1、第五章礦物地?zé)嵊?jì)，1概述，礦物地?zé)嵊?jì)：使用各種類型的礦物來判斷地質(zhì)體形成的具體溫度和壓力。也就是說，從礦物學(xué)特征測量礦物平衡溫度和壓力的數(shù)學(xué)模型。礦物地?zé)嵊?jì)是一種利用礦物特性估算礦物平衡溫度和壓力的方法。其理論基礎(chǔ)是標(biāo)準(zhǔn)類型理論和礦物熱力學(xué)平衡理論。這是一種半定量的估計(jì)方法。礦物地?zé)嵊?jì)基于礦物特性；根據(jù)不同的特點(diǎn)，有不同類型的礦物溫度計(jì)。一般來說，可用的礦物特征包括：化學(xué)成分、離子占據(jù)數(shù)、晶格位錯(cuò)、氣液夾雜、熔點(diǎn)、均質(zhì)多像轉(zhuǎn)變點(diǎn)、固體熔融熔點(diǎn)、晶體形態(tài)、熱釋電、點(diǎn)電導(dǎo)率、熱效應(yīng)、顏色等。相應(yīng)地，有不同類型的礦物溫度計(jì)。類型：1。成分溫度計(jì)(1)同位素溫度計(jì)(2)元素分布溫度計(jì)(離子交換地理溫度

2、計(jì))微量元素分布溫度計(jì)(3)穩(wěn)定同位素溫度計(jì)，2。結(jié)構(gòu)溫度計(jì)(1)同質(zhì)多像變換溫度計(jì)(2)元素占有率溫度計(jì)3。形態(tài)溫度計(jì)：晶體表面能計(jì)算溫度計(jì)4。物性溫度計(jì)電導(dǎo)率的測定、熱電系數(shù)、差熱分析的直接測定、礦物分解溫度的測定和熔體分離溫度的測定。五、氣液包裹體溫計(jì)六、其他：聚結(jié)溫度的測定、礦物重結(jié)晶溫度的測定、標(biāo)準(zhǔn)礦物組合指示溫度的測定。理論基礎(chǔ)：熵變化=-r能量變化焓變化體積變化自由能變化=rt化學(xué)位置I=I rt ln。共生礦物中元素的分布遵循能斯特分布規(guī)律：如果分布系數(shù)KD=lnkd=-/rt=-(-)/rt，如果87=-t是lnkd=-，iii，符號(hào)1:固溶體礦物中化學(xué)組分I的摩爾分?jǐn)?shù)。=

3、1，2.i mol。%=100:礦物中組分1的摩爾百分比。3。占據(jù)系數(shù)：在一組等效結(jié)構(gòu)位置k中，單位分子固溶礦物中組分的數(shù)量之比，等于 1，4。組分在共生固溶體礦物和礦物中的分配系數(shù)。=，=，5。固溶體礦物中離子占據(jù)的平衡系數(shù)：同一固溶體礦物中不同等效結(jié)構(gòu)位置的組分一的分配系數(shù)。=，6。共生固溶體礦物中相同組分I的分離系數(shù)。=，7 . r:r=1.9872 calm ol-1k-1=8.3143 jmol-1k-1，8。反應(yīng)的焓效應(yīng)：反應(yīng)的熵效應(yīng)：反應(yīng)的固相體積效應(yīng)：反應(yīng)在溫度t下的自由能變化：反應(yīng)在壓力105帕和溫度t下的自由能變化：固溶體礦物中化學(xué)組分I的過量自由能。在固溶體礦物中，化學(xué)成

4、分的活性是摩爾。%: mol% wt%或wB%:質(zhì)量%，t:絕對(duì)溫度(K) t:攝氏度溫度() P:壓力(105帕)，雙組分地?zé)嵊?jì)，2.1級(jí)同晶熱計(jì)條件：當(dāng)?shù)V物中元素的同晶取代量取決于溫度和壓力時(shí)，它可用作熱計(jì)。用作溫度計(jì)的礦物通常成分簡單，元素在同等結(jié)構(gòu)中相互替換。如閃鋅礦中的鋅鐵置換。(1)選擇礦物組成簡單或同構(gòu)替代簡單的礦物。(2)當(dāng)?shù)V物中元素的置換量用于溫壓定時(shí)時(shí)，介質(zhì)中元素的濃度必須達(dá)到“飽和”，這可以根據(jù)共生礦物來判斷。如果閃鋅礦與磁黃鐵礦共存，閃鋅礦中的鐵濃度達(dá)到飽和。(3)礦物本身和共生礦物最平衡。如果晶體中有環(huán)狀結(jié)構(gòu)，礦物之間的交代就是一種不平衡。(4)注意溫度和壓力校正。(

5、5)在用溫壓計(jì)時(shí)代替元素特別是微量元素時(shí)，應(yīng)注意地球化學(xué)背景值。缺點(diǎn)：受介質(zhì)中元素濃度的影響很大，導(dǎo)致溫度判斷錯(cuò)誤。(1)在閃鋅礦中，F(xiàn)e2可取代Zn2達(dá)26重量%，相當(dāng)于45重量%。進(jìn)入閃鋅礦的FeS的量是閃鋅礦形成溫度的函數(shù)。然而，這種函數(shù)關(guān)系僅在介質(zhì)中FeS濃度較高且閃鋅礦與磁黃鐵礦或黃鐵礦磁黃鐵礦平衡共存時(shí)存在。閃鋅礦中的FeS含量在290-500范圍內(nèi)是一個(gè)常數(shù)，在此范圍內(nèi)不能用作溫度計(jì)，只能在200-290，500-580范圍內(nèi)使用。在一個(gè)大氣壓下，硫的逸度()生成溫度與鐵閃鋅礦中的鐵含量呈函數(shù)關(guān)系：鐵閃鋅礦(分子數(shù)百分比)=(1)，硫的逸度公式為：(2)聯(lián)立方程(1)和(2)，閃

6、鋅礦和磁黃鐵礦的平衡溫度和磁黃鐵礦中鐵的摩爾比度-天可確定為k，閃鋅礦中的鐵含量可確定為：(1) X射線衍射：閃鋅礦的晶胞參數(shù)a0可確定(2)基于EPMA或化學(xué)分析結(jié)果的計(jì)算：鐵(重量%)/55.847(鐵原子量)/(鐵(重量%)/55.847鋅(重量%)/65.39)例如，與黃鐵礦和磁黃鐵礦共存的閃鋅礦的組成為鋅59.66(重量%)、鐵7.32和硫33.02。那么，F(xiàn)eS %=(7.32/55.847)(7.32/55.847)(59.66/65.39)是磁黃鐵礦中FeS的摩爾比。解決方法是將化學(xué)分析的重量百分比轉(zhuǎn)化為鐵/硫原子比，將鐵和硫按1: 1的比例結(jié)合成鐵硫，將多余的硫原子轉(zhuǎn)化為分子

7、數(shù)。然后，如果已知閃鋅礦FeS%，溫度可以在下圖中找到。閃鋅礦風(fēng)速計(jì)：閃鋅礦中FeS的摩爾分?jǐn)?shù)不僅與溫度有關(guān)，而且明顯與壓力有關(guān)。硫化亞鐵的摩爾分?jǐn)?shù)越小，壓力越大。根據(jù)m n Hutchison Washington，2007，(2)金紅石中的鋯溫度計(jì)(Washington，2006)，(3)鋯地質(zhì)溫度計(jì)測井(Zrph)=11.30-9615/T(在p=1 GPA的條件下)，T單位為k，結(jié)晶溫度低于-725c的榍石和結(jié)晶溫度低于-850c的鋯石，其組成需要通過LA-ICP/MS或SIMS測定；電子探針(EMPA)可用于測量結(jié)晶溫度低至約500的金紅石。在上述三種溫度計(jì)中，鋯石鈦溫度計(jì)的密封溫度

8、最高，因?yàn)殁佋阡喪袛U(kuò)散最慢。鋯在金紅石中擴(kuò)散最快，對(duì)金紅石的封閉溫度最低。鋯在榍石中的擴(kuò)散介于兩者之間，因此其溫度計(jì)的密封溫度也介于兩者之間。由于鋯在金紅石中的擴(kuò)散相對(duì)較快，在某些回生環(huán)境中，當(dāng)溫度低于600時(shí)，鋯再平衡的部分?jǐn)U散的可能性增加。2.2元素分布(離子交換)溫度計(jì)，1。原理：共生固溶體礦物通常含有一種或多種相同的元素。在共生礦物中，存在元素分布的問題。類似地，在同一礦物晶體中，在不相等的結(jié)構(gòu)位置之間可能存在一個(gè)或多個(gè)相同的離子(原子)，并且在不同的結(jié)構(gòu)位置之間也存在離子(原子)交換的問題，即元素分布的問題。元素的分布受熱力學(xué)定律支配。是該元素在相1和相2中的溶解熱之間的差異，可以

9、通過實(shí)驗(yàn)找到。r是氣體常數(shù)，b是積分常數(shù)，也可以得到，t是溫度。原理：在一定的溫度和壓力下，共存相(或同一晶體中不同結(jié)構(gòu)位置)的元素分布系數(shù)是一個(gè)常數(shù)。分布系數(shù)與溫度的關(guān)系如下：微量元素在礦物中的濃度較低，類似于液體稀溶液，因而趨于理想溶液。共存礦物相之間微量元素的分布遵循能斯特分布規(guī)律。如果天然礦物被認(rèn)為是理想溶液或接近理想溶液，那么：1)某些元素在共生礦物之間或在不同的等效結(jié)構(gòu)位置之間的分布比例受T 2影響。需要可靠的礦物化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)；必須區(qū)分Fe2和Fe33.有時(shí)需要晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；4.必須掌握礦物學(xué)和晶體化學(xué)知識(shí)，并注意以下問題：(1)所使用的礦物對(duì)必須平衡和共生；因?yàn)榉峙湎禂?shù)是在一定的

10、溫度、壓力和組分濃度條件下的平衡狀態(tài)下獲得的。(2)元素的存在狀態(tài)必須是類質(zhì)同象的混合物，因?yàn)橹挥羞@樣它們才能均勻地分布在礦物中并受熱力學(xué)條件的控制，而不能是機(jī)械混合或表面吸附；(3)用電子探針測定微量元素含量時(shí)，應(yīng)選擇相鄰礦物，因?yàn)橄噜彽V物更有可能達(dá)到平衡；(4)在巖石中，許多世代的礦物經(jīng)常相互重疊，因此所選礦物應(yīng)該屬于同一世代。注：獲得的溫度是礦物達(dá)到平衡時(shí)的溫度，而不是結(jié)晶時(shí)的溫度。注：天然固體熔融礦物及其組合不能完全符合理想溶液熱力學(xué)模型，但在不同程度上偏離理想模型。此外，對(duì)礦物的實(shí)驗(yàn)研究還不夠充分，因此現(xiàn)有的離子交換溫壓計(jì)所估計(jì)的溫度和壓力只能是半定量的。然而，在研究礦物、巖石和礦石

11、的成因以及分析自然過程的演化規(guī)律時(shí)，利用這些溫壓數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析仍然具有重要意義。2.類型1。共生礦物GTB 2號(hào)的元素分布。礦物GTB中不同構(gòu)造位置之間的元素分布。3.符號(hào)：1。固溶體礦物中化學(xué)成分的摩爾分?jǐn)?shù)。= 1，熵變化=-r焓變化自由能變化=rt化學(xué)位I=I rt ln，能斯特分布定律研究某一組分同時(shí)存在于兩個(gè)平衡相中的分布規(guī)律，因此KD=那么lnkd=-/rt=-(-)/rt，而87=-t那么lnkd=-，1。橄欖石(Ol)和輝石(Py)鎳分布溫度計(jì)一些橄欖石和輝石是在1965年3月5日夏威夷火山爆發(fā)的熔化物中沉淀出來的。它們與殘余熔體處于平衡狀態(tài)。這為研究鎳在橄欖石、輝石和熔體相中

12、的分布以及確定分布系數(shù)與溫度的關(guān)系提供了天然的有利條件。用電子探針測量橄欖石、輝石和玻璃質(zhì)中的鎳含量，同時(shí)每次測量取樣溫度。測定結(jié)果如下表所示：4。不同共存礦物相和礦物熔融相之間元素分布的地?zé)嵊?jì)。鎳在橄欖石和輝石中的分布系數(shù)隨著溫度的降低而降低?；貧w方程為：適用溫度為1050-1160，2。閃鋅礦Sph-和方鉛礦gal之間的鎘分配系數(shù)GT是t. (1)Bethke，P.M. Barton，p . b .(1971)Sph-閃鋅礦Sph-方鉛礦Gal地質(zhì)溫度計(jì)t (k)=2080/lg1.47，(2) glietti等人(1979)閃鋅礦Sph-方鉛礦Gal鎘分布gt: t (k)=1663/l

13、g0.702(其中=(CDW b %)Sph/(Cd)3.黃銅礦CPY-黃鐵礦Py GT Bezmen等人(1978)關(guān)于CPY鈷分布的實(shí)驗(yàn)-Pygt: t (k)=103/1.292 Lg2.382(其中=(COWB%) CPY/(COWB%) Py 1.53，CPY-Py鈷分布圖形GT，4。黃鐵礦-磁黃鐵礦地?zé)嵊?jì)。通過實(shí)驗(yàn)，得到了黃鐵礦-磁黃鐵礦()的鎳鈷分布溫度計(jì)。(等，1975):注意當(dāng)?shù)V物中鈷和鎳的質(zhì)量百分比分別小于1.5時(shí)，鈷和鎳的分布接近理想熔體模型。因此，上述溫度計(jì)的適用條件是除黃鐵礦和磁黃鐵礦必須共存外，其鈷和鎳含量應(yīng)小于1.5%。(1964)鎂鐵鈦礦-鈦鐵礦鈦分布：應(yīng)用條件

14、：鈦鐵礦Usp磁鐵礦Mt . S .和鈦鐵礦ILM-赤鐵礦hems .兩種固溶體礦物必須平衡共存。鈦鐵礦-磁鐵礦的固體熔體實(shí)際上是在赤鐵礦-鈦鐵礦的固體熔體處于平衡時(shí)形成的。測試樣品優(yōu)選為鈦鐵礦-磁鐵礦共生體。也就是說，用電子探針分析磁鐵礦中的鈦鐵礦條或顆粒。根據(jù)磁鐵礦計(jì)算磁鐵礦Mt和鈦鐵礦SPAR Usp的百分含量，根據(jù)鈦鐵礦的組成計(jì)算鈦鐵礦Ilm和赤鐵礦Hem的百分含量。當(dāng)計(jì)算MT-USP中的Usp摩爾%和與Mt-Usp共存的Hem-Ilm中的Hem摩爾%時(shí)，需要計(jì)算電子探針數(shù)據(jù)以驗(yàn)證結(jié)果是否可靠。計(jì)算Mt-Usp中的Usp摩爾%和Hem-Ilm中的Hem摩爾%有四種方法：(1)Buddi

15、ngton(1964)方法(2)卡邁克爾(1967)方法(3)安德森(1968)方法(4)斯托默(1983)方法。詳見任啟江，火成巖及其有關(guān)礦床中鈦鐵氧化物研究，科學(xué)出版社1991年出版。注：目前，電子探針一般用于測試氧化鈦鐵固體熔體的成分。獲得的數(shù)據(jù)是各種氧化物的質(zhì)量百分比。例如，在獲得數(shù)據(jù)之后，必須首先檢查探針分析的可靠性：因?yàn)樘结槻荒軈^(qū)分FeO和Fe2O3，所以難以確定分析結(jié)果是否可靠。有必要通過計(jì)算來檢查是否滿足誤差范圍。計(jì)算結(jié)果有些復(fù)雜，這里不再詳細(xì)描述。詳見科學(xué)出版社1991年出版的任啟江著作火成巖及其有關(guān)礦床中鈦鐵氧化物研究。例如：磁鐵礦mt-鈦鐵礦Usp S.S單位分子f . u . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ me=1.060 1.821 0.104=2.985 3/2.9850.891=0.895()=7.999 固溶體成分：Mt89.5Usp10.5。例如：hem-atite hem-鈦鐵礦薄膜s . s . f . u . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _me=2.000()=5.997固溶體成分：Hem6.30Ilm93.70，ti