Historia de la presión y temperatura de las rocas.
La geotermobarometría es la metodología para estimar la historia de presión y temperatura de las rocas ( metamórficas , ígneas o sedimentarias ). La geotermobarometría es una combinación de geobarometría , donde se estima la presión alcanzada (y retenida) por un conjunto de minerales, y geotermometría donde se estima la temperatura alcanzada (y retenida) por un conjunto de minerales.
Una ilustración de geotermobarometría. En el diagrama PT se trazan una línea de equilibrio de temperatura (naranja) y una línea de equilibrio de presión (azul) de conjuntos minerales seleccionados que se encuentran en la muestra. La intersección representa la probable condición PT experimentada por la roca en su historia metamórfica.
Metodología
La geotermobarometría se basa en la comprensión de la temperatura y la presión de formación de minerales dentro de las rocas. [1] Existen varios métodos para medir la temperatura o presión de formación o reequilibrio de minerales basándose, por ejemplo, en el equilibrio químico entre minerales [1] [2] [3] o midiendo la composición química [4] y/o la estado de orden cristal-químico [5] de minerales individuales o midiendo las tensiones residuales en inclusiones sólidas [6] o densidades en inclusiones fluidas. [7]
La termobarometría "clásica" (termodinámica) [8] se basa en el logro del equilibrio termodinámico entre pares/conjuntos de minerales que varían sus composiciones en función de la temperatura y la presión. Luego se analiza la distribución de los elementos componentes entre los conjuntos minerales utilizando una variedad de técnicas analíticas como, por ejemplo, microsonda electrónica (EM), microscopio electrónico de barrido (SEM) y espectrometría de masas (MS). Hay numerosos factores adicionales a considerar, como la fugacidad del oxígeno y la actividad del agua (aproximadamente, lo mismo que la concentración), que deben tenerse en cuenta mediante el enfoque metodológico y analítico adecuado (por ejemplo, espectroscopia de Mössbauer , espectroscopia micro-raman , espectroscopia infrarroja , etc.). ) Los geobarómetros son típicamente reacciones de transferencia neta, que son sensibles a la presión pero tienen pocos cambios con la temperatura, como la reacción granate - plagioclasa - moscovita - biotita que implica una reducción significativa del volumen a alta presión: [1]
Dado que los conjuntos minerales en equilibrio dependen de las presiones y temperaturas, midiendo la composición de los minerales coexistentes, junto con el uso de modelos de actividad adecuados, se pueden determinar las condiciones PT experimentadas por la roca. [1]
Después de encontrar una constante de equilibrio , se trazaría una línea en el diagrama PT. [ cita necesaria ] Como diferentes constantes de equilibrio de conjuntos minerales ocurrirían como líneas con diferentes pendientes en el diagrama PT, al encontrar la intersección de al menos dos líneas en el diagrama PT, se puede obtener la condición PT de la muestra. [1]
A pesar de la utilidad de la geotermobarometría, se debe prestar especial atención a si los conjuntos minerales representan un equilibrio, cualquier ocurrencia de equilibrio retrógrado en la roca y la idoneidad de la calibración de los resultados. [1]
La termobarometría elástica es un método para determinar la presión y temperatura de equilibrio alcanzadas por el mineral anfitrión y su inclusión en la historia de la roca a partir del exceso de presiones exhibidas por las inclusiones minerales atrapadas dentro de los minerales anfitriones. Tras la exhumación y el enfriamiento, las compresibilidades y expansividades térmicas contrastantes inducen tensiones diferenciales (desajustes de volumen) entre un cristal huésped y sus inclusiones. Estas cepas se pueden cuantificar in situ mediante espectroscopia Raman o difracción de rayos X. Conociendo las ecuaciones de estado y propiedades elásticas de los minerales, la termobarometría elástica invierte las deformaciones medidas para calcular las condiciones de presión-temperatura bajo las cuales el estado de tensión era uniforme en el huésped y la inclusión. [6] Estos se interpretan comúnmente como que representan las condiciones de atrapamiento de inclusión o el último equilibrio elástico del par.
Los datos sobre los geotermómetros y geobarómetros se derivan tanto de estudios de laboratorio sobre conjuntos de minerales sintéticos (artificiales) como de sistemas naturales para los cuales se dispone de otras limitaciones.
Por ejemplo, uno de los geotermómetros más conocidos y de mayor aplicación es la relación granate-biotita, donde las proporciones relativas de Fe y Mg en granate y biotita cambian al aumentar la temperatura, por lo que se mide la composición de estos minerales para dar Fe-Mg. La distribución entre ellos permite calcular la temperatura de cristalización, dadas algunas suposiciones.
Supuestos en termobarometría termodinámica.
En los sistemas naturales, las reacciones químicas ocurren en sistemas abiertos con historias geológicas y químicas desconocidas, y la aplicación de geotermobarómetros se basa en varias suposiciones que deben cumplirse para que los datos de laboratorio y las composiciones naturales se relacionen de manera válida:
Que esté presente el conjunto mineralógico completo requerido para el termobarómetro. Si no todos los minerales de la reacción están presentes, o no se equilibran entre sí simultáneamente, entonces las presiones y temperaturas calculadas para la reacción ideal se desviarán de las que realmente experimenta la roca.
Ese equilibrio químico se alcanzó en un grado satisfactorio. Esto podría ser imposible de demostrar definitivamente, si no se observa que todos los minerales del conjunto del termobarómetro están en contacto entre sí.
Que cualquier mineral en un barómetro o termómetro de dos minerales creció en equilibrio, lo que se supone cuando se ve que los minerales están en contacto.
Que el conjunto mineral no ha sido alterado por metamorfismo retrógrado, lo que puede evaluarse mediante microscopio óptico en la mayoría de los casos.
Que ciertos conjuntos mineralógicos estén presentes. Sin estos, la precisión de una lectura puede verse alterada con respecto a lo ideal y puede haber más errores inherentes a la medición.
Que los minerales presentes en sección delgada se encuentren en el mismo estado de solución sólida que en el modelo. Muchos minerales, como los feldespatos y la augita, tienen una variedad de variaciones en soluciones sólidas. Cada variación puede afectar el modelo y la forma en que una roca se metamorfosea con el tiempo.
Supuestos en termobarometría elástica.
En los sistemas naturales, el comportamiento elástico de los minerales puede verse fácilmente perturbado por el reequilibrio a alta temperatura, la deformación plástica o frágil, lo que lleva a un cambio irreversible más allá del régimen elástico que impedirá reconstruir la "historia elástica" del par.
La suposición principal detrás de la geobarometría elástica es que el huésped y la inclusión experimentan inicialmente la misma presión y que la deformación del sistema huésped-inclusión es elástica, por lo tanto reversible, y por lo tanto puede invertirse para obtener la presión de atrapamiento de la inclusión. [9]
Se supone que la forma de la inclusión es esférica, pero hay cálculos disponibles para formas no esféricas [10]
Para varios pares huésped-inclusión, se supone que las propiedades elásticas del huésped y de la inclusión son isotrópicas. Para algunos pares se encuentran disponibles soluciones anisotrópicas (por ejemplo, cuarzo en granate, circón en granate) [11] [12]
Los métodos de cálculo simples suponen una elasticidad lineal.
Técnicas
Algunas técnicas incluyen:
Geotermómetros
Contenido de saturación de Ti de la mica biotita . [13]
Contenido de Zr del rutilo , eficaz para temperaturas más altas que el termómetro de Ti-en-biotita. Requiere equilibrio entre cuarzo, rutilo y circón . [15]
Tenga en cuenta que los termómetros de intercambio Fe-Mg son empíricos (probados y calibrados en laboratorio) y también se calculan basándose en una comprensión termodinámica teórica de los componentes y fases involucradas. El termómetro de Ti-en-biotita es únicamente empírico y no se comprende bien termodinámicamente.
Geobarómetros
JADEAR; acrónimo del conjunto granate-(Al 2 SiO 5 )-sílice( cuarzo ) -plagioclasa
GPMB; acrónimo del conjunto granate-plagioclasa- moscovita -biotita
Granate-plagioclasa-hornblenda-cuarzo. [16] [17]
Hornblenda [18] [19] [20]
Varios conjuntos minerales dependen más de la presión que de la temperatura; por ejemplo reacciones que implican un gran cambio de volumen. A alta presión, minerales específicos asumen volúmenes más bajos (por lo tanto, la densidad aumenta, ya que la masa no cambia); son estos minerales los que son buenos indicadores de la paleopresión.
Software
El software para termobarometría "clásica" incluye:
El software THERMO-CALC se fundó en 1997, pero todo empezó mucho antes, de hecho, a mediados de los años 70. El lugar era el departamento de metalurgia física del Real Instituto Tecnológico (KTH) de Estocolmo, Suecia, donde Mats Hillert era profesor. Tres de sus estudiantes de posgrado en ese momento eran Bo Sundman, Bo Jansso y John Ågren. Thermo-calc es un software utilizado por científicos e ingenieros de materiales para generar datos de propiedades de materiales, obtener información sobre los materiales, comprender una observación específica y responder preguntas directas relacionadas con un material específico y/o su procesamiento. Utilizado junto con bases de datos adecuadas, Thermo-Calc se puede utilizar para una amplia variedad de aplicaciones.
THERMOCALC [21] [22] desarrollado por Tim Holland y Roger Powell calcula los equilibrios de fase del modelo que involucran HPx-eos y/o miembros finales individuales del conjunto de datos de Holland & Powell.
Perple_X, [23] [24] [25] [26] [27] desarrollado originalmente por James AD Connolly es una colección de programas fortran para calcular y mostrar equilibrios de fases petrológicas.
XMapTools [28] desarrollado originalmente por Pierre Lanari es un software de análisis avanzado para el análisis químico cuantitativo de sólidos en 1D, 2D y 3D. Proporciona herramientas y paquetes numéricos implementados en un entorno guiado y versátil que le permite explorar y visualizar datos a su manera. Por ejemplo, XMapTools incluye una amplia gama de opciones de procesamiento de datos que incluyen rutinas de clasificación, segmentación, calibración y visualización mediante mapas monocanal y multicanal o mediante diagramas binarios, ternarios y de araña. Ahora incluye Bingo Antidote.
Bingo-Antidote es un software petrológico desarrollado originalmente por Pierre Lanari y Erik Duesterhoeft que ofrece una estrategia de modelado alternativa basada en modelos termodinámicos iterativos integrados con mapeo compositivo cuantitativo. Este último se distribuye como un complemento de XMapTools y viene con una interfaz gráfica de usuario rediseñada y funciones mejoradas.
El software para termobarometría elástica incluye:
EntraPT [29] desarrollado originalmente por Mattia L. Mazzucchelli, Ross J. Angel y Matteo Alvaro es una aplicación web para geobarometría elástica. Está diseñado para facilitar la termobarometría elástica. Puede analizar gráficamente las tensiones residuales de sus inclusiones y estimar sus condiciones de atrapamiento, todo en un solo lugar. También facilita exportar, reutilizar, compartir y comparar sus datos.
Strainman [30] desarrollado originalmente por Ross J. Angel, Mara Murri, Boriana Mihailova y Matteo Alvaro es un programa informático para Windows para calcular deformaciones a partir de cambios en los números de onda del modo Raman (u otros fonones), y viceversa.
EosFit [31] es un paquete de software para cálculos que involucran expansión térmica y ecuaciones de estado que ahora incluye cinco componentes principales para realizar cálculos EoS tanto con (EosFit7GUI) [32] como sin (EosFit7c) [31] interfaz gráfica de usuario y realizar host -cálculos de inclusión (Eosfit7-Pinc [33] ) con elasticidad no lineal. Eosfit utiliza cfml_eos, un conjunto validado de módulos Fortran que se pueden "usar" (en el sentido de Fortran) para escribir fácilmente programas que puedan leer, manipular y ajustar datos de EoS, y realizar cálculos relacionados para EoS.
Red petrogenética – Diagrama presión-temperatura de rangos de estabilidad mineral
Referencias
^ abcdef Powell, R.; Holanda, TJB (febrero de 2008). "Sobre termobarometría". Revista de geología metamórfica . 26 (2): 155-179. Código Bib : 2008JMetG..26..155P. doi :10.1111/j.1525-1314.2007.00756.x. ISSN 0263-4929.
^ Gonçalves, Philippe; Marquer, Didier; Oliot, Emilien; Durand, Cyril (2013), "Modelado termodinámico y termobarometría de rocas metasomatizadas", Metasomatismo y transformación química de las rocas , Berlín, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, págs. 53–91, doi :10.1007/978-3-642-28394 -9_3, ISBN978-3-642-28393-2, recuperado el 31 de julio de 2023
^ Madera, BJ; Holanda, TJB; Newton, RC; Kleppa, OJ (septiembre de 1980). "Termoquímica de la jadeíta: piroxenos de diópsido". Geochimica et Cosmochimica Acta . 44 (9): 1363-1371. Código Bib : 1980GeCoA..44.1363W. doi :10.1016/0016-7037(80)90095-2.
^ Holanda, Heinrich D.; Turekian, Karl K. (2004). Tratado de geoquímica (1ª ed.). Ámsterdam Boston: Elsevier/Pergamon. ISBN978-0-08-043751-4.
^ Ghose, S.; Ganguly, J. (1982), Saxena, Surendra K. (ed.), "Trastorno del orden Mg-Fe en silicatos ferromagnesianos", Avances en geoquímica física , vol. 2, Nueva York, NY: Springer New York, págs. 3–99, doi :10.1007/978-1-4612-5683-0_1, ISBN978-1-4612-5685-4, recuperado el 31 de julio de 2023
^ ab Kohn, Matthew J.; Mazzucchelli, Mattia L.; Álvaro, Matteo (30 de mayo de 2023). "Termobarometría elástica". Revista Anual de Ciencias de la Tierra y Planetarias . 51 (1): 331–366. Código Bib : 2023AREPS..51..331K. doi : 10.1146/annurev-earth-031621-112720. ISSN 0084-6597. S2CID 256443282.
^ Levresse, Gilles; Cervantes-de la Cruz, Karina Elizabeth; Aranda-Gómez, José Jorge; Dávalos-Elizondo, María Guadalupe; Jiménez-Sandoval, Sergio; Rodríguez-Melgarejo, Francisco; Alba-Aldave, Leticia Araceli (enero 2016). "Barometría de inclusión de fluidos de CO2 en xenolitos del manto del centro de México: un registro detallado del ascenso del magma". Revista de Vulcanología e Investigación Geotérmica . 310 : 72–88. doi :10.1016/j.jvolgeores.2015.11.012.
^ Powell, Roger; Holanda, Tim (1994). "Geotermometría y geobarometría óptimas". Mineralogista estadounidense . 79 : 120-133.
^ Moulas, Evangelos; Kostopoulos, Dimitrios; Podladchikov, Yuri; Chatzitheodoridis, Elías; Schenker, Filippo L.; Zingerman, Konstantin M.; Pomonis, Panagiotis; Tajčmanová, Lucie (15 de diciembre de 2020). "Cálculo de la presión con geobarometría elástica: una comparación de diferentes soluciones elásticas con aplicación a un gneis de calcosilicato de la provincia metamórfica de Ródope". Litos . 378–379: 105803. Bibcode : 2020Litho.37805803M. doi : 10.1016/j.lithos.2020.105803. ISSN 0024-4937. S2CID 224846463.
^ Mazzucchelli, ML; Burnley, P.; Ángel, RJ; Morganti, S.; Domeneghetti, MC; Nestola, F.; Álvaro, M. (2018). "Geotermobarometría elástica: Correcciones para la geometría del sistema huésped-inclusión". Geología . 46 (3): 231–234. Código Bib : 2018Geo....46..231M. doi : 10.1130/g39807.1 . Consultado el 1 de agosto de 2023 .
^ Mazzucchelli, ML; Realí, A.; Morganti, S.; Ángel, RJ; Álvaro, M. (15 de diciembre de 2019). "Geobarometría elástica para inclusiones anisotrópicas en huéspedes cúbicos". Litos . 350–351: 105218. Código bibliográfico : 2019Litho.35005218M. doi : 10.1016/j.lithos.2019.105218 . ISSN 0024-4937.
^ Murri, Mara; Mazzucchelli, Mattia L.; Campomenosi, Nicola; Korsakov, Andrey V.; Prencipe, Mauro; Mihailova, Boriana D.; Scambelluri, Marco; Ángel, Ross J.; Álvaro, Matteo (1 de noviembre de 2018). "Geobarometría elástica Raman para inclusiones minerales anisotrópicas". Mineralogista estadounidense . 103 (11): 1869–1872. doi :10.2138/am-2018-6625CCBY. hdl : 11567/919890 . ISSN 1945-3027.
^ http://www.geol.lsu.edu/henry/Research/biotite/TiInBiotiteGeothermometer.htm Archivado el 4 de abril de 2018 en el geotermómetro de biotita Ti-in de Wayback Machine , Henry et al. 2005
^ Lindsley & Andersen 1983 - Un termómetro de dos piroxenos; Revista de investigación geofísica, vol. 88
^ http://www.rpi.edu/~watsoe/research/Watson_etal_CMP06.pdf Termómetros de cristalización para circón y rutilo, Watson et al. 2006; Aportes a la mineralogía y petrología v. 151
^ Kohn, MJ y Spear, FS (1989): Soy. Mín. 74:77-84. (Componente de pargasita)
^ Johnson y Rutherford (1989): Geología 17: 837-841.
^ Holanda, TJB; Powell, R. (8 de octubre de 2004). "Un conjunto de datos termodinámicos internamente consistente para fases de interés petrológico: UN CONJUNTO DE DATOS TERMODINÁMICOS INTERNAMENTE CONSISTENTE". Revista de geología metamórfica . 16 (3): 309–343. doi :10.1111/j.1525-1314.1998.00140.x.
^ Powell, R; Holanda, T.; Worley, B. (junio de 1998). "Cálculo de diagramas de fases que involucran soluciones sólidas mediante ecuaciones no lineales, con ejemplos usando THERMOCALC". Revista de geología metamórfica . 16 (4): 577–588. Código Bib : 1998JMetG..16..577P. doi :10.1111/j.1525-1314.1998.00157.x. ISSN 0263-4929. S2CID 129301254.
^ Connolly, JA. D. (1 de junio de 1990). "Diagramas de fases multivariables; un algoritmo basado en termodinámica generalizada". Revista Estadounidense de Ciencias . 290 (6): 666–718. Código Bib : 1990AmJS..290..666C. doi :10.2475/ajs.290.6.666.
^ Connolly, JAD (julio de 2005). "Cálculo de equilibrios de fases mediante programación lineal: una herramienta para el modelado geodinámico y su aplicación a la descarbonatación de zonas de subducción". Cartas sobre ciencias planetarias y de la Tierra . 236 (1–2): 524–541. Código Bib : 2005E y PSL.236..524C. doi :10.1016/j.epsl.2005.04.033.
^ Connolly, James AD; Gálvez, Matthieu E. (1 de noviembre de 2018). "Especiación de fluidos electrolíticos mediante minimización de energía de Gibbs e implicaciones para la transferencia de masa de la zona de subducción". Cartas sobre ciencias planetarias y de la Tierra . 501 : 90-102. Código Bib : 2018E y PSL.501...90C. doi :10.1016/j.epsl.2018.08.024. ISSN 0012-821X. S2CID 134999977.
^ Connolly, JAD; Petrini, K. (septiembre de 2002). "Una estrategia automatizada para el cálculo de secciones del diagrama de fases y recuperación de propiedades de la roca en función de las condiciones físicas". Revista de geología metamórfica . 20 (7): 697–708. Código Bib : 2002JMetG..20..697C. doi :10.1046/j.1525-1314.2002.00398.x. ISSN 0263-4929. S2CID 73603565.
^ Connolly, JAD; Kerrick, DM (1 de enero de 1987). "Un algoritmo y programa informático para calcular diagramas de fases de composición". Calfad . 11 (1): 1–55. doi :10.1016/0364-5916(87)90018-6. ISSN 0364-5916.
^ Mazzucchelli, Mattia Luca; Ángel, Ross John; Álvaro, Matteo (2021). "EntraPT: una plataforma online para geotermobarometría elástica". Mineralogista estadounidense . 106 (5): 830–837. Código Bib : 2021AmMin.106..830M. doi : 10.2138/am-2021-7693ccbyncnd . Consultado el 1 de agosto de 2023 .
^ Ángel, Ross J.; Murri, Mara; Mihailova, Boriana; Álvaro, Matteo (1 de febrero de 2019). "Estrés, tensión y cambios Raman". Zeitschrift für Kristallographie - Materiales cristalinos . 234 (2): 129-140. doi :10.1515/zkri-2018-2112. ISSN 2196-7105. S2CID 105926659.
^ ab Ángel, Ross J.; Álvaro, Mateo; González-Platas, Javier (1 de mayo de 2014). "EosFit7c y un módulo Fortran (biblioteca) para cálculos de ecuaciones de estado". Zeitschrift für Kristallographie - Materiales cristalinos (en alemán). 229 (5): 405–419. doi :10.1515/zkri-2013-1711. ISSN 2196-7105. S2CID 56434995.
^ González-Platas, J.; Álvaro, M.; Nestola, F.; Ángel, R. (1 de agosto de 2016). "EosFit7-GUI: una nueva interfaz gráfica de usuario para cálculos, análisis y enseñanza de ecuaciones de estado". Revista de Cristalografía Aplicada . 49 (4): 1377–1382. doi :10.1107/S1600576716008050. ISSN 1600-5767.
^ Ángel, Ross J.; Mazzucchelli, Mattia L.; Álvaro, Mateo; Nestola, Fabrizio (1 de septiembre de 2017). "EosFit-Pinc: una GUI sencilla para termobarometría elástica de inclusión del host". Mineralogista estadounidense . 102 (9): 1957-1960. Código Bib : 2017AmMin.102.1957A. doi :10.2138/am-2017-6190. ISSN 1945-3027.
Winter, D.John. Termodinámica de reacciones metamórficas: geotermobarometría, 543-556
Henry, DJ, Guidotti, CV y Thomson, JA (2005) La superficie de saturación de Ti para biotita metapelítica de presión baja a media: implicaciones para la geotermometría y los mecanismos de sustitución de Ti. Mineralogista estadounidense, 90, 316-328.
Guidotti, CV, Cheney, JT y Henry, DJ (1988) Variación composicional de la biotita en función de reacciones metamórficas y ensamblaje de minerales en los esquistos pelíticos del oeste de Maine: American Journal of Science-Wones Memorial Volume, v. 288A, 270- 292.
enlaces externos
Software Thermo-Calc: se puede comprar en línea con una variedad de bases de datos; sin embargo, también hay un paquete educativo gratuito en su sitio web https://thermocalc.com/academia/free-educational-package/
THERMOCALC (Holland & Powell): actualmente se puede descargar gratis en línea para todos con una variedad de bases de datos disponibles. Consulte la guía de descarga en: https://hpxeosandthermocalc.org/the-thermocalc-software/thermocalc-get-started/thermocalc-download-guide/
