计、硫化物温压计(2) 闪锌矿闪锌矿方铅矿地质温度计方铅矿地质温度计 在这两

21、种矿物中可以存在一定量的硫镉矿固在这两种矿物中可以存在一定量的硫镉矿固溶体组份，并且元素溶体组份，并且元素Cd在共生的闪锌矿和方在共生的闪锌矿和方铅矿之间的分配系数是温度的函数：铅矿之间的分配系数是温度的函数： 它的应用条件为：它的应用条件为：(1) 钛铁晶石和磁铁矿构成固溶体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；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。两者平衡共存。该温度计是考虑共生钛铁矿和尖晶石之间该温度计是考虑共生钛铁矿和尖晶石之间Fe2+Mg2+交换反应：交换反应：MgTiO3 + FeAl2O4 = FeTiO3 + MgAl2O

22、4 (1) FeTi氧化物矿物温度计氧化物矿物温度计(2) 钛铁矿钛铁矿尖晶石温度计尖晶石温度计2、氧化物温压计、氧化物温压计(1) 石榴子石石榴子石 Al2SiO5石英石英斜长石压力计（斜长石压力计（GASP压压力计）力计）平衡矿物组合为：平衡矿物组合为：Ca3Al2Si3O12 + 2Al2SiO5 + SiO2 = 3CaAl2Si2O8 3、硅酸盐温压计、硅酸盐温压计(3) 石榴子石石榴子石白云母白云母斜长石斜长石黑云母地质压黑云母地质压力计力计(GMPB)Mg3Al2Si3O12 + 3KFeAlSi4O10(OH)2 = Fe3Al2Si3O12 + 3KMgAlSi4O10(OH

23、)2(2) 石榴子石石榴子石多硅白云母地质温度计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) 二长温度计二长温度计(4) 二辉温度计二辉温度计 二辉温度计的基础是两种辉石二辉温度计的基础是两种辉石斜方辉石和单斜辉斜方辉石和单斜辉石之间的石之间的MgFe2+离子交换反应：离子交换反应：Mg2Si2O6 + CaFeSi2O6 = Fe2Si2O6 + CaMgSi2O6由于由于Or在在Pl中的含量很少，中的含量很少，An组分在组分在Af中的

24、含量中的含量很少，因此可以假定很少，因此可以假定Or组分不影响组分不影响Pl相中的相中的Ab组组分，分，An组分不影响组分不影响Af相中的相中的Ab组分。因此，组分。因此， Ab组组份在钾长石和斜长石中的存在受温度控制。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铝压力计角闪石中角闪石中Al含量随压力而升高。对于由石英、钾长含量随压力而升高。对于由石英、钾长石、更长石石、更长石(An=25-35)、黑云母、角闪石、榍石和、黑云母、角闪石、榍石和Fe-Ti氧化物的花岗岩来说，角闪石中的氧化物的花岗岩来说，角闪石中的Al含量可用含量可用来作为压力计。来作为压力计。2 Quar

25、tz + 2 anorthite + biotite = orthose + tschermakP (kbar) = 4.76Al 3.01 (T(oC) 675)/85 0.530Al + 0.005294(T(oC) 675)Al = AlIV + AlVI (阳离子总量为阳离子总量为13)4、几个特殊温度计、几个特殊温度计(1) 金红石中锆含量温度计金红石中锆含量温度计(2) 锆石中钛含量温度计锆石中钛含量温度计(3) 石英中钛含量温度计石英中钛含量温度计(4) 黑云母中钛含量温度计黑云母中钛含量温度计（1）金红石中的锆含量温度计）金红石中的锆含量温度计Zirconium-in-ruti

26、le thermometry SiO2 + ZrO2 = ZrSiO4(Qtz) (Bd in Rt) (Zrn) 利用金红石中的锆含量计算利用金红石中的锆含量计算岩石形成温度岩石形成温度Zack金红石金红石Zr温度计温度计:T ( C) 127.8 ln (Zr) 10 计算得到金红石的形成温度：计算得到金红石的形成温度：685787 C 金红石中金红石中Zr含量含量频率直方图频率直方图 （2）锆石中的钛含量温度计）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）石

27、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）黑云母中的钛含量温度计TIB: Ti in biotite geothermoeterK(Fe,Mg)3(AlSi3O10(OH)2T = (ln(Ti) - a - c(XMg)3/b)0.333T is temperature in oC, Ti is the apfu normalized to 22 oxygens, XMg is Mg/(Mg+Fe)a-2.3594 b4.6482e-9 c-1.7283 姑婆山含锡黑云母花岗岩姑婆山含锡黑云母花岗岩三个侵入阶

28、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）榍石中的锆含量温度计Zirconium-in-titanite thermometryCaTiSiO5 titanite + ZrSiO4 zircon = CaZrSiO5 titanite + TiO2 rutile + SiO2 quartzT (oC) = 7708 + 960P/10.52 log(aTiO2) log(aSiO2) log(ppmZr, titanite) -273 T =

29、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湖南骑田玲花岗岩中的榍石的形成温度温度计温度计(1) 普遍适用于花岗岩研究的温度计普遍适用于花岗岩研究的温度计 二长温度计二长温度计 Fe-Ti氧化物温度计氧化物温度计5、花岗岩中常用的温压计、花岗岩中常用的温压计 角闪石角闪石斜长石温度计斜长石温度计 石榴子石石榴子石角闪石温度计角闪石温度计(2) 应用于含角闪石花岗岩的温度计应用于含角闪石花岗岩的温度计二辉温度计二辉温度计 单斜辉石单斜辉石角闪石温度计和单斜辉石角闪石温度计和单斜辉石黑云黑云母温度计母温度计 斜方辉石斜方辉石黑云母温度计黑云母温度计 辉石辉石钛铁矿温度计钛铁矿温度计(3) 应用于含辉石花岗岩的温度计应用于含辉石花岗岩的温度计 石榴子石石榴子石角闪石温度计角闪石温度计 锆石饱