地温压力计在变质矿物组合（斜长石+角闪石+石英±石榴石）中的适用性

《Journal of Asian Earth Sciences》：Applicability of geothermobarometers in the metamorphic mineral assemblage plagioclase?+?hornblende?+?quartz?±?garnet

温压计适用性研究：针对含矺石（Grt）岩石推荐Dale等（2000）矺石-角闪石（GH）温压计与GHPQ地压计联用，矺石缺失岩石选用Molina等（2021）角闪石-斜长石（PH）温压计及PH地压计联用，通过实验与自然样品验证确保P-T条件准确性。

　　

侯赛因·拉巴尼|吴春明

中国科学院地球科学与行星科学学院地球系统数值模拟与应用国家重点实验室，中国北京100049，邮政信箱4588

摘要

平衡态的变质矿物组合——角闪石+斜长石+石英±石榴石——总是出现在角闪岩、基性麻粒岩、变质片岩、钙质片岩/片麻岩或正片麻岩中。然而，目前的石榴石-角闪石（GH）和斜长石-角闪石（PH）地温计以及石榴石-角闪石-石英（GHPQ）和斜长石-角闪石（PH）地压计的适用性很少被系统地讨论过。在这项工作中，我们首先通过实验校准的石榴石-Al?SiO?-斜长石-石英（GASP）地压计验证了经验校准的石榴石-黑云母-斜长石-石英（GBPQ）地压计的一致性（±1 kbar）。然后，我们将GH和PH地温计以及GHPQ和PH地压计应用于实验数据以检查其精度，并随后通过将其应用于收集到的多种天然变质岩来验证其准确性。研究结论如下：(a) 对于含石榴石的岩石，GH地温计与GHPQ地压计（参考文献：Dale等人，2000年，《矿物学与岩石学进展》，140: 353-362）可以同时用来确定变质过程中的压力-温度（P-T）条件；(b) 对于不含石榴石的岩石，PH地温计（参考文献：Molina等人，2021年，《美国矿物学家》，106: 782-800）结合PH地压计（参考文献：Molina等人，2015年，《Lithos》，232: 286-305）也可以同时用来确定变质过程中的P-T条件；(c) 需要逆相平衡实验来精确和准确地校准PH地温计和地压计，这需要使用准确的角闪石和斜长石活性模型。

引言

确定不同变质阶段形成的矿物组合的变质压力-温度（P-T）条件是研究造山带或克拉通基底变质作用的基本工作。目前主要有两种方法来确定P-T条件：地温压计法和热力学假剖面建模。热力学假剖面建模要求岩石在变质过程中表现出严格的封闭化学系统行为，有时人们需要估算流体或熔体的化学组成，而这并不容易。然而，地温压计法不依赖于封闭系统行为，实际上它可以应用于封闭或开放化学系统（吴，2018年）。此外，地温压计法与流体或熔体的化学组成无关（吴和刘，2021年）。因此，地温压计法是构建变质P-T路径的重要且不可替代的工具（例如，Harley，1985年；Harley，1988年；Harley，1989年；St-Onge，1987年；赵等人，1999年；郭等人，2002年；郭等人，2025年；刘等人，2025年；赵等人，2026年）。

在热力学平衡状态下形成的变质矿物组合——角闪石（Hbl）+斜长石（Pl）+石英（Qz）±石榴石（Grt）——出现在角闪岩、基性麻粒岩、变质片岩、钙质片岩/片麻岩或正片麻岩中。因此，Grt-Hbl（GH）和Pl-Hbl(-Qz）（PH）地温计以及Grt-Hbl-Pl-Qz（GHPQ）和Hbl-Pl-Qz（HPQ）地压计是确定这些岩石的变质压力-温度（P-T）条件的重要工具。然而，所有这些地温压计的适用性很少被讨论，这使得它们的有效性存在疑问。相关地温压计的缩写列在表1中。

此外，应该指出的是，Hbl+Pl+Qz组合总是以包裹体（前驱）组合或逆向产物形式存在于角闪岩（例如，Xiao等人，2011年；Lu等人，2013年；Lu等人，2014年；Chen等人，2015年；Zhang等人，2019年；Zhang等人，2020年；Li等人，2022年；Zhao等人，2026年）或基性麻粒岩（例如，Wang等人，2016年；Wang等人，2017年；Wang等人，2018年；Liu等人，2019年；Zhang等人，2020年；Zhao等人，2026年）中，而且这种组合无法与变质峰值矿物组合（如Grt+Cpx+Opx+Pl+Hbl+Qz）在热力学平衡状态下形成。因此，PH地温压计在估算前驱或逆向组合时非常重要。

实际上，为了筛选出有效的地温压计版本，人们进行了比较研究，例如石榴石-黑云母（Wu和Cheng，2006年）、Grt-Opx（Wu和Zhao，2011年）以及石榴石-角闪石（Thomas和Rana，2020年）地温计，还有石榴石-Al?SiO?-斜长石-石英（Wu和Cheng，2006年）、石榴石-单斜辉石（Wu，2009年）和石榴石-白云母-斜长石-石英（Applegate和Hodges，1994年）地压计。在这项工作中，我们比较了相关地温压计的精度以及它们与GB地温压计之间的一致性，同时也比较了这些地压计与GBPQ地温压计在处理Pl+Hbl+Qz±Grt变质组合时的表现，并推荐了相对适用的系统。本工作中使用的数据（表S1至S4）作为电子附件提供。

方法论

GB地温计（Holdaway，2000年）和GASP地压计（Holdaway，2001年）都是基于逆相平衡实验的实验数据校准的。经过广泛的比较研究（Wu和Cheng，2006年），这对地温压计是目前同类地温压计中最精确和准确的。我们收集了来自全球的2084个含有Al?SiO?的变质片岩样品（表S3），并确定了它们的变质P-T条件。

数据库

对于实验数据（表S1和S2）或天然样品（表S3和S4），斜长石和石榴石的总氧化物含量应在99-101 wt%之间，角闪石的含量应在97 wt%以上。对于天然岩石样品，其热力学平衡状态应通过岩石学观察来确定。此外，任何一种相（包括石榴石、黑云母、斜长石和角闪石）的不同颗粒应在误差范围内显示出相同的化学组成。

GBPQ地压计的有效性检验

研究发现，GBPQ地压计的两种配方（Mg端成员和Fe端成员）在误差范围内（±1.2 kbar）产生了相当相似的压力值，其中2064个样品（约99.0%）的压力估计值在误差范围内（±0.5 kbar，表S3；图1a）。因此，我们此后使用平均的GBPQ压力值。GB-GASP地温压计对几乎所有样品都将其绘制在正确的Al?SiO?稳定性区域内（图1b），GB-GBPQ也是如此。

地温计的精度

通过将不同地温计应用于实验数据（表S1和S2），并判断它们在重建实验温度方面的表现来估计它们的精度。

从计算温度与实验温度的比较中可以得出结论，相对精确的石榴石-角闪石地温计包括GH84（±52°C）、GH85Po（±56°C）、GH85Pe（±57°C）和GH00D（±63°C），如图2a、2c、2b和2e所示。

地温压计的准确性

通过将地温计应用于多种天然变质岩（表S4），并将P-T结果与迭代GB-GBPQ地温计的结果进行比较来估计它们的准确性。

讨论

在这项工作中，半定量的角闪石-斜长石地温计（Ernst和Liou，1998年）没有被考虑，因为它们无法定量应用。同样，Ti在角闪石中的含量较少，因此这项工作也没有考虑Ti在角闪石中的地温计（Liao等人，2021年）。

PH07地温计的非理想性能（图4a和8a）...

结论

(a) 对于含石榴石的岩石，最精确和准确的地温计是Dale等人（2000年）的版本。

(b) 对于不含石榴石的岩石，最精确和准确的地温计是Molina等人（2021年）和Holland与Blundy（1994年）的版本。

(c) 对于含石榴石的岩石，最准确的地温计是Dale等人（2000年）的石榴石-角闪石-石英地温计版本。

(d) 对于不含石榴石的岩石，最精确和准确的地温计...

未引用的参考文献

Benisek等人，2010年；Berman等人，1995年；Ganguly等人，1996年；Graham和Powell，1984年；Perchuk和Lavrent'yeva，1990年。

CRediT作者贡献声明

侯赛因·拉巴尼：方法论研究、数据分析、数据管理。吴春明：项目监督、项目管理、方法论研究、资金获取、数据分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢钱佳辉教授和一位匿名审稿人的精心审阅。本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：42172054）的支持。