Геобаротермометрия (гео-земля; баро- давление; термо-тепло; метрия-измерение) - совокупность методов определения температуры и давления образования минералов и горных пород.
Выделяются два основных направления:
1. Измерение температур (далее Т) и давлений (далее Р) образования современных геологических объектов, например, продуктов извержений вулканов. Главными методами являются физические методы измерения. К последним, например, относятся оптические или радиофизические исследования.
2. Определение древних (палео) Т и Р минералообразования в ранее образованных породах и минералах различного происхождения. При геологических исследованиях является важным методом исследования.
Все методы подразделяются на прямые и косвенные.
Прямым методом происходит непосредственное измерение Т геологического объекта термометром. Эффективность этих методов не высокая, поскольку при этом можно измерять только низкие значения температур, доступные непосредственно исследователю. Например, температуры минеральных источников, но они не позволяют определять значения высоких температур и давления в области измерений.
Косвенными методами, основанными на связи температур и давления с некими физическими параметрами объекта, измеряемыми инструментально, определяются практически все возможные интервалы изменения Т и Р минералообразования. В этом случае задачи решаются следующими группами исследований: аналоговыми, физическими и термодинамическими методами.
Методы геобаротермометрии
Аналоговые методы Эта группа включает методы определения Т — Р параметров, основанные на сравнении с ранее известными или определёнными экспериментами данными. Для решения этой задачи используются следующие методыВойткевич Г. В., Мирошников А. Е., Поваренных А. С., Прохоров В. Г. Краткий справочник по геохимии. М.: Недра, 1979: Температуры плавления минералов и горных пород; Температуры разложения; Температуры фазовых превращений; Температуры распада твёрдых растворов; Наличие типоморфных минералов; Парагенетические ассоциации минералов; Данные о Т выделения минералов из растворов или расплавов. Некоторые примеры приведены в таблице: ФормулаМинералTплав°СTразл°СTфаз.перех°СPbСвинец327,6 MgOПериклаз2800 SiO2Кварц1370 573, 867Fe2SiO4Фаялит1205 BaSO4Барит 1580FeCO3Сидерит 282ZnSO4Цинкозит 740AsSРеальгар 267 Эти методы дают недостаточно точные, порой ложные результаты. Например, в природных условиях кварц выделяется в широком интервале Т (от 100 до 1000 °C), тогда как его Т плавления превышает 1000 °C.
Физические методы Можно выделить две группы методов: А.Собственно физические методы включают
Методы с применением термопар. Этим методом пользуются при измерении температур жидких лав. Одним из приборов для измерения является платиново-иридиевая термопара. Дистанционные оптические методы на основе тесной связи температуры среды с её цветом. Для этого используются различные оптические пирометры.
Б.Они включают методы анализа газово-жидких включений (далее ГЖВ)Ермаков Н. П. Исследование минералообразующих растворов. Харьков: изд-во Харьковского университета.1950,Ермаков Н. П. Геохимические системы включений в минералах. М.: Недра, 1972., декрепитацииКарский Б. Е., Зорин Б. И., Фортунатов С. П. Исследование структурных разновидностей Мамских слюдоносных пегматитов методом декрепитации. //Изв. ВУЗ-ов. Геология и разведка, 1974. № 3. и расплавных включений (далее РВ)Ермаков Н. П., Долгов Ю. А. Термобарогеохимия. — М.: Недра, 1979.. В СССР основателем этого метода был профессор МГУ Н. П. Ермаков. Свою первую работу он опубликовал ещё в 1949 г.Ермаков Н. П., Критерии познания генезиса минералов и среда рудообразования, Львов, 1949 (Минералогический сборник, № 3. Приложение первое). Ранее эти исследования назывались «минералогическая термометрия» . В настоящее время результаты этих исследований объединяются общим понятием — термобарогеохимия. «Объектом её изучения являются разнообразные по составу и агрегатному состоянию флюидные включения¸ широко распространенные в минералах пневматолитового и гидротермального происхождения и встречающиеся в минералах интрузивных и эффузивных пород. Эти мельчайшие остатки минералообразующей среды несут информацию о процессах¸ происходивших при становлении магматических тел и формировании эндогенных рудных месторождений. Методы термобарогеохимии позволяют определять относительную и истинную температуры образования минералов, количественный и качественный состав растворов и расплавов во включениях¸ давление и агрегатное состояние минералообразующей среды¸ из которой происходила кристаллизация минералов или рудоотложение»Мельников Ф. Н., Прокофьев В. Ю., Шатагин Н. Н. Термобарогеохимия. М.: изд-во Академический проект, 2008, 220 с ISBN 978-5-8291-0958-5/.
В результате проведения этих исследований были получены не только достаточно полные характеристики многих природных геологических процессов (магматизма, метаморфизма, гидротермальных образований и пр.), но и данные, не соответствующие общепринятым представлениям о минералообразовании. Например, по А. Н. Заварицкому (1884—1952) , Заварицкий А. Н. Изверженные горные породы. М.: изд-во АН СССР, 1961. в гранитах кварц (далее Qw) выделяется последним, заполняя промежутки между ранее выделившимися минералами. Но по результатам анализа РВТермодинамический режим метаморфизма. Л.: Наука, 1976. и изотопов кислорода температура образования (далее Тобр) Qw около 700 °C и близка Tобр наиболее раннего минерала — биотита (далее Bio). Таким образом Qw является наиболее ранним минералом.
Термодинамические методы В эту группу (далее ТДМ) включены изотопные и геохимические геобаротермометры. Они основаны на анализе особенностей распределения элементов и их изотопов между соединениями (минералами) под влиянием внешних термодинамических, как правило температурных и барических, условий.
Изотопные геотермометры Теория метода описана в многочисленных работах, прежде всегоBigeleisen Jacob. Quantum mechanical foundations of isotopechemistry. In book: Isotopes and chemical principles. Red. Peter A. Rock. Ser. 11. Washington, 1975.,Bottinga Y., Javoy M. Comments on oxygen geothermometry.//Earth and Planet. Sci. Let., 1973, 20, P. 250—265. и т. д. В советской и русской литературах эти вопросы подробно освещены в работахГриненко В. А., Гриненко Л. Н. Геохимия изотопов серы. М.: Наука,1974. 271 с. иНосик Л. П. Изотопные методы при изучении минералообразования. М.: Наука, 1986. 222 с. и др. В его основе лежат реакции изотопного обмена, по смыслу идентичные реакциям ионного обмена. Достоинством их является независимость от давления Р показаний ИГТ в геологически востребованном интервале глубин. Например, для кальцита установлено значение всего 0,03 %о/кбарClayton R.N. and et al. Limits on the effect of pressure on isotopic fractionation.//Geochim. Cosmohim. Acta,1975,39,8,1197-1201. Это обусловлено тем, что размерные параметры кристаллических решёток, содержащих изотопно различные компоненты, отличаются друг от друга очень слабо. Так, расстояние Na — Cl в молекулах Na35Cl и Na37Cl равно соответственно 4,485 и 4,4601ÅMatcha R.L. Theoretical analysis on the electronic structure and molecular propeties of the alkali halides.III Sodium chloride.//J/Chem/Phys.,1968, V.48, 1. P.335 — 343., между компонентами в молекулах 107AgBr и 109AgBr — 2,393068 и 2,393074Å, в соединениях 107Ag35Cl и 109Ag37Cl — 2,28074 и 2,28082ÅKrisher L.C., Norris W.G. Microwave spectrum of silver bromide.//J. Chem. Phys.,1966, 44, 1, 391—394.. В протоэтилене С2Н4 расстояние С — Н равно 1,1030Å, а в дейтероэтилене C2D4 расстояние С — D равно 1,089Å; для Н2O параметры решётки равны: ao = 4,5134Å, сo = 7,3521Å, для D2O — соответственно 4,5165Å и 7,3537ÅLauric V.W. Note on the determination of molecular structure from spectroscope data.//J.Chem. Phys., 1958, 28, 4, 704—716. Малые изменения межатомных расстояний ведут к слабому изменению объёма кристаллической решётки. Например, объём кристаллической решётки оксалатов NaНСО2С4Н2О и NaDC2О4D2О изменяется от 224,429 до 225,113 (Å)³Tellgrem R., Olovsson J. Hydrogen bond studies. XXXXVI, The crystal structures of normal and deuterated solid hydrogeh oxalate monohydrate NaHCO2O4 •H2O and NaDCO2O4•D2O.// J. Chem. Phys., 1971,54, 1, 127—134 и свидетельствуют об относительной независимости изотопных распределений от давления на доступных для геологических наблюдений глубинах, что подтверждено экспериментами с изотопами О в системе СаСО3— Н2О и С в системе СН4 — Н2ОHarting P. Der thermodynamische kohlenstoffisotopiceffekt im system CH4 — H2O //Isotopenprexis. 1981. Vol. 17. № 4. P. 164—167.. Согласно этим исследованиям распределение изотопов между двумя соединениями (минералами) подчиняется уравнению , где — показатель (коэффициент) фракционирования, А и В — постоянные; физический смысл их обычно не ясен. Это уравнение строится по теоретическим или экспериментальным данным. В настоящее время температурные исследования проводятся преимущественно с изотопами кислорода, водорода, углерода, серы.
Наиболее успешно ИГТ используются при работе с изотермами, то есть прямыми линиями, построенными по множеству проб, в которых определены величины — индексов для двух минералов, образованных при одной и той же Т°С. Тогда угловой коэффициент изотермы определяется выражением , где и — оси координат, по которым откладываются значения — индексов для каждого изучаемого минерала. В этом случае выделяются несколько классов ИГТМакаров В. П. Изотопные геотермометры./XIII научный семинар «Система „Планета Земля“». — М.: МГУ, РОО «Гармония строения Земли и планет», 2005, стр. 228—253..
Мономинеральные ИГТ Они основаны на анализе распределений изотопов разных элементов в одном и том же минерале (карбонаты (углерод — кислород), мусковит и биотит (водород — кислород), сульфаты (сера — кислород) и пр.) по уравнению (1).
Двуминеральные ИГТ Моноэлементные ИГТ с одновременно образованными минералами.
Этот ИГТ- единственная в настоящее время форма, применяемая при изотопных исследованиях. Их теория хорошо разработана. Примером является ИГТ на паре Qw- Mt (магнетит), которые обмениваются между собой изотопами кислорода по реакции Qw(18О) + Mt(16О) ↔ Qw(16О) + Mt(18О). ……………………………………………………………………(2) Для этой реакции выражение (Qw)-(Mt) = = , используется для определения Тобр минералов. Это выражение следует из уравнения (1), если S= 1 и C1= C2. C1 и C2 — соединения, изотопно равновесные исследуемым минералам. Здесь ( — индекс) отражает отношение в минерале, отнесённое к эталону (для кислорода среднее отношение концентраций изотопов в океанической воде -SMOW (Standart Mode of Ocean Water)). Размерность — промиле ‰.
В целом, этот вид геотермометра не предназначен для определения Т. Он должен использоваться только как база для построения других ИГТ, то есть имеет феноменологическое значение. Моно- и биэлементные ИГТ с минералами в произвольных временных соотношениях.
Это разновременно образованные соединения с изотопами как общих, так и различных элементов (например, окисел и сульфид, кислород Qw и водород Bio), причём Тобр одного из них (эталона) и состав соединения C для него заранее известны. Имеются разновидности. 1.Моноэлементные ИГТ . Силикаты магматитов и метаморфитов образуют пары минералов с изотопами общего элемента. Например, широко распространённые пары минералов в гранитах Qw — Fs (полевые шпаты). 2. Биэлементные ИГТ (например, (Qw) и (Bio)). Наличие нескольких минералов, взятых из одних и тех же проб, позволяет провести контрольную оценку полученных результатов. Например, по данным рядовых определений по парам кварц — мусковит и кварц — калиевый полевой шпат контрольной может быть пара мусковит— калиевый полевой шпат.
Использование этих классов ИГТ позволило определить Тобр широкого круга конкретных минералов. Некоторые примеры из приведены в таблице.