变质作用的地质温度计和压力计

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２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，只是参加反应的含水矿物其（ＯＨ）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ＰＴ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9－１）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)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Al vi和Ti，其中（A1vi+Ti）/(A1vi+Ti+Fe+Mg)≤0.5 Perchuk和Lavrent’eva(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。Thoenen(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-lavrent’eva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 1

1 3Mg3Al2Si3O12+CaFeSi2O6←→1

3

Fe3Al2Si3O12+CaMgSi2O6

反应中X Grt Ca 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)+3104X Grt Ca)/(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X Grt Ca之间的曲线关系：

T (℃)={1879+10P（kbar）-6173(X Grt Ca)2+6731X Grt Ca}/(lnKd+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X Cpx Jd(即单斜辉石中硬玉的组分)增大时Kd值往往降低，特别当X Cpx Jd>0.6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。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 =2.44X opx Fe

经整理后可得：

T = 7341/（3.355+2.44X Opx Fe - lnK）

式中X Opx Fe =Fe2+/(Fe2++Mg), lnK = ln(a Cpx Mg2Si2O6/a Opx Mg2Si2O6 )，a Cpx Mg2Si2O6 代表单斜辉石中Mg2Si2O6组分的活度，所求得的T为ºK。

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