变质作用的地质温度计和压力计
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发布时间：2022-04-20 08:57
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时间：2023-08-16 12:37
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两个反应式；②解出该两个反应式的平衡温压条件，该两个平衡的反应线在P-T图上必有一交点，这是该两个反应在一个岩石中达到平衡时的温压条件，即该组合平衡的P-T值。一般要求这两个反应式均应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，交换反应总是体积变化比较小的，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P-T图上，斜率大的反应线受温度控制，所以是好的温度计；而斜率较小的反应主要受控于压力，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的温度计，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.石榴子石（Grt）－黑云母（Bi）Fe-Mg交换温度计
Grt-Bi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子石的样品，镜下鉴定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，根据测试结果中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：
，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＆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={[20+9.56P]/（0.782-ln KD）｝-273
式中：T的单位为℃；P的单位为kbar;KD=（Fe/Mg）Bi/（Fe/Mg）Grt。显然，其他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子石应是低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）≤0.5
Perchuk＆Lavrent'eva（1983）亦对Grt-Bi间的Fe-Mg分配做了实验，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（19）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={[30+9.56P]/（2.868-ln KD））-273
式中：T的单位为℃；P的单位为kbar；该式计算结果与Ferry＆ Spear温度计对比，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，Grt-Bi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，而对于石榴子石边缘则影响较大。所以在富含黑云母的岩石中，宜用石榴子石的核部成分来与基质黑云母作为矿物对进行计算。不过，首先要弄清楚石榴子石（核部）与基质黑云母曾经处于平衡状态。
2.石榴子石（Grt）－单斜辉石（Cpx）温度计
多适用于较高级的基性变质岩类，如石榴角闪岩、石榴麻粒岩、石榴橄榄岩和榴辉岩等。
Ellis＆Green（1979）所提出Grt-Cpx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：
岩石学（第二版）
反应中
即石榴子石中Ca的替代问题，他们提供的温度计是：
岩石学（第二版）
式中：T的单位为℃；P的单位为kbar；分配系数KD=（Fe2+/Mg）Grt/（Fe2＋/Mg）Cpx。
最近有人研究认为Ellis＆Green的温度计，当用于压力约10kbar（1GPa）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ln KD与
之间的曲线关系：
岩石学（第二版）
式中：T的单位为℃；P的单位为kbar；据新近实际应用结果，认为Ellis＆ 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。
Grt-Cpx温度计没有考虑单斜辉石化学成分变异所带来的影响，当
（即单斜辉石中硬玉的组分）增大时，KD值往往降低，特别当
时，影响更大。
总之，Grt-Cpx 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）相关文献。
3.二辉石地质温度计
顽火辉石（En）－透辉石（Di）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Di-En二元连线（Mg2Si2O6-Ca Mg Si2O6）所含的杂质较少。Wells（1977）利用Mori与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：
岩石学（第二版）
经整理后可得：
岩石学（第二版）
式中：
代表单斜辉石中Mg2Si2O6组分的活度，所求得的T单位为开［尔文］（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（斜长石系列）和Ab-Or（碱性长石系列）分别是固溶体。斜长石－碱性长石两种长石的共存蕴含许多热力学信息，多数二长石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，对第三种组分含量很低的长石是比较有效的，但是在高温时第三种组分含量就高了。现今新的二长石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。较先进的二长石温度计，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石温度计等软件包，通过http://www.ndsu.nodak.e/instruct/sainieid/software/software_list_shtml。可以获取。
二长石温度计在麻粒岩相的高级片麻岩中运用较为成功（Bohlen et al.,1985），在此类岩石中富Ab的斜长石从碱性长石中出溶，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）。
二长石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（Cc）－白云石（Dol）温度计
在Cc-Dol体系中有一个混溶间隔（图9-5），在此区内是白云石和方解石两相共存，但其中方解石的Mg含量因温度而改变。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，然而多数碳酸盐矿物是含Fe CO3和Mn CO3等附加组分的，Powell eta L（1984）曾对Fe CO3对Cc-Dol温度计的影响作过评估。
图9-5 方解石－白云石T-X图示混溶间隔与温度的关系
（据Powel et al.,1984）
成分变量XMg，方解石端元为0，白云石端元为1，方解石中的Mg含量是温度的函数
将Cc-Dol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300～400℃。所以Cc-Dol温度计对于低级造山变质和接触变质更为适用。
Ferry（2001）证实，在高级大理岩中可以发现被包裹于镁橄榄石中的高镁方解石晶粒，在白云石大理岩中生长的镁橄榄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Cc-Dol熔线温度为600～700℃，它反映了镁橄榄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①Grt-Al2SiO5-Q-Pl组合和②Grt-Rt－铝硅酸盐－Ilm-Q组合。
6.斜长石－角闪石温压计
Hammarstrom ＆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（Aιtot）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压力计的经验公式：
P=-2.92+5.03×Aιtot r2=0.80
式中：P的单位为kbar。压力计适用范围1.5～3kbar，以及7～10kbar（1kbar=108Pa）。
Hollister et al.（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
P=-4.76+5.×Aιtoo r2=0.97；误差±1kbar
式中：P的单位为kbar。以上的两个经验公式仅限在包含有特定的矿物组合（Q+Pl+Kf+Amp+Bi+Sph＋铁钛氧化物）的钙碱性岩石中使用。
Johnson＆Rutherford（19）运用了具有上述矿物组合的天然的流纹质岩浆的火山相和侵入相进行了试验。试验具有fo2缓冲，压力适用范围2～8kbar（200～800MPa），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=-3.46+4.23×Aιtot r2=0.99；误差±0.5kbar
式中：P的单位为kbar。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才能排除。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=-3.01+4.76×Aιtot r2=0.99；误差±0.6kbar
式中：P的单位为kbar。这一校准试验在2.5～13kbar（250～1300MPa）条件下进行，计算结果与前面提到的经验公式结果十分相近。
Anderson（1995）提出了加入温度校正的角闪石压力计公式：
P=4.76 Aιtot-3.01［（T-675）/85］×［0.530 Altot+0.005294（T-675）］r2=0.99；误差士0.6kbar；温度T的单位为℃；压力P的单位为kbar。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＆Holland（1990）提出了基于反应：
Na Ca2Mg5Si4（Al Si3）022（OH）2+4SiO2=Ca2Mg5Si8O22（OH）2+Na Al Si308
试验条件为1～2kbar（100～200MPa）,500～1100℃的角闪石－斜长石地质温度计：
岩石学（第二版）
式中：K=［（Si-4）×XAb/（8-Si）］;Si为角闪石结构分子式中的Si原子数，XAb为斜长石中钠长石的摩尔分数；当XAb>0.5时，Y=0，当XAb<0.5时，Y=-0.806+25.5（1-XAb）2。P为压力（bar）,T为热力学温度（K）。
7.Grt-Al2SiO5-Qtz-Pl（GASP）压力计
GASP压力计利用的反应为：
Gro（钙铝榴石）＋2Al2SiO5+Q=3An
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900～1400℃范围内端元组分反应已有缜密的校验，而对于500～800℃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。Mc Kenna＆ Hodges（1988）提出在Al2SiO5为Ky时应用下式：
P=（22.0+1.5）T-（6200+3000）
式中：P的单位为kbar; T的单位为℃。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2.5kbar（250MPa）。
该压力计的另外一个问题是：在变质泥质岩中石榴子石的钙铝榴石的含量偏低，这可引起对石榴子石中低含量Ca的测定带来大的误差，也就转而影响到其成分的推测性太大，因为实验数据中用的是纯的Gro。更重要的是，石榴子石中Gro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Gro的石榴子石（P=6～10kbar，即600～1000MPa）。
8.Grt-Rt-Al2SiO5－Ⅱm-Qtz（GRAIL）压力计
GRAIL压力计利用的反应式是：
Alm+3Rt=3Ilm+Als+2Qtz
式中Als表示Al2SiO5矿物。Bohlen et al.（1986）对该反应作过实验研究实验曲线如图9-6。
图9-6 Grt-Rt-Al2SiO5-Ilm-Qtz（GRAIL）压力计
（据Bohlen et al.,1986）
实验的温度范围750～1100℃，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）在所经校验的温压范围内，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，只有石榴子石和钛铁矿两种矿物在普通变质岩中，呈固体溶液出现。
（4）对石榴子石、钛铁矿进行分析时，只需获得其主要成分，无需作很宽范围的推断。
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他压力计相比，能很好吻合，因之地质上是合理的。
9.电子探针分析中Fe3+/Fe2＋的估算
电子探针给出的是全铁（TFe）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（如变泥质岩的石榴子石及某些辉石），此种计算是可行的。但对于其他复杂的矿物，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。石榴子石和辉石（还有尖晶石）的Fe3＋有意义的计算要求电子探针结果是高质量的，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，在石榴子石、辉石中均不得超过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TFe=Fe2＋。尖晶石是特别麻烦的，因为经常有空位和Fe3＋，只有少数尖晶石是铁尖晶石（含Fe2＋）－尖晶石（含Mg）的简单固体溶液。
建议将TFe=Fe2＋，用于角闪石、黑云母及其他复杂的矿物，如若在石榴子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＋时，应十分小心，谨慎使用。
10.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＜Thermobarometry＞，下载网址：http://ees.geo.rpi.e/Meta Peta Ren，文件名是GTB2003，作者还提供了操作指南。
