成因矿物学地质温压计new.ppt

Chap.Chap.5 5矿物矿物地质温压计地质温压计§ §1 1 概述• 矿物温压计：利用矿物各种标型来判断 地质体形成的具体温度和压力即由矿 物学特征测量矿物平衡温度和压力的数 学模型 • 矿物地质温压计是利用矿物的特征来估 测矿物平衡温度和压力的方法它的理 论基础是矿物的标型学说和热力学平衡 理论属于半定量性质为主的估测方法 矿物地质温压计是以矿物特征为基础的；其所依 据的特征不同，就有不同类型的矿物温压计，一 般可利用的矿物特征有：化学成分、离子的占位 数量、晶格位错、气液包裹体、熔点、同质多象 转变点、固熔体熔离点、晶体形态、热电性、点 导率、热效应、颜色等，与之相应，就有不同类 型的矿物温压计类型： • 一、成分温压计 • （一）类质同象温压计 • （二）元素分配温压计（离子交换地质温压计） • 微量元素分配温压计 • 常量元素分配温压计 • （三）稳定同位素温压计• 二、结构温压计 • （一）同质多象转变温压计 • （二）元素占位温压计 • 三、形态温压计：晶体表面能计算温压计 • 四、物理性质温压计 • 导电率的测定、热电系数测定、差热分 • 析直接测定、矿物分解温度测定、固熔 体 • 离熔温度测定。

• 五、气液包体温压计 • 六、其他：共结温度测定、矿物重结晶温度 • 测定、标型矿物组合指示温度测定• 理论基础：• 熵变 ＝－R• 能量变化 • 焓变 • 体积变化 • 自由能变化 ＝ RT• • 化学位 i ＝ i ＋ RT ln• 元素在共生矿物中的分配遵循Nernst 分配定律：• • 令分配系数 KD＝ • 则 lnKD ＝ - /RT＝ -( - )/RT• ∵ ＝ - T• 则 lnKD ＝ - +• 三、符号• 1. ：• 固溶体矿物中化学组分i之摩尔分数• ＝≤ 1• 2. i mol.% ＝100 ：• 矿物中组分i之摩尔百分数 • 3. ：• 占位系数：固溶体矿物的单位分子中，某种组分i在某套等效结构位置k上，所占据的数量比率• ＝≤ 1• 4. ：• 组分i在共生固溶体矿物和中的分配系数。

• ＝• ＝＝• 5. ：• 固溶体矿物中离子占位的平衡系数： • 同一固溶体矿物中不同的等效结构位置上的组分i的分配系数• ＝ • 6. ： • 同一组分i 在共生固溶体矿 物和中的分离系数• ＝ • 7. R ：• R ＝ 1.9872 cal·mol-1·K-1 • ＝ 8.3143 J·mol-1·K-1 • 8. • ： 反应的焓效应• ： 反应的熵效应• ： 反应的固相容积效应• ：温度T时反应的自由能改变量• ：压力105Pa和温度T 时反应的自由能改变量• ： 固溶体矿物中，化学组分i的过剩自由能• ： 固溶体矿物中，化学组分i的活度• mol.% ： 摩尔百分数• wt% 或 wB% ： 质量百分 数• T ： 绝对温度（K）• t ： 摄氏温度（℃）• P ： 压力（105 Pa）§ §2 2 成分地质温压计成分地质温压计• • § §2.1 2.1 类质同象温压计类质同象温压计• • 条件：矿物中某元素的条件：矿物中某元素的类质同象代换类质同象代换 数量数量取决于取决于温度和压力温度和压力时，可作为温时，可作为温 压计使用。

压计使用 • • 作为温压计的矿物常常成分简单，元作为温压计的矿物常常成分简单，元 素彼此成等构造代换如闪锌矿中的素彼此成等构造代换如闪锌矿中的Zn—FeZn—Fe的代换• 使用类质同象温压计要注意的问题： • （1）选择矿物成分简单或类质同象代换简 单的矿物 • （2）当利用某元素在某矿物中代换数量作 温压计时，必须介质中该元素浓度达“饱和 ”，可根据共生矿物判断如闪锌矿与磁黄 铁矿共生，说明闪锌矿中的Fe 浓度已达到 饱和 • （3）矿物本身和共生矿物最好达平衡，如 晶体内出现环带构造，矿物间出现交代关 系则是不平衡的表现• （4）注意要有温压校正 • （5）元素特别是微量元素代换作温压 计时，要注意地球化学背景值• 缺点：受介质中元素浓度的影响较大 ，造成判断温度的误差• 1、闪锌矿 • 自然界中闪锌矿中Fe2+代替Zn2+最高可达26 ％（重量百分比），相当于45％（分子数比 ） • 2FeS+2S=2FeS2 FeS+S=Fe1-xS • 进入闪锌矿中FeS的量是闪锌矿形成温度的 函数 • 但必须介质中FeS浓度较高，闪锌矿与磁黄 铁矿或与黄铁矿＋磁黄铁矿平衡共生时，这 种函数关系才存在。

• 在290－500℃范围内，闪锌矿中FeS的含量 为一常数，在此范围内不能做温度计，只能 在200－290℃、500－580℃范围内才可应用 • 在一个大气压下，硫的逸度（ ）形成温度及闪锌矿中FeS量之间 为一函数关系： • FeS％(分子数百分比)＝ (1)• 硫逸度公式为：（2）• 联立方程（1）和（2）,就可以求出 闪锌矿和磁黄铁矿的平衡温度与是磁黄铁矿中FeS的克分子率温度单位为K• 确定闪锌矿中FeS %： • （1）X射线衍射：测定闪锌矿的晶胞参 数a0，利用图查出FeS% • （2）根据电子探针或化学分析结果计算 ： • Fe(wt%)/55.847(Fe原子量)/ • (Fe(wt%)/ 55.847+Zn(wt%)/65.39)• 例如：与黄铁矿、磁黄铁矿共生的闪锌 矿的成分是Zn 59.66(Wt%)，Fe 7.32，S 33.02• 则FeS %＝(7.32/55.847)÷ • （ (7.32/55.847)＋（59.66/65.39） ）是磁黄铁矿中FeS的克分子率， 求法是将化学分析的重量百分比换 算成Fe、S原子比，将Fe和S按1：1 的比例结合成FeS，多余的S原子换 算成 分子数。

则• 如果已知 及闪锌矿 FeS%， 则在下图 中可查出 温度• 闪锌矿地质压力计： • 闪锌矿中FeS的摩尔分数不仅和温度 有关，而且和压力也有明显的相关性 ，FeS的摩尔分数越小，则压力越大 • 据M.N.HutchisonWaston,2007)(2)金红石中Zr温度计(Waston,2006)• (3)榍石中的Zr地质温度计• log(Zrsph) = 11.30 - 9615/T（在P＝1GPa条 件下）• T单位为K， • 结晶温度低于~725°C 的榍石和结晶温度低 于~ 850°C 的锆石，其成分需要用LA- ICP/MS or SIMS 来测定；电子探针（ EMPA）可用于测结晶温度低至约500℃的 金红石• 上述三个温度计中，由于Ti在锆石中的扩 散最慢，因此锆石Ti温度计的封闭温度最 高；金红石中Zr扩散最快，其对于的封闭 温度最低；榍石中Zr 的扩散介于二者之 间，因此其温度计的封闭温度也介于二者 之间 • 由于金红石中的Zr扩散相对较快，使得在 一些退变质环境中，Zr部分扩散与低于 600℃的温度再平衡的可能性增加 • §2.2§2.2 元素分配元素分配( (离子交换离子交换) )温压计温压计• 一、原理：• 共生的固溶体矿物，常具有某一种或某几 种相同的元素。

在共生的矿物中，存在元 素分配的问题• 同样，在同一矿物晶体中，非等效结构位 置之间可以有一种或几种相同的离子（原 子），不同结构位置之间也存在离子（原 子）交换的问题，即元素分配的问题• 元素分配是受热力学定律所支配的为该元素在相1和相2中溶解热之差，可 以根据实验求出；R为气体常数，B为积分 常数，也能求出，T为温度原理：在一定的温度和压力下，元素在共存 相（或在同一晶体不同结构位置）之间的分 配系数是一常数分配系数随温度的变化关 系式为：微量元素在矿物中的浓度低，与液态 的稀释溶液相似，因而趋向于理想溶 液微量元素在共存矿物相之间的分 配遵循Nernst分配定律• 若将天然矿物视为理想溶体或近于理想溶体，则：• 1） 某种元素在共生矿物之间或在不同等效结构位置之间的分配数量之比，是受T • 2.必须要有可靠的矿物化学成分资料；必须区分Fe2+和Fe3+;3．有时需晶体结构数据;• 4．必须掌握矿物学和晶体化学知识• 要注意的问题：（1）使用的矿物对必须平衡共生；因为分配 系数是在一定的温度、压力及组分浓度条件 下的平衡状态求得2）元素的赋存状态必须是类质同象混入物 ，因为这样才能在矿物中均匀分布和受热力 学条件的控制，不能是机械混入物或表面吸 附；（3）在利用电子探针来确定微量元素含量时 ，要选择相互毗邻的矿物，因为相互毗邻 的矿物达到平衡的机会更多；（4）在岩石中，往往多世代的矿物相互叠加 ，因此所选的矿物应属于同一世代。

注意：所得温度为矿物达到平衡时的温度 ，而不是结晶时的温度• 注意： • 天然的固熔体矿物及其组合不可能完全符 合理想溶液热力学模型，而是不同程度地 偏离理想模型，再加上矿物的实验研究还 不过充分，因此现有的离子交换温压计估 测得到的温度和压力，只能是半定量的 • 尽管如此，在研究矿物成因、岩石和矿石 成因以及分析自然作用的演变规律时，运 用这些温压计数据进行相对的分析，仍有 重要的意义•二、种类• 1、 共生矿物的元素分配GTB• 2、一种矿物中不同结构位置之间的元素分配GTB• 三、符号：• 1. ：• 固溶体矿物中化学组分i之摩尔分数• ＝≤ 1• • 熵变 ＝－R• 焓变• 自由能变化 ＝ RT• • 化学位 i ＝ i ＋ RT ln• Nernst分配定律• 研究某一组分同时存在于平衡的两相中的分配定律• 令 KD＝ • 则 lnKD ＝ - /RT＝ -( - )/RT• ∵ ＝ - T• 则 lnKD ＝ - +• 1、橄榄石(Ol)和辉石(Py)Ni分配温度计 • 1965年3月5日夏威夷火山爆发的熔体中析 出部分橄榄石和辉石，它们与残余熔体处 于平衡状态。

这为研究Ni在橄榄石、辉石 、熔体三种相中的分配，以及确定分配系 数与温度间的关系，提供了天然的良好条 件 • 测定每次采样温度的同时，用电子探针测 定橄榄石、辉石和玻璃质中的Ni含量 • 测定结果见下表：四、四、 不同共生矿物相、矿物－熔体不同共生矿物相、矿物－熔体 相之间的元素分配地质温压计相之。