变质作用的地质温度计和压力计

1、第三节 变质作用的地质温度计和压力计现代变质岩石学研究，已经不满足于定性地判定某一变质岩属于什么变质相。还要尽量去求得变质作用的具体温度和压力条件，这就要求有简便易行的地质温度计和压力计。下面介绍几种适用于不同成分的变质岩地质温度计和压力计：地质温度计和压力计的基本思路是：1）找出一个适当的平衡相组合，使之能给出相组分间的2个反应式 ；2）解出该2反应式的平衡温压条件，该2平衡的反应线在PT图上必有一交点，这是该2反应在一个岩石中达到平衡时的P-T条件，即该组合平衡的PT值。一般要求这反应式均应独立于已消失的流体之外，所以一切涉及流体的反应，不能用于地质温压计但这并不是说含水矿物不能用于温压计

2、，只是参加反应的含水矿物其（）必须保存于固相中最常用于温压计的一是交换反应，另一是净转换反应一般地说,交换反应总是Vr比较小的,所以多作为温度计用;而净转换反应则是压力计的首选对象.在图上，斜率陡的反应线，它受温度控制，所以是好的温度计；而斜率平缓的反应，则主要受控于压力，是好的压力计反应曲线的斜率受控于Clausius-Clapeyron 方程（图9）所以一个熵变大而体积变化小的反应是一个好温度计，而一个熵变小而体积变化大的反应则是好的压力计 常用的变质作用地质温压计介绍如下：1 石榴石-黑云母Fe-Mg交换温度计石榴石-黑云母温度计是最常用温度计之一，它适用于原岩成分很宽的各类岩石，且适用

3、于很宽的变质级范围.选择含有黑云母和石榴石的样品,镜下鉴定证明其结构上是处于平衡状态,最好是两者直接接触的. 磨制电子探针片进行两种矿物相邻颗粒的成分测定,根据鉴定结果中 FeO, MgO 的含量计算其摩尔分数,求出两矿物中Fe/ Mg比和它的分配系数 Kd,分配系数是某一物质(i) 溶解于两种互不混溶的液层之间的浓度比: Kd = X i B / X I A然后,即可按一定的温度计方程, 求出设定压力下的温度.关于该温度计至少已有18个版本，这里选择性介绍如下。Ferry和Spear(1978)发表了铁云母-金云母和铁铝-镁铝榴石之间Fe-Mg变换的实验数据，其所用体系的Fe/(Fe+Mg)

4、比范围可达0.9。温度计方程式：T ()=2089+9.56P(kbar)/(0.782-lnKd)-273式中Kd=(Fe/Mg)Bt/(Fe/Mg)grt。 显然,其它参与固溶体的一些组分对该温度计有一定的影响，所以Spear提出该温度计使用时注意石榴石应是低Ca和Mn的，（Ca+Mn）/(Ca+Mn+Mg+Fe) 0.2，黑云母应贫Alvi和Ti，其中（A1vi+Ti）/(A1vi+Ti+Fe+Mg)0.5Perchuk和Lavrenteva(1983)亦对黑云母-石榴石间的Fe-Mg分配作了实验，他们采用的是天然矿物作为起始材料，其Fe/(Fe+Mg)范围是0.3-0.7。Thoene

5、n(1989)针对其中热力学方程存在问题作了修正，修正后的温度计如下：T ()=3890+9.56P(kbar)/(2.868-lnKd)-273该式计算结果与Ferry和Spear对比，在500范围高了约30，700范围则又低了约60，不过经过8种方法的校验，可以认为Perchuk-lavrenteva的温度计，更能得到准确的结果。一般地说，黑云母-石榴石温度计较适用于高温绿片岩相和角闪岩相，在某些地区应用结果表明变质温度增高100-150，计算结果会有规律地偏高，对于高温角闪岩相和麻粒岩相的岩石，退变质会引起Fe-Mg的再分配，以致所得温度偏低很多，这是值得注意的。Tracy(1976)的

6、研究结果发现富含黑云母的岩石，退变质反应对于基质黑云母影响甚少,而对于石榴石边缘则影响较大。所以在富含黑云母的岩石中，宜用石榴石的核部成分来与基质黑云母作为矿物对进行计算。不过，首先要弄清楚石榴石（核部）与基质黑云母曾经处于平衡状态。2 石榴石一单斜辉石温度计多适用于较高级的基性变质岩类，如石榴角闪岩，石榴石麻粒岩，石榴石橄榄岩和榴辉岩等。Ellis和Green(1979)所提出石榴石-单斜辉石温度计最为常用，该温度计应用的关键在于正确运用实验成果，考虑Grt-Cpx反应：Prp+Hd=Alm+Di(镁铝榴石+钙铁辉石=铁铝榴石+透辉石) 1 113Mg3Al2Si3O12+CaFeSi2O6

7、13Fe3Al2Si3O12+CaMgSi2O6反应中XGrtCa 即石榴石中Ca的替代问题，他们提供的温度计是：T ()=（3030+10.86P(Kbar)+3104XGrtCa)/(LnKd+1.9034)-273式中分配系数Kd =（Fe2+/Mg）Grt/(Fe2+/Mg)Cpx最近有人研究认为Ellis和Green的温度计，当用于压力约10 kbar的麻粒岩时，温度会偏高50-150。Krogh(1988)运用实验数据提出了一个新的表达式，突显出LnKd与XGrtCa之间的曲线关系：T ()=1879+10P（kbar）-6173(XGrtCa)2+6731XGrtCa/(lnKd

8、+1.393)-273据新近实际应用结果，认为Ellis和Green的温度计对于中低温陆壳榴辉岩。所求得平衡温度偏高约50，而Krogh的温度计计算的结果较为合理。石榴石-单斜辉石温度计没有考虑单斜辉石化学成分变异所带来的影响，当XCpxJd(即单斜辉石中硬玉的组分)增大时Kd值往往降低，特别当XCpxJd0.6时，影响更大。总之,石榴石-单斜辉石 Fe- Mg交换温度计,目前看来尚不十分完善. 但对于麻粒岩,榴辉岩而言, 还是可用的,只是要经过必要的校正,这方面可参考Krogh(1988)3 二辉石地质温度计顽火辉石-透辉石熔线已有许多实验和计算资料，证明800以上透辉石熔线是很好的温度计。

9、不过天然辉石，总是有杂质的，很少是纯Di-En二元系。所以温度计主要考虑其他组分的校正问题。但对于变质超镁铁岩，其中辉石类已达透辉石-顽火辉石二元连线（Mg2Si2O6-CaMgSi2O6）所含的杂质较少。Wells (1977)利用 莫里(Mori & Green)等人的实验数据，采用二元溶液混溶模型拟合出下列方程：lnK 3.355 + 7341/T = A =2.44XopxFe经整理后可得：T = 7341/（3.355+2.44XOpxFe - lnK）式中XOpxFe =Fe2+/ (Fe2+Mg), lnK = ln(aCpx Mg2Si2O6/aOpx Mg2Si2O6 )，a

10、Cpx Mg2Si2O6 代表单斜辉石中Mg2Si2O6组分的活度，所求得的T为 K。不过，上述方法对于含富铁的辉石的麻粒岩结果差些。对于缓慢冷却的辉石，常常有出熔的条纹或叶片。 所以在电子探针分析时要小心，以便求得有意义的数据。另外三价铁的校正不当也会影响计算结果的准确性。4 二长石温度计多数长石含有3种组分：Ab,Or,An，其中Ab-An和Ab-Or是固溶体（即斜长石系列和碱性长石系列）。斜长石-碱性长石两种长石的共存蕴含许多热力学信息，多数二长温度计都是利用斜长石和碱性长石中Ab组分的分配，来标定温度（如Haselton 1983），此种方法适用于低温。第三种组分含量很低的长石是比较有

11、效的，但是在高温时第三种组分含量就高了。现今新的二长温度计均在考虑第三组分即三元溶液模式，要求考虑K在斜长石和Ca在碱性长石系列中的影响，三元法的优点在于计算出每种组分的温度从而提供有价值的平衡实验资料。较先进的二长温度计，不能用简单的热力学方程来表达，只能用电脑程序如SOLVCALC (Wen & Nekvasil 1994).SOLVCALC是一个Windows程序，含有图解和计算三元长石熔线和二长温度计等软件包，通过/instruct/sainieid /software /software_list_shtml。可以获取。二长温度计在麻粒

12、岩相的高级片麻岩中运用较为成功（Bohlen等1985），在此类岩石中富Ab斜长石从碱性长石出溶，富钾碱性长石从斜长石中出溶现象都很普遍。重要的是出溶颗粒应重新计算以求得原来长石的成分（分析细节见Bohlen 1985）。二长温度计在角闪岩相和绿片岩相岩石中应用并不很成功，常常得到不合理的低温度值，显然这是因峰期变质过后有流体相的碱质变换所引起的。5 方解石-白云石温度计在CaCO3-CaMg(CO3)2 体系中有一个混溶间隔（图95），在此区内是白云石方解石2相共存，但其中方解石的Mg含量因温度T而改变。因而可以用作温度计。曲线的不对称性说明其测定相当精确，而且压力对温度的估算影响很小，然而

13、多数碳酸盐矿物是含FeCO3,MnCO3等附加组分的，Powell等（1984）曾对FeCO3对方解石-白云石温度计的影响作过评估。图95 方解石-白云石T-X图表示混溶间隔与温度的关系（来源？）成分变量Mgca-1,方解石端员为O，白云石端员为1，方解石中的Mg含量是温度的函数将方解石-白云石温度计用于变质岩时应注意退变质的影响，镁质方解石出溶了白云石，在电子探针测定中，必须重新计算整合。有时原先有较高Mg含量的方解石，会因扩散而变低甚至消失，使高级大理岩只有300400。所以方解石-白云石温度计对于低级造山变质和接触变质更为适用。最近Ferry(2001)证实，在高级大理岩中可以发现被包裹

14、于镁橄揽石中的高Mg方解石晶粒，在白云石大理岩中生长的镁橄揽石会捕获细粒的方解石，在其冷却过程中，并未析出白云石或丢失Mg，新计算出的方解石-白云石熔线温度为600700，它反映了镁橄揽石晶出时的高温环境。前面介绍过变质温度计，下面主要介绍适用于泥质岩的变质压力计即（1）石榴石-铝硅酸盐 ( Al2SiO5)-石英-斜长石组合和（2）石榴石-金红石-铝硅酸盐-钛铁矿-石英组合。7 斜长石-角闪石温压计Hammarstrom 和Zen(1986)通过侵入体周围的变质晕中的矿物组合的压力计算发现了角闪石单位结构分子式中Al的总含量与压力具有线性相关性,在此基础上他们提出了最初的角闪石Al压力计的经

15、验公式： P(3kbar)= 2.925.03 Altot r2=0.80 压力计适用范围1.5-3kbar以及7-10kbar紧随其后Hollister等（1987）讨论了上述经验公式的热动力学基础，并且在增加了大量在中等压力条件下结晶的角闪石的数据的基础上修正了经验公式，得到了适用范围更为广泛的压力计2-8kbar：P(1kbar)= 4.765.64 Altot r2=0.97 以上的两个经验公式仅限在包含有特定的矿物组合（石英+斜长石+钾长石+角闪石+黑云母+榍石+铁钛氧化物）的钙碱性岩石中使用。1989年Johnson 和Rutherford运用了具有上述矿物组合的天然的流纹质岩浆的

16、火山相和侵入相进行了试验。试验具有f o2缓冲，压力适用范围2-8kbar，温度在740-780的条件下。他们得出了比从前的经验公式偏高的试验校准公式：P(0.5kbar)= 3.464.23 Altot r2=0.99 Schmidt（1992）认为，温度及流体相中的CO2的分数压力有较大的影响，这种影响只在饱和水并且接近固相线的条件下太能排除。因此他在近固相线区域（655-700）利用英云闪长岩和花岗闪长岩又一次试验校准了角闪石Al压力计：P(0.6kbar)= 3.014.76 Altot r2=0.99 这一校准试验在2.5-13kbar条件下进行，计算结果与前面提到的经验公式结果十分

17、相近。Anderson(1995)提出了加入温度校正的角闪石压力计公式：P(0.6kbar)= 4.76Altot3.01T()-675/85 0.530 Altot +0.T()-675 r2=0.99 从以上公式可以看出要得到准确的压力值，需要先知道角闪石结晶的温度值。Blundy和Holland（1990）提出了基于反应：NaCa2Mg5Si4(AlSi3)O22(OH)2+4SiO2=Ca2Mg5Si8O22(OH)2+NaAlSi3O8试验条件为1-2kbar，500-1100的角闪石斜长石地质温度计：T K(Si-4)*Xab)/(8-Si); Si为角闪石结构分子式中的Si原子数

18、，Xab为斜长石中钠长石的摩尔分数；当Xab0.5时，Y0，当Xab0.5时，Y-0.806+25.5(1-Xab)2,P为压力值（bar），T为热力学温度。8 Grt-Al2SiO5-Qtz-Pl(GASP)压力计钙铝榴石 + 2Al2SiO5+ 石英 = 3 钙长石 是角闪岩相至麻粒岩相岩石中应用最广的压力计，其优点在于GASP组合是变质泥质岩中广泛出现的组合。该组合在9001400范围内端员组分反应已有缜密的校验，而对于500800的应用；要借助于外推法，这就使该压力计有了很大不确定性。McKenna和Hodges(1988)提出在Al2SiO5为Ky时应用下式：P（kbar）=(22.

19、0+1.5)T(K)-(6200+3000)其可信度为85%水平，这些不准确度影响到古压力估计误差达+2.5 Kbar。该压力计的另外一个问题是：在变质泥质岩中石榴石的钙铝榴石的含量偏低，这可引起对石榴石中低含量Ca的测定带来大的误差，也就转而影响到其成分的推定性太大，因为实验数据中用的是纯的Grs。更重要的是，石榴石中Grs的活度在此种极度稀释的情况下，变为不可知，这就使计算中选择溶液模型时带来了附加误差。所以：对于高压角闪岩相、麻粒岩相岩石，应用GASP时应当小心。它最好适用于高压镁铁岩石，其中有含较高An的斜长石和较高于Grs的石榴石（P=6-10kbar）。9 Grt-Rt-Al2Si

20、O5-Ilm-Qtz (GRAIL)压力计GRAIL的反应式是： 1Alm + 3Rt = 3Ilm + IALS + 2Qtz式中 ALS 是Al2SiO5 的缩写. Bohlen等（1986）对该反应作过实验研究实验曲线如图9-6。图 9-6 GrtRt- Al2SiO5 Ilm Qtz (GRAIL) 压力计实验的温度范围7501100，该反应对于角闪岩相至麻粒岩相变质泥质岩可以提供好的压力计，优点如下：(1)在所经校验的PT范围内，应用该压力计时不必作大的推断。(2)所求出的压力， 对温度不敏感。(3)在所要求的组合中，只有石榴石和钛铁矿两种矿物在普通变质岩中，呈固体溶液出现。(4)对

21、石榴石，钛铁矿进行分析时，只需获得其主要成分，无需对之作很宽范围的推断。还有，当缺失Rt时GRAIL压力计可用于估算压力的上限。该压力计的应用结果与其它压力计相比，能很好吻合，因之地质上是合理的。10 电子探针分析中Fe3+/Fe2+的估算电子探针给出的是全Fe的含量，而Fe3+和Fe2+的含量要求通过矿物中电荷的平衡和占位模型来加以计算。对于一些简单含低量Fe3+的矿物（如变泥质岩的石榴石，某些辉石）此种计算是可行的。但对于其它复杂的矿物，具有阳离子空位和可变的H2O含量（如角闪石和黑云母）此类计算则有问题，甚至无法计算。石榴石和辉石的（还有尖晶石）Fe3+有意义的计算要求电子探针结果是高质

22、量的，一般常规测定是不够的。对于同一样品所计算出的Fe3+/Fe2+ 比的差别，在Grt，Pyx中均不得超过5%。对于一个样品甚至一个颗粒它的氧化还原条件不可能有变化，这是一个简单而又严格的检验。如果变化大于5%，建议把Fe全=Fe2+。尖晶石是特别麻烦的，因为经常有空位和Fe 3+，只有少数尖晶石是铁尖晶石（Hercynite,含Fe2+）-尖晶石（spinel,含Mg） 的简单固体溶液。建议将Fe全 = Fe2+用于角闪石、黑云母及其它复杂的矿物，如若在石榴石和辉石电子探针结果中证明含Fe3+，则在与之共存的角闪石和黑云母中，应考虑其有固定的Fe3+/Fe2+。总之，据探针数据计算Fe3+/Fe2+应十分小心，谨慎使用。11 温度计、压力计的电脑程序现今, 为了处理大量的数据,已经出现不少计算机软件,用来处理温度计与压力计。一个比较通用的便是Spear&Kohn (1999)的，该程序可从 网址 http