گرماسنجی "کلاسیک"

ترموبارومتری تعیین کمی دما و فشار است که در آن یک سنگ دگرگونی یا آذرین به تعادل شیمیایی رسیده است. اصطلاح ترموبارومتری "کلاسیک" به روش هایی برای محاسبه شرایط P-T یک واکنش شیمیایی خاص اشاره دارد.

چرا ما باید فشارها و دمای حوادث پترولوژیکی را بدانیم؟

شکل 1. عکس نگار یک Blueschist از Sivrihisar ، ترکیه ، حاوی گلوکوفان (آبی) ، گارنت (صورتی) و Lawsonite (سفید). میدان دید = 4 میلی متر.

اگر فشار (P) و دما (T) را می دانید که در آن یک سنگ آذرین یا دگرگونی تعادل برقرار می شود ، می توانید چیزهای زیادی را در مورد مکان موجود در زمین تعیین کنید و سنگ چگونه شکل می گیرد. به عنوان مثال ، برخی از فرآیندهای تکتونیکی با فشارهای مشخصه و درجه حرارت همراه هستند: به عنوان مثال ، دمای پایین در فشار زیاد فقط در مناطق فرورانش اتفاق می افتد.

چگونه فشارها و دما (سرخپوشان) را تعیین می کنیم؟

مجموعه ها و بافت های معدنی ممکن است اطلاعاتی در مورد شرایطی که یک سنگی در آن تعادل دارد ارائه دهد. در سنگهای دگرگونی ، ما از اصطلاحات کیفی مانند درجه پایین ، درجه متوسط و درجه بالا (و حتی "درجه متوسط" یا "درجه بسیار بالا") برای توصیف شرایط تقریبی دمای دگرگونی استفاده می کنیم. این تعیین ها اطلاعاتی در مورد فشار ارائه نمی دهند و بنابراین برای توصیف سنگهای منطقه فرورانش مفید نیستند.

روشهای دیگر برای توصیف شرایط دگرگونی شامل موارد زیر است:

(1) مواد معدنی شاخص: مواد معدنی مشخصه ای که نشانه ای از دما (و در بعضی موارد ، شرایط فشار) را ایجاد می کند که در آن یک سنگ تشکیل شده است (به عنوان مثال ، کیانیت در شیل دگرگونی ؛ اپیدوت ماگمایی در پلوتون ها و سنگهای آتشفشانی). همه سنگها ترکیب فله ای مناسب برای تولید مواد معدنی شاخص ندارند.

(2) رخساره دگرگونی: مجموعه های مواد معدنی ، هر یک از ویژگی های یک ترکیب فله خاص و نشان دهنده دامنه شرایط فشار دمای فشار که در آن صخره تعادل است (شکل 2). به عنوان مثال ، شرایط با فشار بالا-درجه حرارت پایین ، رخساره های بلوزستیستی را توصیف می کند.

شکل 2. نمودار دما-فشار که مکان رخساره های دگرگونی را نشان می دهد. اصلاح شده از نیزه (1993). هم₂سیو₅نمودار فاز نیز برای مرجع نشان داده شده است. و = Andalusite ؛ky = kyanite ؛SIL = سیلیمانیت.

برخی از مجموعه های آذرین نیز مشخصه تبلور در محدوده خاص از شرایط دما/فشار هستند.

آیا روشهای کیفی برای تعیین شرایط P-T "به اندازه کافی خوب" است؟

روشهای کیفی لزوماً اطلاعاتی در مورد فشار و دما ارائه نمی دهند. علاوه بر این ، تکنیک های کیفی در بعضی موارد فقط فشار یا دما را حداقل می بخشد: به عنوان مثال ، وجود یک ماده معدنی با شاخص بالا ممکن است به شما نگوید که آیا سنگ در دمای 700 درجه سانتیگراد یا 1000 درجه سانتیگراد تشکیل شده است ، و وقوع چهره های اکلوژیتمواد معدنی ممکن است به شما نگویند که آیا سنگ در عمق 40 کیلومتر یا 75 کیلومتر تشکیل شده است. این درجه عدم اطمینان ، تفسیر فرآیندهای دگرگونی و تکتونیکی را دشوار می کند.

گرماسنجی

مبنای مفهومی: ترکیبات مواد معدنی همزیستی در تعادل با خواص ترمودینامیکی مواد معدنی به فشار و شرایط دما تعادل مرتبط است. دماسنج ها مجموعه هایی هستند که با واکنش هایی که به دما حساس هستند اما به فشار زیاد نیستند ، تشکیل می شوند. فشار سنج مجموعه هایی هستند که به فشار حساس هستند اما به درجه حرارت (زیاد) نیستند. همه سنگها حاوی مجموعه هایی نیستند که دماسنج یا فشارسنج را ایجاد می کنند.

1. ترکیب تمام مواد معدنی که می توانند دارای ترکیب متغیر باشند (به عنوان مثال ، راه حل های جامد).
2. داده های ترمودینامیکی برای مراحل مورد علاقه.
3. "کالیبراسیون" که به شما امکان می دهد ترکیب مواد معدنی را با فشار یا دما مرتبط کنید.

دماسنج

واکنش مبادلهواکنش های مبادله شامل تبادل کاتیونها با اندازه و هزینه های مشابه بین دو ماده معدنی است. این واکنش ها به طور معمول بسیار حساس به دما هستند ، اما حساس به فشار نیستند زیرا هیچ تغییر عمده ای در حجم در مبادله دخیل نیست. واکنشهای حساس به دما دارای دامنه های شیب دار در نمودارهای P-T هستند (شکل 3A). متداول ترین دماسنجهای تبادل شامل تبادل آهن 2+ و میلی گرم بین دو ماده معدنی ، به عنوان مثال ، بین گارنت و بیوتیت است.

دماسنج Solvus شامل فازهایی است که یک محلول جامد را در High-T تشکیل می دهند اما در طی خنک کننده "unmix" را به فازهای جداگانه تبدیل می کنند. ترکیب مواد معدنی همزیستی که دارای رابطه حلز هستند ، نشانگر دما است (شکل 3B) ، اگرچه در برخی موارد این ممکن است دما باشد که بخشی از مسیر خنک کننده یک سنگ است. نمونه ها: موسکویت-پاراگونیت ؛کلسیت-دوولومیت ؛اورتوپیروکسن-کلینوپیروکسن ؛فلدسپار.

شکل 3. نمودارهای شماتیک P-T (A) و T-X (Solvus) (B) که ویژگی های کلی دماسنج ها و فشارسنجرها را نشان می دهد. دماسنج ها دارای دامنه های شیب دار هستند و فشارسنجها دارای دامنه های کم عمق در نمودار P-T هستند.

دیگر: از ترکیب پلاژیوکلاز همزیستی و آمفیبول کلسیک (به عنوان مثال ، Hoblende) می توان برای برآورد دما استفاده کرد. سایر دماسنج ها شامل غلظت عناصر کمیاب فازها هستند. به عنوان مثال ، غلظت Ti در کوارتز و زیرکون در تعادل با روتیل (TIO₂) ، و غلظت Zr در روتیل نسبت به دما بسیار حساس است. این دماسنج ها را می توان در سنگهای آذرین و دگرگونی اعمال کرد ، اما برای تجزیه و تحلیل غلظت ردیابی (PPM) Ti و Zr به یک میکروپروبی یونی نیاز دارد. دماسنج عنصر کمیاب دیگر با کاربردهای سنگهای دگرگونی شامل غلظت Yttrium از مونازیت و گارنت همزیستی (یا مونازیت و زنوتیم) است.

غلظت ایزوتوپهای پایدار اکسیژن و کربن در مواد معدنی همزیستی نیز می تواند برای تعیین دما که در آن سیستم برای تبادل این ایزوتوپ ها بسته می شود ، استفاده شود. به عنوان مثال ، نسبت O 18 /O 16 در کوارتز همزیستی و مگنتیت یک دماسنج است ، همانطور که نسبت C 13 /C 12 در همزیستی کوارتز و کلسیت یا کلسیت و گرافیت وجود دارد.

بانومتری

واکنشهای حساس به فشار (فشارسنج) شامل تغییر حجم قابل توجهی مانند تبدیل آنورتیت (Ca-Plagioclase) به ناخالص (Ca-Gaet) + Kyanite + Quartz است. بسیاری از فشار سنج ها واکنش های انتقال خالص هستند و دارای دامنه های کم عمق در نمودارهای P-T هستند (شکل 3A). سایر فشارسنجی ها شامل غلظت یک عنصر در یک ماده معدنی خاص در تعادل با یک مجموعه خاص (به عنوان مثال ، Al در Hoblende ، SI در Phengite) است.

عدم قطعیت

عدم قطعیت در محاسبات ترموبرومتری با انتشار خطاها از تمام مراحل تعیین P-T قابل تعیین است: تجزیه و تحلیل ترکیب مواد معدنی ، داده های ترمودینامیکی و روش کالیبراسیون. عدم قطعیت های معمولی 50 درجه سانتیگراد ، 1 kbar است.

منابع خطا در گرماسنجی

• فرض اینکه مواد معدنی شرایط تعادل را ثبت می کنند ممکن است معتبر نباشد.
• انتخاب ترکیبات معدنی برای استفاده در محاسبات ترموبارومتری اگر همه مراحل همگن باشند ، آسان است ، اما اگر مواد معدنی پهنه بندی شده باشند ، انتخاب ترکیبات مورد استفاده می تواند نامشخص تر باشد.
• پایداری مواد معدنی ممکن است تحت تأثیر وجود عناصری باشد که تجزیه و تحلیل با تکنیک های استاندارد دشوار است. به عنوان مثال ، تجزیه و تحلیل ریزگردها الکترونی بین Fe 2+ و Fe 3+ تمایز قائل نیستند ، اما تفاوت آن مهم است. اگر فرض شود که تمام آهن برای مواد معدنی که حاوی Fe 3+ قابل توجهی هستند ، محاسبه ترموبارومتری ممکن است به طور قابل توجهی خطا باشد.
• محاسبات ترموبارومتری به داده های ترمودینامیکی و "کالیبراسیون" متکی است که اجازه می دهد تا ترکیب مواد معدنی مربوط به دما یا فشار باشد. ترکیبات معدنی و ساختارهای کریستالی موجود در سنگ مورد تجزیه و تحلیل نباید با ترکیبات و ساختارهایی که کالیبراسیون ها بر اساس آن مستقر هستند ، متفاوت باشد.
• محاسبات دما نیاز به تخمین فشار دارد و محاسبات فشار نیاز به تخمین فشار دارد. بنابراین شما یا باید یک متغیر را بدانید ، یا از دماسنج یا فشارسنج استفاده کنید که نسبت به متغیر دیگر بسیار حساس است. از این رو ، بهترین دماسنج ها دارای دامنه های تقریباً عمودی در نمودار P-T هستند و بهترین فشارسنجها دارای دامنه های تقریباً افقی هستند.

شرایط P-T محاسبه شده چیست؟

برای سنگهای آذرین ، فشارها و دما محاسبه شده احتمالاً شرایط موجود در تبلور را نشان می دهد ، به ویژه برای سنگهای خنک شده. سنگهای دگرگونی دارای تاریخچه حرارتی و فشار پیچیده تری هستند ، اما معمولی ترین تفسیر نتایج ترموبارومتری این است که P و T محاسبه شده شرایط را در حداکثر حرارتی (اوج دگرگونی) نشان می دهد (شکل 4). مهم است که تشخیص دهیم که حداکثر حرارتی ممکن است حداکثر فشار را نشان ندهد (شکل 4). علاوه بر این ، بررسی بافت های یک سنگ دگرگونی و تعیین اینکه آیا مجموعه ها/بافت های معدنی مطابق با این تفسیر است که شرایط دگرگونی اوج حفظ شده و در حوادث بعدی چاپ نشده است ، مهم است.

شکل 4. یک مسیر فشار دما برای دگرگونی منطقه ای. مراحل اول دگرگونی شامل دفن و گرمایش است. پس از دستیابی به حداکثر فشار (عمق) ، سنگها - که هادی های ضعیف گرما هستند و بنابراین نسبت به میزان تکتونیکی دفن ، گرمای آهسته هستند - ممکن است در مراحل اولیه رفع فشار به حداکثر شرایط دمای خود برسند. بنابراین ، اوج دگرگونی (حداکثر حرارتی) ممکن است با حداکثر عمق مطابقت نداشته باشد.