《地质温度计在造山带研究中的应用.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地质温度计在造山带研究中的应用.doc（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、地质温压计在造山带研究中的应用一 地质温-压计的研究史地质温-压计的发展历史如同变质岩石学历史一样长，在变质岩石学的研究伊始就存在了，其目的是通过矿物的化学成分的研究，遵循一定的基本原理，对变质岩石形成时的温度和压力条件进行定量的计算。它的形成经历了由定性到定量的发展过程，按照时间顺序大致可分为三个阶段。1、基本思想的形成最初的地质温-压计研究仅仅是定性的，且是不完整的，并未受到足够的关注，而且从未明确地质温-压计的概念。在1893年，英国地质学家George Barrow对苏格兰高地达尔拉德系的泥质岩研究时，根据出现的特征性变质矿物的出现顺序，划分出六个带，依次为：绿泥石带-黑云母带-石榴石
2、带-十字石带-蓝晶石带-夕线石带，这就是著名的巴罗变质带。他认为温度是这些变质带形成的主要原因。随后Tilley（1924）进一步整理了George Barrow的工作，并提出变质级的概念，强调温度是主控因素。此时，已孕育了地质温-压计的最原始的思想，只是他们未意识到温度和压力在变质作用中是紧密相关的，密不可分的。芬兰岩石学家Pentti Eskola（1883-1964），在1908-1914年，对芬兰Orijarvi地区的接触变质岩研究后，并结合挪威岩石学家.Goldschmidt（1888-1947）对挪威Oslo地区的接触变质岩研究进行研究成果，提出了变质相的概念（Eskola，191
3、4，1915；此概念由Turner（1981）进行了较为全面的总结，下图），他将两个不同地区的研究成果进行比较时，发现这两个地区的原岩具相同的总组分，但形成的变质矿物组合不一。因此，他认为这两套组合是在不同的P-T条件下形成的，属于不同的变质相。这时人们已经认识到温度、压力和组分之间的关系，意识到了变质作用过程中这三者的重要性，特别是温度和压力是变质作用的主控因素。至此，地质温-压计的基本思想形成了，但还无法进行定量的研究。2、定量研究阶段Bowen（1940）首次提出了岩石成因格子的概念，为地质温压计的定量计算点燃了星星之火。他认为在岩石成因格子中相关反应的单变平衡曲线代表反应形成时温度和压
4、力，并首次标出Goldschmidt（1912）和Eitel（1925）提出的两条反应线：估计了反应形成时的温度和压力，从此，实验岩石学家开始了定量研究工作。特别是Akiho Miyashiro（1961）变质相系概念的提出（下图），使地质温压计得到广泛的应用空间，并使地质温压计重要性及意义显著凸现出来。所谓的变质相系是指在一个变质岩区所观察的变质相序列，是该变质地体在空间上所处的大地构造和板块构造位置，在时间上所处的地壳发展阶段和当时当地造山运动性质的综合表现。其思想实质是在于，每一种特定类型的变质相系列都反映各自特定的地热梯度类型和所经历的事件及演化过程。如此，运用地质温压计不仅仅能计算出
5、变质体形成时的温度和压力，且可以精确地、定量地表述地壳的构造演化历史。3、完善阶段图Miyashiro（1961）确定的三种不同的变质相系和Turner（1981）总结的各类变质相（据Spear，1995）自七十年代至今，随着实验岩石学的发展，地质温压计得到了极大的提高和完善。根据地质温压计计算方法的不同以及时间顺序，地质温压计可分为：（1）传统地质温压计；（2）内部一致温压计（Holland，1985，1990；Powell，1985，1988，1994；Berman1990，1991）。传统地质温压计是以实验岩石学为基础，通过平衡矿物对之间的离子交换进行温压计算，其优点在于热力学数据是通过
6、实验得出，具有较强的科学性和可靠性，不足之处在于计算时仅仅涉及平衡的两个矿物之间的离子交换，不考虑其他平衡矿物是否参与交换反应。另外，这种温压计在计算时，不能同时给出温、压值，只能计算出其中的某一个值或曲线，并且温压计的数量有限。而内部一致温压计则克服了这些缺点，其能同时计算出温度和压力，并对平衡时的所有矿物进行计算和检验。同时，能给出大量的、潜在的地质温压计，弥补实验岩石工作的不足。该方法的缺点是热学数据库的数据需进一步检验和不断更新，计算中带有一定的人为性，特别是对矿物活度的选择具有较大的随意性。现今，这两种温压计相互并用、互为补充，每个研究者可依据自身实际研究情况，选择相应的地质温压计，
7、如此才能得出较为理想的结果。相对而言，地质温压计的数量是十分多的，基本上能满足研究工作的需要。根据Spear（1995）的分类原则，传统的地质温压计又分为四类：成分交换温度计；端员组分不混溶温度计；矿物相变压力计；其他温压计。而矿物内部一致温压计则依据热动力学数据库的不同分为两种：Powell和Holland （1985）的内部一致温压计；Berman (1988, 1991) 内部一致温压计。二 地质温压计的基本原理无论是传统的地质温压计还是矿物内部一致温压计，它们的理论基础均是热力学和化学热力学。有关热力学和热化学知识，许多文献已十分详尽阐述了，这里不做系统论述，只对一些基本定律和重要的公
8、式进行归纳。热力学理论主要由三个定律组成，第一定律，阐述变化过程中的能量守衡；第二定律，阐述变化的方向和限度；第三定律是低温定律，阐述规定熵。化学热力学是指将热力学的基本定律用于研究化学现象及和化学有关的物理现象，其主要任务是利用热力学第一定律研究化学变化中的热效应，利用热力学第二定律并结合第三定律研究变化的方向和限度以及化学平衡和相平衡的有关问题。 1、基本定律（1）第一定律数学表达式：dU=dQ+dW (1-1)其中U=内能；Q=热；W=功。由于功=力距离=压力体积变化，所以dW=PdAdx=-PdV ，这样得到另一个第一定律数学表达式：dU=dQ-PdV (1-2)（2）第二定律数学表达
9、式：dS (1-3) S称之为熵，是状态函数；Q是系统和环境之间的传递热。据此定义熵为：dS()可逆的 (1-4)将方程（1-2）和（1-4）合并得：dU=TdS-PdV (1-5)从方程（1-5）中可看出，S和V是独立变量，T和P是相关变量。需要指出的是热力学第二定律是以不等式形式表达的（方程1-3），目的是判断过程的自发的、不可逆的方向，自发的过程总是发生在系统熵增加的方向。（3）第三定律数学表达式：S=0 (1-6)从方程1-6可知，温度趋于0K时,任何纯物质的完美晶体的熵值都等于零。但自然界中，不存在完美的晶体，因此，第三定律并不能给出物质的绝对熵值。2、化学势、热容及热力学函数之间的
10、基本关系式（1）化学势如果在一个过程中，系统的组分发生变化，例如，环境与系统之间产生质量交换，那么方程1-5就不能描述这一过程。为此，J.Willard Gibbs（1961）引入了化学势的概念，定义为：i (1-7)i这种变化等同于内能的变化，将方程1-5和1-7合并，得到一新方程1-8，该方程包括了系统内能变化过程中的热传递、PdV功和质量传递，其中ni是组分i的克分子率。 dU=TdS- PdV+idni (1-8)同时通过对方程1-8的数学推导得出Gibbs-Duhem方程： 0= TdS- VdP+idni (1-9)该方程表明P、T和i变量并不都是独立的，在n个可能的变量中只有n-
11、1个变量可以独立地变化。（2）热力学函数之间的基本关系式热力学中常见的八个函数为：P、V、T、U、H、S、F和G。其中P、V、T可以直接测量，内能U是第一定律的结果，熵S是第二定律的结果。焓H、亥慕霍兹函数F和吉布斯函数G则是前五个状态函数的组合。通过Lengendre转换可以将这些函数有机地结合起来，并给出下列方程：内能： U(S, V, ni) dU=TdS-PdV+idni (1-10) U=TS-PV+ini (1-11)焓： H(S, P, ni) dH=TdS+VdP+idni (1-12) H=U+PV=TS+ini (1-13)亥慕霍兹自由能： F(T, V, ni) dF=-
12、SdT-PdV+idni (1-14) F=U-TS=-PV+ini (1-15)吉布斯自由能： G(T, P, ni) dG=-SdT+VdP+idni (1-16)G=U-TS+PV=F+PV (1-17)G=H-TS (1-18)G=ini (1-19)（3）热容热容就是指物质温度上升所需的热量的度量，依据过程发生时，压力和体积是否变化，其可分为定压比热容(CP)和定容比热容(CV)：CP=T (1-20)CV=T (1-21)两者可通过下式相关连：CP= CV+ (1-22)：热扩张展数；：等温压缩系数。3、活度、平衡常数及基本计算公式（1）活度在地质温压计的计算中，地质工作者关心的是
13、如何将矿物分析数据很好地应用于理论公式中，以便于实际计算。活度就是很好的切入点，通过Boltzman分配关系，矿物化学成分可与活度相关连。实际上地质温压计算，主要是涉及的是组分活度的选择和计算，也就是如何将矿物结晶位中的离子进行分配。因此，活度是十分重要的，它的数值大小直接影响并决定温度压力值。 活度的数学表达式通过下列方程得出： i=+RTln(ai) (1-23)ai=exp (1-24)方程1-23的可以分成两部分：第一部分为理想部分（）；第二部分为真实部分，即活度部分。前者从热力学表中就可查得，后者则通过对矿物成分的测定，选择相应的活度模式，便可计算得出。方程1-24就是活度的数学表达式。活度模式可以分为两类：（1）理想活度模式；（2）非理想活度模式。理想活度模式是相对于Hmixing=0和Vmixing=0的理想固溶体而言的，其可分为分子活度模式和离子活度模式。分子活度模式（molecular models）是指在矿
