成因矿物学 地质温压计new

能量变化 E H 焓变 体积变化 V G ＝ RT ( i ln i ) 自由能变化 i
i
理论基础： ΔS ＝－R ( i ln i ) 熵变
化学位
i ＝ i ＋ RT ln
0
i
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
χ
α i
χ
0
： i
mol.%
：
摩尔百分数
：
wt% 或 wB%
质量百分数
T t
：
绝对温度（K） 摄氏温度（℃）
5 Pa） 压力（10
：
P
：
§2 成分地质温压计
§2.1 类质同象温压计 条件：矿物中某元素的类质同象代换 数量取决于温度和压力时，可作为温 压计使用。 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 Zn—Fe的代换。
（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)÷
§2.2 元素分配(离子交换)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。
KDi＝
i ( k ) 1
[1 i (k ) ] i (k ) [1 i (k ) ]
1

2
2

6.
K
： i
同一组分i在共生固溶体矿物 和中的分离系数。
K
＝ α χi i
χ
β i
7.
R
：
R ＝ 1.9872 cal· -1· -1 mol K ＝ 8.3143
温度范围℃ In (ppm) 温度范围℃ 400－450 1000 300－400 300－350 100 250－350 200－250 50 100－200
Ge (ppm)
Ga (ppm) Tl (ppm)
7
25 0.4
50
40 4.5
170
50 10
2、石英中Ti地质温度计（David A. Wark ，E.
-1· -1 J· mol K
8.
H ： 反应的焓效应
0
S
0
： 反应的熵效应
V ： 反应的固相容积效应
G T
改变量
：温度T时反应的自由能
G
0 ：压力105Pa和温度T时 T
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
Gi
e ()
：
固溶体矿物中， 化学组分i的活度
a
矿物中组分i之摩尔百分数。
3.
χ
α ： i (k )
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。
χ
α f.u. 中 k 位 上 的 i 离 子 数( 或 ＝ f.u. 中 k 位 的 数 目 i (k )
分 子 数)
≤1
4.
K
Di
：
组分i在共生固溶体矿物和中
Chap.5
矿物地质温压计
§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
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。
P (42.3 32.1 lg( FeSmol %) ) 100
sph
据M.N.Hutchison&S.D.Scott,1981 式中压力单位是MPa。
闪锌矿中的In Cd Tl Ga Ge的含量 也与温度有定量关系：
（ (7.32/55.847)＋（59.66/65.39） ）
X FeS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 S2 分子数。则
X FeS FeS /( FeS S2 )
如果已知 fs2 及闪锌矿 Feபைடு நூலகம்%，则 在下图中可 查出温度。
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：
ln K D (H / RT ) B
H 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。
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 & P的支配的。
2）分配的数量比是温压的函数。
矿物离子交换GTB的基本原理：
根据 矿物的成分特点或
矿物中元素的占位特点，可以推测 矿物平衡时的温度 & 压力。
常量元素在共存矿物中的分配原理，与 微量元素相同。 但是由于常量元素浓度较大，不是理想 溶液，因此平衡常数与温压的关系须通 过大量的实验工作和野外工作来确定， KD值应根据复合分配系数来计算。
（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。
的分配系数。
K
Di
＝
χ χ
α i β i
(1 χ (1 χ
α ) i β ) i
K
＝ Di
χ χ
β i α i
(1 χ (1 χ
β ) i α ) i
＝
1 K
Di
5.
KDi
：
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。
log(Tizircon) = 6.03 - 5080/T(P=1GPa) (Waston,2007)
锆石中Ti地质温度计可广泛应用于岩 浆岩和变质岩岩石结晶温度的计算。
(2)金红石中Zr温度计(Waston,2006)
金红石中Zr的含量是 温度的函数。 式中Zr的单位为ppm 金红石Zr温度计对压 力有点敏感。
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。
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。
二、元素分配温压计应用条件和注意 问题： 应用条件：
1．共生的固溶体矿物和单种矿物 必须达到平衡; 2.必须要有可靠的矿物化学成分
log (Zrrut) = 7.36 - 4470/T (P=1GPa;Waston,2007)
(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LAICP/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。
（1）锆石Ti温度计((E. B.Watson ,D. A.Wark ,J. B. Thomas,2005,2006)
1）原理：锆石中的Zr可以被Ti呈类质同象替代
2）实验结果表明：锆石中Ti的含量是 形成温度和TiO2活度的函数。