Геотермобарометрия

История горного давления и температуры

Геотермобарометрия — это методология оценки истории давления и температуры горных пород ( метаморфических , магматических или осадочных ). Геотермобарометрия — это сочетание геобарометрии , где оценивается давление, достигнутое (и удерживаемое) минеральной ассоциацией, и геотермометрии , где оценивается температура, достигнутая (и удерживаемая) минеральной ассоциацией.

Иллюстрация геотермобарометрии. Линия температурного равновесия (оранжевая) и линия давления равновесия (синяя) выбранных минеральных ассоциаций, обнаруженных в образце, нанесены на диаграмму PT. Пересечение представляет собой вероятное состояние PT, испытанное породой в ее метаморфической истории.

Методология

Геотермобарометрия основана на понимании температуры и давления образования минералов в горных породах. ^[1] Существует несколько методов измерения температуры или давления образования минералов или повторного уравновешивания, основанных, например, на химическом равновесии между минералами ^{[1] [2] [3]} или путем измерения химического состава ^{[4] [5]} и/или кристаллохимического состояния порядка ^[6] отдельных минералов или путем измерения остаточных напряжений в твердых включениях ^[7] или плотностей в жидких включениях. ^[8]

«Классическая» (термодинамическая) термобарометрия ^[9] основана на достижении термодинамического равновесия между парами/ассоциациями минералов, которые изменяют свой состав в зависимости от температуры и давления. Распределение компонентов элементов между ассоциациями минералов затем анализируется с использованием различных аналитических методов, таких как электронный микрозонд (ЭМ), сканирующий электронный микроскоп (СЭМ), масс-спектрометрия (МС). Существует множество дополнительных факторов, которые следует учитывать, таких как летучесть кислорода и активность воды (примерно то же самое, что и концентрация), которые необходимо учитывать с использованием соответствующего методологического и аналитического подхода (например, мессбауэровская спектроскопия , микрорамановская спектроскопия , инфракрасная спектроскопия и т. д.). Геобарометры, как правило, являются реакциями чистого переноса, которые чувствительны к давлению, но мало изменяются с температурой, например, реакция гранат - плагиоклаз - мусковит - биотит , которая включает значительное уменьшение объема при высоком давлении: ^[1]

${\displaystyle {\mathsf {\underbrace {{\ce {Fe3Al2Si3O12}}} _{\text{Fe-Al garnet}}+\underbrace {{\ce {Ca3Al2Si3O12}}} _{\text{Ca-Al garnet}}+\underbrace {{\ce {KAl3Si3O10(OH)2}}} _{\text{muscovite}}\ {\ce {<=>}}\ \underbrace {{\ce {3CaAl2Si2O8}}} _{\text{plagioclase}}+\underbrace {{\ce {KFe3AlSi3O10(OH)2}}} _{\text{biotite}}}}}$

Поскольку минеральные ассоциации в равновесии зависят от давления и температуры, путем измерения состава сосуществующих минералов, а также использования подходящих моделей активности, можно определить PT-условия, испытываемые породой. ^[1]

После нахождения одной константы равновесия ^{на диаграмме PT будет нанесена линия. [ требуется ссылка ]} Поскольку различные константы равновесия минеральных ассоциаций будут отображаться в виде линий с различным наклоном на диаграмме PT, следовательно, найдя пересечение по крайней мере двух линий на диаграмме PT, можно получить состояние PT образца. ^[1]

Несмотря на полезность геотермобарометрии, особое внимание следует уделять тому, представляют ли минеральные ассоциации равновесие, имеют ли место случаи ретроградного равновесия в породе и правильности калибровки результатов. ^[1]

Упругая термобарометрия — это метод определения равновесного давления и температуры, достигнутых минералом-хозяином и его включением в истории породы, из избыточных давлений, демонстрируемых минеральными включениями, захваченными внутри минералов-хозяев. При эксгумации и охлаждении контрастные сжимаемости и тепловые расширения вызывают дифференциальные деформации (несоответствия объема) между кристаллом-хозяином и его включениями. Эти деформации можно количественно оценить in situ с помощью спектроскопии Рамана или рентгеновской дифракции . Зная уравнения состояния и упругие свойства минералов, упругая термобарометрия инвертирует измеренные деформации для расчета условий давления и температуры, при которых напряженное состояние было однородным в хозяине и включении. ^[7] Они обычно интерпретируются как представляющие условия захвата включения или последнего упругого равновесия пары.

Данные по геотермометрам и геобарометрам получены как из лабораторных исследований синтетических (искусственных) минеральных комплексов, так и из природных систем, для которых имеются другие ограничения.

Например, одним из наиболее известных и широко применяемых геотермометров является соотношение гранат-биотит, где относительные пропорции Fe и Mg в гранате и биотите изменяются с ростом температуры, поэтому измерение состава этих минералов для определения распределения Fe-Mg между ними позволяет рассчитать температуру кристаллизации, учитывая некоторые допущения.

Предположения в термодинамической термобарометрии

В природных системах химические реакции происходят в открытых системах с неизвестной геологической и химической историей, и применение геотермобарометров основывается на нескольких предположениях, которые должны соблюдаться для того, чтобы лабораторные данные и природные составы соотносились достоверным образом:

• Что присутствует полная минералогическая сборка, необходимая для термобарометра. Если не все минералы реакции присутствуют или не уравновешиваются друг с другом одновременно, то любые давления и температуры, рассчитанные для идеальной реакции, будут отклоняться от тех, которые фактически испытывает порода.
• Это химическое равновесие было достигнуто в удовлетворительной степени. Это было бы невозможно продемонстрировать окончательно, если бы все минералы термобарометрического комплекса не наблюдались в контакте друг с другом.
• Что любые минералы в двухминеральном барометре или термометре росли в равновесии, которое предполагается, когда минералы находятся в контакте.
• Минеральный состав не был изменен ретроградным метаморфизмом, что в большинстве случаев можно оценить с помощью оптического микроскопа.
• Что присутствуют определенные минералогические комплексы. Без них точность показаний может отличаться от идеала, и измерение может содержать больше ошибок.
• Что минералы, присутствующие в тонком сечении, находятся в том же состоянии твердого раствора, что и в модели. Многие минералы, такие как полевые шпаты и авгит, имеют ряд вариаций твердого раствора. Каждая вариация может повлиять на модель и на то, как порода метаморфизуется с течением времени.

Предположения в упругой термобарометрии

В природных системах упругое поведение минералов может быть легко нарушено высокотемпературным повторным уравновешиванием, пластической или хрупкой деформацией, что приводит к необратимым изменениям за пределами упругого режима, что не позволит восстановить «упругую историю» пары.

• Основное предположение, лежащее в основе упругой геобарометрии, заключается в том, что хозяин и включение изначально испытывают одинаковое давление и что деформация системы хозяин-включение является упругой, следовательно, обратимой, и поэтому может быть инвертирована для получения давления захвата включения. ^[10]
• Предполагается, что форма включения сферическая, но имеются расчеты для несферических форм ^[11]
• Для нескольких пар хозяин-включение упругие свойства хозяина и включения предполагаются изотропными. Для некоторых пар доступны анизотропные решения (например, кварц в гранате, циркон в гранате) ^{[12] [13]}
• Простые методы расчета предполагают линейную эластичность.

Методы

Некоторые методы включают в себя:

Геотермометры

• Содержание Ti в биотитовой слюде. ^​​[14]
• Обмен Fe-Mg между гранатом-биотитом и гранатом - амфиболом .
• Систематика Mg-Fe в пижонитах и ​​авгитах ^[15]
• Содержание Zr в рутиле , эффективное для более высоких температур, чем термометр Ti-в-биотите. Требует уравновешивания кварца, рутила и циркона . ^[16]
• Термометр кристаллизации титана в цирконе

Обратите внимание, что термометры обмена Fe-Mg являются эмпирическими (протестированными и откалиброванными в лабораторных условиях), а также рассчитанными на основе теоретического термодинамического понимания компонентов и фаз, участвующих в процессе. Термометр Ti-in-biotite является исключительно эмпирическим и не очень хорошо изучен с точки зрения термодинамики.

Геобарометры

• GASP ; аббревиатура для ассоциации гранат-(Al2SiO5 _{) -кремнезем} ( кварц ) -плагиоклаз
• GPMB; аббревиатура для ассоциации гранат-плагиоклаз- мусковит -биотит
• Гранат-плагиоклаз-роговая обманка-кварц. ^{[17] [18]}
• Роговая обманка ^{[19] [20] [21]}

Различные минеральные ассоциаций больше зависят от давления, чем от температуры; например, реакции, которые включают большое изменение объема. При высоком давлении определенные минералы принимают меньшие объемы (следовательно, плотность увеличивается, так как масса не меняется) - именно эти минералы являются хорошими индикаторами палеодавления.

Программное обеспечение

Программное обеспечение для «классической» термобарометрии включает в себя:

• Программное обеспечение THERMO-CALC было основано в 1997 году, но все началось задолго до этого, фактически еще в середине 1970-х годов. Местом был отдел физической металлургии Королевского технологического института (KTH) в Стокгольме, Швеция, где Матс Хиллерт был профессором. Трое из его аспирантов в то время были Бо Сундман, Бо Янсо и Джон Агрен. Thermo-calc — это программное обеспечение, используемое материаловедами и инженерами для создания данных о свойствах материалов, получения информации о материалах, понимания конкретного наблюдения и ответа на прямые вопросы, связанные с конкретным материалом и/или его обработкой. При использовании в сочетании с подходящими базами данных Thermo-Calc может использоваться для самых разных приложений.

• THERMOCALC ^{[22] [23],} разработанный Тимом Холландом и Роджером Пауэллом, рассчитывает фазовые равновесия модели с участием HPx-eos и/или отдельных конечных членов из набора данных Холланда и Пауэлла.
• Perple_X, ^{[24] [25] [26] [27] [28]} изначально разработанный Джеймсом А.Д. Коннолли, представляет собой набор программ на языке фортран для расчета и отображения петрологических фазовых равновесий.
• XMapTools ^[29], изначально разработанный Пьером Ланари, представляет собой передовое аналитическое программное обеспечение для количественного химического анализа твердых тел в 1D, 2D и 3D. Оно предоставляет числовые инструменты и пакеты, реализованные в управляемой и универсальной среде, которая позволяет вам исследовать и визуализировать данные по-своему. Например, XMapTools включает в себя широкий спектр опций обработки данных, включая процедуры для классификации, сегментации, калибровки и визуализации с помощью одноканальных и многоканальных карт или с помощью бинарных, тернарных и паучьих диаграмм. Теперь оно включает в себя Bingo Antidote.
• Bingo-Antidote — это петрологическое программное обеспечение, изначально разработанное Пьером Ланари и Эриком Дюстерхофтом, которое предлагает альтернативную стратегию моделирования на основе итеративных термодинамических моделей, интегрированных с количественным композиционным картированием. Последнее распространяется как дополнение XMapTools и поставляется с переработанным графическим пользовательским интерфейсом и улучшенными функциями.

Программное обеспечение для упругой термобарометрии включает в себя:

• EntraPT ^[30], изначально разработанное Маттиа Л. Маццуккелли, Россом Дж. Энджелом и Маттео Альваро , представляет собой веб-приложение для упругой геобарометрии. Оно разработано для упрощения упругой термобарометрии. Вы можете графически анализировать остаточные деформации ваших включений и оценивать условия их захвата, все в одном месте. Оно также упрощает экспорт, повторное использование, обмен и сравнение ваших данных.
• Strainman ^[31], первоначально разработанная Россом Дж. Энджелом, Марой Мурри, Борианой Михайловой и Маттео Альваро, представляет собой компьютерную программу для Windows для расчета деформаций на основе изменений волновых чисел моды Рамана (или других фононов) и наоборот.
• EosFit ^[32] — это программный пакет для расчетов, включающих как тепловое расширение, так и уравнения состояния, который теперь включает пять основных компонентов для выполнения расчетов EoS как с (EosFit7GUI) ^[33] , так и без (EosFit7c) ^[32] графического пользовательского интерфейса и выполнения расчетов включения хоста (Eosfit7-Pinc ^[34] ) с нелинейной эластичностью. Eosfit использует cfml_eos — проверенный набор модулей Fortran, которые можно «использовать» (в смысле Fortran) для легкого написания программ, которые могут считывать, обрабатывать и подгонять данные EoS, а также выполнять связанные расчеты для EoS.

Термобарометрия клинопироксена

Минерал клинопироксен используется для расчета температуры и давления магмы , образовавшей магматическую породу, содержащую этот минерал.

Смотрите также

• Петрогенетическая сетка  – Диаграмма давления и температуры диапазонов устойчивости минералов

Ссылки

1. Powell, R.; Holland, TJB (февраль 2008 г.). «О термобарометрии». Journal of Metamorphic Geology . 26 (2): 155–179. Bibcode : 2008JMetG..26..155P. doi : 10.1111/j.1525-1314.2007.00756.x. ISSN  0263-4929.
2. Гонсалвес, Филипп; Маркер, Дидье; Олио, Эмильен; Дюран, Сирил (2013), «Термодинамическое моделирование и термобарометрия метасоматизированных пород», Метасоматизм и химическое преобразование пород , Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg, стр. 53–91, doi :10.1007/978-3-642-28394-9_3, ISBN 978-3-642-28393-2, получено 2023-07-31
3. Вуд, Би Джей; Голландия, TJB; Ньютон, Колорадо; Клеппа, О.Дж. (сентябрь 1980 г.). «Термохимия жадеит-диопсид-пироксенов». Geochimica et Cosmochimica Acta . 44 (9): 1363–1371. Бибкод : 1980GeCoA..44.1363W. дои : 10.1016/0016-7037(80)90095-2.
4. Холланд, Генрих Д.; Турекян, Карл К. (2004). Трактат по геохимии (1-е изд.). Амстердам Бостон: Elsevier/Pergamon. ISBN 978-0-08-043751-4.
5. Трактат по геохимии. 2003-12-04. ISBN 978-0-08-043751-4.
6. Ghose, S.; Ganguly, J. (1982), Saxena, Surendra K. (ред.), "Mg-Fe порядок-беспорядок в ферромагнезиальных силикатах", Advances in Physical Geochemistry , т. 2, Нью-Йорк, Нью-Йорк: Springer New York, стр. 3–99, doi :10.1007/978-1-4612-5683-0_1, ISBN 978-1-4612-5685-4, получено 2023-07-31
7. Kohn, Matthew J.; Mazzucchelli, Mattia L.; Alvaro, Matteo (2023-05-30). "Упругая термобарометрия". Annual Review of Earth and Planetary Sciences . 51 (1): 331–366. Bibcode : 2023AREPS..51..331K. doi : 10.1146/annurev-earth-031621-112720. ISSN  0084-6597. S2CID  256443282.
8. Левресс, Жиль; Сервантес-де ла Крус, Карина Элизабет; Аранда-Гомес, Хосе Хорхе; Давалос-Элизондо, Мария Гуадалупе; Хименес-Сандовал, Серхио; Родригес-Мельгарехо, Франциско; Альба-Алдаве, Летисия Арасели (январь 2016 г.). «Барометрия флюидных включений CO2 в мантийных ксенолитах центральной Мексики: подробные записи подъема магмы». Журнал вулканологии и геотермальных исследований . 310 : 72–88. doi :10.1016/j.jvolgeores.2015.11.012.
9. Пауэлл, Роджер; Холланд, Тим (1994). «Оптимальная геотермометрия и геобарометрия». American Mineralogist . 79 : 120–133.
10. Moulas, Evangelos; Kostopoulos, Dimitrios; Podladchikov, Yury; Chatzitheodoridis, Elias; Schenker, Filippo L.; Zingerman, Konstantin M.; Pomonis, Panagiotis; Tajčmanová, Lucie (15.12.2020). «Расчет давления с помощью упругой геобарометрии: сравнение различных упругих решений с применением к известково-силикатному гнейсу из Родопской метаморфической провинции». Литос . 378–379: 105803. Bibcode : 2020Litho.37805803M. doi : 10.1016/j.lithos.2020.105803. ISSN  0024-4937. S2CID  224846463.
11. Mazzucchelli, ML; Burnley, P.; Angel, RJ; Morganti, S.; Domeneghetti, MC; Nestola, F.; Alvaro, M. (2018). «Упругая геотермобарометрия: поправки на геометрию системы «хозяин-включение»». Geology . 46 (3): 231–234. Bibcode :2018Geo....46..231M. doi : 10.1130/g39807.1 . Получено 01.08.2023 .
12. Mazzucchelli, ML; Reali, A.; Morganti, S.; Angel, RJ; Alvaro, M. (2019-12-15). «Упругая геобарометрия для анизотропных включений в кубических хозяевах». Lithos . 350–351: 105218. Bibcode :2019Litho.35005218M. doi : 10.1016/j.lithos.2019.105218 . ISSN  0024-4937.
13. Мурри, Мара; Маццучелли, Маттиа Л.; Кампоменози, Никола; Корсаков Андрей Владимирович; Пренсипи, Мауро; Михайлова, Бориана Д.; Скамбеллури, Марко; Ангел, Росс Дж.; Альваро, Маттео (01 ноября 2018 г.). «Комбинационная упругая геобарометрия анизотропных минеральных включений». Американский минералог . 103 (11): 1869–1872. дои : 10.2138/am-2018-6625CCBY. hdl : 11567/919890 . ISSN  1945-3027.
14. http://www.geol.lsu.edu/henry/Research/biotite/TiInBiotiteGeothermometer.htm Архивировано 04.04.2018 в Wayback Machine Ti-in биотитовый геотермометр, Генри и др. 2005
15. Линдсли и Андерсен 1983 - Двухпироксеновый термометр; Журнал геофизических исследований, т. 88
16. http://www.rpi.edu/~watsoe/research/Watson_etal_CMP06.pdf Кристаллизационные термометры для циркона и рутила, Уотсон и др. 2006; Вклад в минералогию и петрологию, т. 151
17. Kohn, MJ и Spear, FS (1989): Am. Min. 74:77-84. (Паргаситовый компонент)
18. Кон, MJ и Спир, FS (1990): Am. Мин. 75:89-96. (чермакитовый компонент)
19. Хаммерстром, Дж. М. и Зен, Э.-ан. (1986): Am. Min. 71:1297-1313.
20. Холлистер, Л.С., Гриссом, Г.К., Питерс, Э.К., Стоуэлл, Х.Х. и Сиссон, В.Б. (1987): Am. Mineral. 72:231-239.
21. Джонсон и Резерфорд (1989): Геология 17: 837-841.
22. Холланд, Т. Дж. Б.; Пауэлл, Р. (2004-10-08). «Внутренне согласованный набор термодинамических данных для фаз петрологического интереса: ВНУТРЕННЕ СОГЛАСОВАННЫЙ НАБОР ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ДАННЫХ». Журнал метаморфической геологии . 16 (3): 309–343. doi :10.1111/j.1525-1314.1998.00140.x.
23. Powell, R; Holland, T.; Worley, B. (июнь 1998 г.). «Расчет фазовых диаграмм с участием твердых растворов с помощью нелинейных уравнений, с примерами с использованием THERMOCALC». Журнал метаморфической геологии . 16 (4): 577–588. Bibcode :1998JMetG..16..577P. doi :10.1111/j.1525-1314.1998.00157.x. ISSN  0263-4929. S2CID  129301254.
24. Connolly, J. a. D. (1990-06-01). «Многопараметрические фазовые диаграммы; алгоритм, основанный на обобщенной термодинамике». American Journal of Science . 290 (6): 666–718. Bibcode : 1990AmJS..290..666C. doi : 10.2475/ajs.290.6.666.
25. Connolly, JAD (июль 2005 г.). «Вычисление фазовых равновесий с помощью линейного программирования: инструмент для геодинамического моделирования и его применение для декарбонизации зоны субдукции». Earth and Planetary Science Letters . 236 (1–2): 524–541. Bibcode : 2005E&PSL.236..524C. doi : 10.1016/j.epsl.2005.04.033.
26. Коннолли, Джеймс АД; Гальвез, Матье Э. (2018-11-01). «Электролитическое жидкостное видообразование с помощью минимизации энергии Гиббса и его последствия для массопереноса в зоне субдукции». Earth and Planetary Science Letters . 501 : 90–102. Bibcode : 2018E&PSL.501...90C. doi : 10.1016/j.epsl.2018.08.024. ISSN  0012-821X. S2CID  134999977.
27. Коннолли, Дж. А. Д.; Петрини, К. (сентябрь 2002 г.). «Автоматизированная стратегия расчета сечений фазовой диаграммы и извлечения свойств горных пород как функции физических условий». Журнал метаморфической геологии . 20 (7): 697–708. Bibcode : 2002JMetG..20..697C. doi : 10.1046/j.1525-1314.2002.00398.x. ISSN  0263-4929. S2CID  73603565.
28. Коннолли, Дж. А. Д.; Керрик, Д. М. (1987-01-01). «Алгоритм и компьютерная программа для расчета фазовых диаграмм состава». Calphad . 11 (1): 1–55. doi :10.1016/0364-5916(87)90018-6. ISSN  0364-5916.
29. Ланари, Пьер; Видаль, Оливье; Де Андрад, Винсент; Дюбак, Бенуа; Левин, Эрик; Грош, Эжен Г.; Шварц, Стефан (2014-01-01). "XMapTools: программа на базе MATLAB© для обработки рентгеновских изображений с электронного микрозонда и геотермобарометрии". Компьютеры и науки о Земле . 62 : 227–240. doi :10.1016/j.cageo.2013.08.010. ISSN  0098-3004.
30. Mazzucchelli, Mattia Luca; Angel, Ross John; Alvaro, Matteo (2021). «EntraPT: онлайн-платформа для упругой геотермобарометрии». American Mineralogist . 106 (5): 830–837. Bibcode : 2021AmMin.106..830M. doi : 10.2138/am-2021-7693ccbyncnd . Получено 01.08.2023 .
31. Ангел, Росс Дж.; Мурри, Мара; Михайлова, Бориана; Альваро, Маттео (01 февраля 2019 г.). «Стресс, напряжение и комбинационные сдвиги». Zeitschrift für Kristallographie - Кристаллические материалы . 234 (2): 129–140. дои : 10.1515/zkri-2018-2112. ISSN  2196-7105. S2CID  105926659.
32. Angel, Росс Дж.; Альваро, Маттео; Гонсалес-Платас, Хавьер (01 мая 2014 г.). «EosFit7c и модуль Фортрана (библиотека) для расчета уравнений состояния». Zeitschrift für Kristallographie - Кристаллические материалы (на немецком языке). 229 (5): 405–419. дои : 10.1515/zkri-2013-1711. ISSN  2196-7105. S2CID  56434995.
33. Гонсалес-Платас, Х.; Альваро, М.; Нестола, Ф.; Энджел, Р. (2016-08-01). «EosFit7-GUI: новый графический пользовательский интерфейс для расчетов, анализа и обучения уравнениям состояния». Журнал прикладной кристаллографии . 49 (4): 1377–1382. doi :10.1107/S1600576716008050. ISSN  1600-5767.
34. Ангел, Росс Дж.; Маццучелли, Маттиа Л.; Альваро, Маттео; Нестола, Фабрицио (01 сентября 2017 г.). «EosFit-Pinc: простой графический интерфейс для эластичной термобарометрии с включением хозяина». Американский минералог . 102 (9): 1957–1960. Бибкод : 2017AmMin.102.1957A. дои : 10.2138/am-2017-6190. ISSN  1945-3027.

• Винтер, Д.Джон. Термодинамика метаморфических реакций: Геотермобарометрия, 543-556
• Генри, DJ, Гвидотти, CV и Томсон, JA (2005) Поверхность насыщения титаном для метапелитового биотита низкого и среднего давления: значение для геотермометрии и механизмов замещения титана. American Mineralogist, 90, 316-328.
• Гвидотти, К. В., Чейни, Дж. Т. и Генри, Д. Дж. (1988) Изменение состава биотита как функция метаморфических реакций и минеральной ассоциации в пелитовых сланцах западного Мэна: Американский научный журнал - Мемориальный том Уонса, т. 288А, 270-292.

Внешние ссылки

• Программное обеспечение Thermo-Calc можно приобрести онлайн вместе с рядом баз данных, однако на их сайте также есть бесплатный образовательный пакет https://thermocalc.com/academia/free-educational-package/
• THERMOCALC (Holland & Powell) — в настоящее время бесплатно для скачивания онлайн для всех с рядом доступных баз данных. Смотрите руководство по загрузке по адресу: https://hpxeosandthermocalc.org/the-thermocalc-software/thermocalc-get-started/thermocalc-download-guide/