Геотермобарометрия
Геотермобарометрия — это методология оценки истории давления и температуры горных пород ( метаморфических , магматических или осадочных ). Геотермобарометрия представляет собой комбинацию геобарометрии , при которой оценивается давление, достигнутое (и удерживаемое) минеральным комплексом, и геотермометрии, при котором оценивается температура, достигаемая (и удерживаемая) минеральным комплексом.

Методология
[ редактировать ]Геотермобарометрия основана на понимании температуры и давления образования минералов в горных породах. [ 1 ] Существует несколько методов измерения температуры или давления минералообразования или восстановления равновесия, основанных, например, на химическом равновесии между минералами. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] или путем измерения химического состава [ 4 ] [ 5 ] и/или кристаллохимическое состояние порядка [ 6 ] отдельных минералов или путем измерения остаточных напряжений на твердых включениях [ 7 ] или плотности в жидких включениях. [ 8 ]
«Классическая» (термодинамическая) термобарометрия. [ 9 ] основан на достижении термодинамического равновесия между минеральными парами/комплексами, состав которых меняется в зависимости от температуры и давления. Распределение составляющих элементов между минеральными комплексами затем анализируется с использованием различных аналитических методов, таких как, например, электронный микрозонд (ЭМ), сканирующий электронный микроскоп (СЭМ), масс-спектрометрия (МС). Необходимо учитывать множество дополнительных факторов, таких как летучесть кислорода и активность воды (примерно такая же, как концентрация), которые необходимо учитывать с использованием соответствующего методологического и аналитического подхода (например, мессбауэровской спектроскопии , микрорамановской спектроскопии , инфракрасной спектроскопии и т. д.). ) Геобарометры обычно представляют собой реакции 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 ]
Поскольку минеральные комплексы, находящиеся в равновесии, зависят от давления и температуры, путем измерения состава сосуществующих минералов вместе с использованием подходящих моделей активности можно определить условия РТ, в которых находится порода. [ 1 ]
После того, как будет найдена одна константа равновесия , на диаграмме PT будет нанесена линия. [ нужна ссылка ] Поскольку разные константы равновесия минеральных комплексов представлены в виде линий с разным наклоном на РТ-диаграмме, поэтому, найдя пересечение хотя бы двух линий на РТ-диаграмме, можно получить РТ-состояние образца. [ 1 ]
Несмотря на полезность геотермобарометрии, особое внимание следует уделять тому, представляют ли минеральные комплексы равновесие, есть ли случаи ретроградного равновесия в породе и уместность калибровки результатов. [ 1 ]
Упругая термобарометрия - это метод определения равновесного давления и температуры, достигнутых минералом-хозяином и его включениями в истории породы, на основе избыточного давления, проявляемого минеральными включениями, запертыми внутри минералов-хозяев. При эксгумации и охлаждении контрастирующие сжимаемые способности и тепловые расширения вызывают дифференциальные деформации (несоответствие объемов) между кристаллом-хозяином и его включениями. Эти штаммы можно количественно оценить in situ с помощью рамановской спектроскопии или рентгеновской дифракции . Зная уравнения состояния и упругих свойств минералов, упругая термобарометрия инвертирует измеренные деформации для расчета термобарических условий, при которых напряженное состояние было однородным в матрице и включении. [ 7 ] Обычно их интерпретируют как условия захвата включения или последнего упругого равновесия пары.
Данные о геотермометрах и геобарометрах получены как в результате лабораторных исследований синтетических (искусственных) минеральных комплексов, так и из природных систем, для которых доступны другие ограничения.
Например, одним из наиболее известных и наиболее широко применяемых геотермометров является соотношение гранат-биотит, при котором относительные пропорции Fe и Mg в гранате и биотите изменяются с увеличением температуры, поэтому измерение составов этих минералов дает соотношение Fe-Mg. Распределение между ними позволяет при некоторых допущениях рассчитать температуру кристаллизации.
Допущения в термодинамической термобарометрии
[ редактировать ]В природных системах химические реакции происходят в открытых системах с неизвестной геологической и химической историей, и применение геотермобарометров основано на нескольких предположениях, которые должны выполняться для того, чтобы лабораторные данные и природные составы были достоверно связаны:
- Наличие полного минералогического состава, необходимого для термобарометра. Если не все минералы, участвующие в реакции, присутствуют или не пришли в равновесие друг с другом одновременно, то любые давления и температуры, рассчитанные для идеальной реакции, будут отклоняться от тех, которые фактически испытывают порода.
- Это химическое равновесие было достигнуто в удовлетворительной степени. Это было бы невозможно продемонстрировать окончательно, если бы не все минералы комплекса термобарометра находились в контакте друг с другом.
- Любые минералы в двухминеральном барометре или термометре росли в равновесии, что предполагается, когда минералы находятся в контакте.
- Минеральный комплекс не был изменен ретроградным метаморфизмом, что в большинстве случаев можно оценить с помощью оптического микроскопа.
- Присутствуют определенные минералогические комплексы. Без них точность показаний может отличаться от идеальной, и в измерениях может возникнуть больше ошибок.
- Минералы, присутствующие в шлифе, находятся в том же состоянии твердого раствора, что и в модели. Многие минералы, такие как полевые шпаты и авгиты, имеют ряд вариаций твердого раствора. Каждое изменение может повлиять на модель и на способ метаморфизации камня с течением времени.
Допущения в упругой термобарометрии
[ редактировать ]В природных системах упругое поведение минералов может быть легко нарушено высокотемпературным восстановлением равновесия, пластической или хрупкой деформацией, что приводит к необратимым изменениям за пределами упругого режима, которые не позволяют 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, следовательно, может быть инвертирована для получения давления захвата включения. [ 10 ]
- Предполагается, что форма включения сферическая, но доступны расчеты для несферических форм. [ 11 ]
- Для нескольких пар «хозяин-включение» упругие свойства хозяина и включения считаются изотропными. Для некоторых пар доступны анизотропные растворы (например, кварц в гранате, циркон в гранате). [ 12 ] [ 13 ]
- Простые методы расчета предполагают линейную эластичность.
Техники
[ редактировать ]Некоторые методы включают в себя:
Геотермометры
[ редактировать ]- Содержание титана в биотитовой слюде. [ 14 ]
- Fe-Mg обмен между гранат-биотитом и гранат - амфиболом .
- Mg-Fe систематика в пижонитах и авгитах [ 15 ]
- Содержание Zr в рутиле эффективно для более высоких температур, чем термометр Ti-в-биотите. кварца, рутила и циркона . Требуется уравновешивание [ 16 ]
- Ti-циркон Кристаллизационный термометр
Обратите внимание, что обменные термометры Fe-Mg являются эмпирическими (протестированы и откалиброваны в лабораторных условиях), а также рассчитаны на основе теоретического термодинамического понимания участвующих компонентов и фаз. Термометр Ti-в-биотите является исключительно эмпирическим и термодинамически недостаточно изученным.
Геобарометры
[ редактировать ]- ГПНП; аббревиатура комплекса гранат-(Al 2 SiO 5 )-кремнезем ( кварц ) -плагиоклаз.
- ГПМБ; аббревиатура комплекса гранат-плагиоклаз- мусковит -биотит.
- Гранат-плагиоклаз-роговая обманка-кварц. [ 17 ] [ 18 ]
- Роговая обманка [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]
Различные минеральные комплексы больше зависят от давления, чем от температуры; например реакции, которые включают большое изменение объема. При высоком давлении отдельные минералы принимают меньшие объёмы (поэтому плотность увеличивается, так как масса не меняется) — именно эти минералы являются хорошими индикаторами палеодавления.
Программное обеспечение
[ редактировать ]Программное обеспечение для «классической» термобарометрии включает в себя:
- Программное обеспечение THERMO-CALC было основано в 1997 году, но все началось гораздо раньше, фактически еще в середине 1970-х годов. Это была кафедра физической металлургии Королевского технологического института (KTH) в Стокгольме, Швеция, где профессором был Матс Хиллерт. Тремя его аспирантами в то время были Бо Сундман, Бо Янссо и Джон Огрен. Thermo-calc — это программное обеспечение, используемое учеными-материаловедами и инженерами для генерации данных о свойствах материалов, получения информации о материалах, понимания конкретных наблюдений и ответов 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.
- ТЕРМОКАЛЬК [ 22 ] [ 23 ] разработанный Тимом Холландом и Роджером Пауэллом, рассчитывает фазовые равновесия модели с участием HPx-eos и/или отдельных конечных членов из набора данных Holland & Powell.
- Перпл_Х , [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] первоначально разработанный Джеймсом А.Д. Коннолли, представляет собой набор программ на языке Фортран для расчета и отображения петрологических фазовых равновесий.
- XMapИнструменты [ 29 ] Первоначально разработанное Пьером Ланари, это передовое программное обеспечение для количественного химического анализа твердых веществ в 1D, 2D и 3D. Он 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 возможностей обработки данных, включая процедуры классификации, сегментации, калибровки и визуализации с помощью одно- и многоканальных карт или с помощью двоичных, троичных и спайдерных диаграмм. Теперь в него входит Bingo Antidote.
- Bingo-Antidote — это петрологическое программное обеспечение, первоначально разработанное Пьером Ланари и Эриком Дустерхофтом, которое предлагает альтернативную стратегию моделирования, основанную на итеративных термодинамических моделях, интегрированных с количественным композиционным картированием. Последний распространяется как надстройка XMapTools и имеет переработанный графический интерфейс пользователя и улучшенные функции.
Программное обеспечение для упругой термобарометрии включает в себя:
- ЭнтраПТ [ 30 ] Первоначально разработанное Маттиа Л. Маццучелли, Россом Дж. Анхелем и Маттео Альваро , это веб-приложение для упругой геобарометрии. Он разработан для облегчения эластичной термобарометрии. Вы можете графически проанализировать остаточные деформации ваших включений и оценить условия их захвата в одном месте. Это также упрощает экспорт, повторное использование, обмен и сравнение ваших данных.
- Стрейнман [ 31 ] Первоначально разработанная Россом Дж. Энджелом, Марой Мурри, Борианой Михайловой и Маттео Альваро , это компьютерная программа для Windows для расчета деформаций по изменениям волновых чисел в рамановской (или других фононных) модах и наоборот.
- ЭосФит [ 32 ] представляет собой пакет программного обеспечения для расчетов, включающих как тепловое расширение, так и уравнения состояния, который теперь включает пять основных компонентов для выполнения расчетов EoS как с помощью (EosFit7GUI), так и с помощью EosFit7GUI. [ 33 ] и без (EosFit7c) [ 32 ] графический интерфейс пользователя и выполнять расчеты включения хоста (Eosfit7-Pinc [ 34 ] ) с нелинейной упругостью. Eosfit использует cfml_eos — проверенный набор модулей Fortran, которые можно «использовать» (в смысле Fortran) для простого написания программ, которые могут читать, манипулировать и подгонять данные EoS, а также выполнять соответствующие вычисления для EoS.
Клинопироксеновая термобарометрия
[ редактировать ]Минерал содержащую клинопироксен используется для температуры и давления расчета магмы , образовавшей магматическую породу, этот минерал.
См. также
[ редактировать ]- Петрогеническая сетка - Диаграмма давления и температуры диапазонов стабильности минералов.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Пауэлл, Р.; Голландия, TJB (февраль 2008 г.). «О термобарометрии» . Журнал метаморфической геологии . 26 (2): 155–179. Бибкод : 2008JMetG..26..155P . дои : 10.1111/j.1525-1314.2007.00756.x . ISSN 0263-4929 .
- ^ Гонсалвес, Филипп; Маркер, Дидье; Олиот, Эмильен; Дюран, Сирил (2013), «Термодинамическое моделирование и термобарометрия метасоматизированных пород» , Метасоматоз и химическая трансформация горных 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 31 июля 2023 г.
- ^ Вуд, Би Джей; Голландия, TJB; Ньютон, Колорадо; Клеппа, О.Дж. (сентябрь 1980 г.). «Термохимия жадеит-диопсидпироксенов» . Акта геохимии и космохимии . 44 (9): 1363–1371. Бибкод : 1980GeCoA..44.1363W . дои : 10.1016/0016-7037(80) 90095-2
- ^ Голландия, Генрих Д.; Турекян, Карл К. (2004). Трактат по геохимии (1-е изд.). Амстердам Бостон: Эльзевир/Пергамон. ISBN 978-0-08-043751-4 .
- ^ Трактат по геохимии . 04.12.2003. ISBN 978-0-08-043751-4 .
- ^ Гоуз, С.; Гангули, Дж. (1982), Саксена, Сурендра К. (редактор), «Порядок-беспорядок Mg-Fe в ферромагнезиальных силикатах» , «Достижения в области физической геохимии» , том. 2, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer New York, стр. 3–99, номер номера : 10.1007/978-1-4612-5683-0_1 , ISBN. 978-1-4612-5685-4 , получено 31 июля 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б Кон, Мэтью Дж.; Маццучелли, Маттиа Л.; Альваро, Маттео (30 мая 2023 г.). «Эластичная термобарометрия» . Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 51 (1): 331–366. Бибкод : 2023AREPS..51..331K . doi : 10.1146/annurev-earth-031621-112720 . ISSN 0084-6597 . S2CID 256443282 .
- ^ 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 .
- ^ Пауэлл, Роджер; Холланд, Тим (1994). «Оптимальная геотермометрия и геобарометрия» . Американский минералог . 79 : 120–133.
- ^ Мулас, Евангелос; Костопулос, Димитриос; Подладчиков Юрий; Хацитеодоридис, Элиас; Шенкер, Филиппо Л.; Зингерман Константин М.; Помонис, Панайотис; Тайчманова, Люси (15 декабря 2020 г.). «Расчет давления с помощью упругой геобарометрии: сравнение различных упругих растворов с применением к известково-силикатному гнейсу из Родопской метаморфической провинции» . Литос . 378–379: 105803. Бибкод : 2020Litho.37805803M . doi : 10.1016/j.lithos.2020.105803 . ISSN 0024-4937 . S2CID 224846463 .
- ^ Маццучелли, ML; Бернли, П.; Ангел, Р.Дж.; Морганти, С.; Доменегетти, MC; Нестола, Ф.; Альваро, М. (2018). «Упругая геотермобарометрия: поправки к геометрии системы включения-хозяина» . Геология . 46 (3): 231–234. Бибкод : 2018Geo....46..231M . дои : 10.1130/g39807.1 . Проверено 1 августа 2023 г.
- ^ Маццучелли, ML; Реали, А.; Морганти, С.; Ангел, Р.Дж.; Альваро, М. (15 декабря 2019 г.). «Упругая геобарометрия анизотропных включений в кубических матрицах» . Литос . 350–351: 105218. Бибкод : 2019Litho.35005218M . дои : 10.1016/j.lithos.2019.105218 . ISSN 0024-4937 .
- ^ Мурри, Мара; Маццучелли, Маттиа Л.; Кампоменози, Никола; Корсаков Андрей Владимирович; Принц, Мауро; Михайлова, Бориана Д.; Скамбеллури, Марко; Ангел, Росс Дж.; Альваро, Маттео (01 ноября 2018 г.). «Рамановская упругая геобарометрия анизотропных минеральных включений» . Американский минералог . 103 (11): 1869–1872. doi : 10.2138/am-2018-6625CCBY . hdl : 11567/919890 . ISSN 1945-3027 .
- ^ http://www.geol.lsu.edu/henry/Research/biotite/TiInBiotiteGeothermometer.htm. Архивировано 4 апреля 2018 г. в биотитовом геотермометре Wayback Machine Ti-in, Генри и др. 2005 г.
- ^ Линдсли и Андерсен 1983 - Двухпироксеновый термометр; Журнал геофизических исследований, том. 88
- ^ http://www.rpi.edu/~watsoe/research/Watson_etal_CMP06.pdf Термометры кристаллизации циркона и рутила, Watson et al. 2006 г.; Вклады в минералогию и петрологию т. 151.
- ^ Кон, MJ и Спир, FS (1989): Am. Мин. 74:77-84. (компонент паргасита)
- ^ Кон, MJ и Спир, FS (1990): Am. Мин. 75:89-96. (чермакитовый компонент)
- ^ Хаммерстром, Дж. М. и Дзен, Э.-ан. (1986): Ам. Мин. 71:1297-1313.
- ^ Холлистер, Л.С., Гриссом, Г.К., Питерс, Э.К., Стоуэлл, Х.Х. и Сиссон, В.Б. (1987): Am. Минерал. 72:231-239.
- ^ Джонсон и Резерфорд (1989): Геология 17: 837-841.
- ^ Голландия, TJB; Пауэлл, Р. (08 октября 2004 г.). «Внутренне согласованный набор термодинамических данных для фаз, представляющих петрологический интерес: ВНУТРЕННЕ СОГЛАСОВАННЫЙ НАБОР ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ДАННЫХ» . Журнал метаморфической геологии . 16 (3): 309–343. дои : 10.1111/j.1525-1314.1998.00140.x .
- ^ Пауэлл, Р.; Холланд, Т.; Уорли, Б. (июнь 1998 г.). «Расчет фазовых диаграмм твердых растворов с помощью нелинейных уравнений, с примерами с использованием THERMOCALC» . Журнал метаморфической геологии . 16 (4): 577–588. Бибкод : 1998JMetG..16..577P . дои : 10.1111/j.1525-1314.1998.00157.x . ISSN 0263-4929 . S2CID 129301254 .
- ^ Коннолли, Дж. А. Д. (1 июня 1990 г.). «Многомерные фазовые диаграммы; алгоритм, основанный на обобщенной термодинамике» . Американский научный журнал . 290 (6): 666–718. Бибкод : 1990AmJS..290..666C . дои : 10.2475/ajs.290.6.666 .
- ^ Коннолли, JAD (июль 2005 г.). «Расчет фазовых равновесий с помощью линейного программирования: инструмент геодинамического моделирования и его применение для декарбонизации зоны субдукции» . Письма о Земле и планетологии . 236 (1–2): 524–541. Бибкод : 2005E&PSL.236..524C . дои : 10.1016/j.epsl.2005.04.033 .
- ^ Коннолли, Джеймс А.Д.; Гальвез, Матье Э. (01 ноября 2018 г.). «Образование электролитической жидкости путем минимизации энергии Гиббса и последствия для массопереноса в зоне субдукции» . Письма о Земле и планетологии . 501 : 90–102. Бибкод : 2018E&PSL.501...90C . дои : 10.1016/j.epsl.2018.08.024 . ISSN 0012-821X . S2CID 134999977 .
- ^ Коннолли, JAD; Петрини, К. (сентябрь 2002 г.). «Автоматизированная стратегия расчета участков фазовой диаграммы и восстановления свойств горных пород в зависимости от физических условий» . Журнал метаморфической геологии . 20 (7): 697–708. Бибкод : 2002JMetG..20..697C . дои : 10.1046/j.1525-1314.2002.00398.x . ISSN 0263-4929 . S2CID 73603565 .
- ^ Коннолли, JAD; Керрик, DM (1 января 1987 г.). «Алгоритм и компьютерная программа для расчета фазовых диаграмм состава» . Кальфад . 11 (1): 1–55. дои : 10.1016/0364-5916(87)90018-6 . ISSN 0364-5916 .
- ^ Ланари, Пьер; Видаль, Оливье; Де Андраде, Винсент; Дубак, Бенуа; Левин, Эрик; Грош, Юджин Г.; Шварц, Стефан (1 января 2014 г.). «XMapTools: программа на базе MATLAB© для обработки электронных микрозондовых рентгеновских изображений и геотермобарометрии» . Компьютеры и геонауки . 62 : 227–240. дои : 10.1016/j.cageo.2013.08.010 . ISSN 0098-3004 .
- ^ Маццучелли, Маттиа Лука; Ангел, Росс Джон; Альваро, Маттео (2021). «EntraPT: онлайн-платформа для упругой геотермобарометрии» . Американский минералог . 106 (5): 830–837. Бибкод : 2021AmMin.106..830M . doi : 10.2138/am-2021-7693ccbyncnd . Проверено 1 августа 2023 г.
- ^ Ангел, Росс Дж.; Мурри, Мара; Михайлова, Бориана; Альваро, Маттео (01 февраля 2019 г.). «Стресс, деформация и комбинационные сдвиги» . Журнал кристаллографии - Кристаллические материалы . 234 (2): 129–140. дои : 10.1515/zkri-2018-2112 . ISSN 2196-7105 . S2CID 105926659 .
- ^ Перейти обратно: а б Ангел, Росс Дж.; Альваро, Маттео; Гонсалес-Платас, Хавьер (01 мая 2014 г.). «EosFit7c и модуль (библиотека) на Фортране для расчета уравнений состояния» . Журнал кристаллографии - Кристаллические материалы (на немецком языке). 229 (5): 405–419. дои : 10.1515/zkri-2013-1711 . ISSN 2196-7105 . S2CID 56434995 .
- ^ Гонсалес-Платас, Дж.; Альваро, М.; Нестола, Ф.; Ангел, Р. (01 августа 2016 г.). «EosFit7-GUI: новый графический интерфейс пользователя для вычислений, анализа и обучения уравнениям состояния» . Журнал прикладной кристаллографии . 49 (4): 1377–1382. дои : 10.1107/S1600576716008050 . ISSN 1600-5767 .
- ^ 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, Гуидотти, CV и Томсон, JA (2005) Поверхность насыщения титаном метапелитового биотита низкого и среднего давления: значение для геотермометрии и механизмов замещения Ti. Американский минералог, 90, 316–328.
- Гуидотти, К.В., Чейни, Дж.Т. и Генри, Д.Д. (1988) Изменение состава биотита как функция метаморфических реакций и минеральных комплексов в пелитовых сланцах западного штата Мэн: Американский журнал науки - Мемориальный том Уонса, т. 288A, 270- 292.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Программное обеспечение Thermo-Calc — его можно приобрести онлайн вместе с рядом баз данных, однако на их веб-сайте также есть бесплатный образовательный пакет https://thermocalc.com/academia/free-educational-package/.
- THERMOCALC (Holland & Powell) — в настоящее время его можно бесплатно загрузить онлайн для всех, поскольку доступен широкий спектр баз данных. См. руководство по загрузке по адресу: https://hpxeosandthermocalc.org/the-thermocalc-software/thermocalc-get-started/thermocalc-download-guide/.