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Geotermobarometría

La geotermobarometría es la metodología para estimar la historia de presión y temperatura de las rocas ( metamórficas , ígneas o sedimentarias ). La geotermobarometría combina l...

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La geotermobarometría es la metodología para estimar la historia de presión y temperatura de las rocas ( metamórficas , ígneas o sedimentarias ). La geotermobarometría combina la geobarometría , donde se estima la presión alcanzada (y retenida) por un conjunto de minerales, y la geotermometría, donde se estima la temperatura alcanzada (y retenida) por dicho conjunto.

Ilustración de geotermobarometría. En el diagrama PT se representan una línea de equilibrio de temperatura (naranja) y una línea de equilibrio de presión (azul) de conjuntos minerales seleccionados presentes en la muestra. La intersección representa la probable condición de presión y temperatura a la que estuvo expuesta la roca durante su historia metamórfica.

Metodología

La geotermobarometría se basa en la comprensión de la temperatura y la presión de la formación de minerales dentro de las rocas. [ 1 ] Existen varios métodos para medir la temperatura o la presión de la formación o reequilibrio de minerales, basándose, por ejemplo, en el equilibrio químico entre minerales, [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] o midiendo la composición química [ 4 ] [ 5 ] y/o el estado de orden cristaloquímico [ 6 ] de minerales individuales, o midiendo las tensiones residuales en inclusiones sólidas [ 7 ] o las densidades en inclusiones fluidas . [ 8 ]

La termobarometría "clásica" (termodinámica) [ 9 ] 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. La distribución de los elementos componentes entre los conjuntos de minerales se analiza luego utilizando una variedad de técnicas analíticas, como la microsonda electrónica (EM), la microscopía electrónica de barrido (SEM) y la espectrometría de masas (MS). Hay numerosos factores adicionales a considerar, como la fugacidad de oxígeno y la actividad del agua (aproximadamente, lo mismo que la concentración) que deben tenerse en cuenta utilizando el enfoque metodológico y analítico apropiado (por ejemplo, espectroscopia Mössbauer , espectroscopia micro-raman , espectroscopia infrarroja , etc.). Los geobarómetros son típicamente reacciones de transferencia neta , que son sensibles a la presión pero tienen poco cambio con la temperatura, como la reacción granate - plagioclasa - moscovita - biotita que implica una reducción de volumen significativa a alta presión: [ 1 ]

Fe3Alabama2Si3O12⏟Granate de Fe-Al+California3Alabama2Si3O12⏟Granate de calcio y aluminio+KAl3Si3O10(OH)2⏟moscovita ↽−−⇀ 3CaAl2Si2O8⏟plagioclasa+KFe3AlSi3O10(OH)2⏟biotita{\displaystyle {\mathsf {\underbrace {{\ce {Fe3Al2Si3O12}}} _{\text{Granate Fe-Al}}+\underbrace {{\ce {Ca3Al2Si3O12}}} _{\text{Granate Ca-Al}}+\underbrace {{\ce {KAl3Si3O10(OH)2}}} _{\text{moscovita}}\ {\ce {<=>}}\ \underbrace {{\ce {3CaAl2Si2O8}}} _{\text{plagioclasa}}+\underbrace {{\ce {KFe3AlSi3O10(OH)2}}} _{\text{biotita}}}}}

Dado que las asociaciones minerales en equilibrio dependen de las presiones y temperaturas, al medir la composición de los minerales coexistentes, junto con el uso de modelos de actividad adecuados, se pueden determinar las condiciones de presión y temperatura experimentadas por la roca. [ 1 ]

Una vez hallada una constante de equilibrio , se traza una línea en el diagrama PT. Dado que las diferentes constantes de equilibrio de las asociaciones minerales se representan como líneas con distintas pendientes en el diagrama PT, al hallar la intersección de al menos dos líneas en dicho diagrama, 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 las asociaciones minerales representan un equilibrio, a cualquier ocurrencia de equilibrio retrógrado en la roca y a 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 huésped y su inclusión en la historia de la roca a partir de las presiones excesivas exhibidas por las inclusiones minerales atrapadas dentro de los minerales huésped. Tras la exhumación y el enfriamiento, las compresibilidades y expansividades térmicas contrastantes inducen deformaciones diferenciales (desajustes de volumen) entre un cristal huésped y sus inclusiones. Estas deformaciones pueden cuantificarse in situ mediante espectroscopia Raman o difracción de rayos X. Conociendo las ecuaciones de estado y las 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. [ 7 ] Estas se interpretan comúnmente como representativas de las condiciones de atrapamiento de la inclusión o del último equilibrio elástico del par.

Los datos sobre geotermómetros y geobarómetros se obtienen tanto de estudios de laboratorio sobre conjuntos de minerales sintéticos (artificiales) como de sistemas naturales para los que se dispone de otras restricciones.

Por ejemplo, uno de los geotermómetros más conocidos y de mayor aplicación es la relación granate-biotita, donde las proporciones relativas de hierro y magnesio en el granate y la biotita cambian con el aumento de la temperatura, por lo que la medición de la composición de estos minerales para obtener la distribución de Fe-Mg entre ellos permite calcular la temperatura de cristalización, dadas ciertas suposiciones.

Supuestos en la 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:

  • Es fundamental que esté presente la composición mineralógica completa necesaria para el termobarómetro. Si no están presentes todos los minerales de la reacción, o si no se equilibraron entre sí simultáneamente, las presiones y temperaturas calculadas para la reacción ideal diferirán de las que experimenta realmente la roca.
  • Se alcanzó un equilibrio químico satisfactorio. Esto podría ser imposible de demostrar de forma concluyente si no se observa que todos los minerales del conjunto termobarómetro estén en contacto entre sí.
  • Que cualquier mineral en un barómetro o termómetro de dos minerales creció en equilibrio, lo cual se supone cuando se observa que los minerales están en contacto.
  • Que la composición mineral no haya sido alterada por metamorfismo retrógrado, lo cual puede evaluarse mediante un microscopio óptico en la mayoría de los casos.
  • Que existan ciertas asociaciones mineralógicas. Sin ellas, la precisión de una lectura puede verse alterada respecto a lo ideal, y puede haber un mayor margen de error en la medición.
  • Los minerales presentes en la sección delgada se encuentran en el mismo estado de solución sólida que en el modelo. Muchos minerales, como los feldespatos y la augita, presentan diversas variaciones en su estado de solución sólida. Cada variación puede afectar al modelo y a la forma en que la roca se metamorfosea con el tiempo.

Supuestos en la termobarometría elástica

En los sistemas naturales, el comportamiento elástico de los minerales puede verse fácilmente alterado por el reequilibrio a altas temperaturas, la deformación plástica o frágil, lo que conlleva un cambio irreversible más allá del régimen elástico que impedirá reconstruir la "historia elástica" del par.

  • La principal suposición detrás de la geobarometría elástica es que el huésped y la inclusión han experimentado inicialmente la misma presión y que la deformación del sistema huésped-inclusión es elástica, por lo tanto reversible, y puede invertirse para obtener la presión de atrapamiento de la inclusión. [ 10 ]
  • Se supone que la forma de la inclusión es esférica, pero existen cálculos para formas no esféricas. [ 11 ]
  • Para varios pares huésped-inclusión, se supone que las propiedades elásticas del huésped y la inclusión son isotrópicas. Para algunos pares, existen soluciones anisotrópicas (por ejemplo, cuarzo en granate, circón en granate). [ 12 ] [ 13 ]
  • Los métodos de cálculo sencillos suponen una elasticidad lineal.

Técnicas

Algunas técnicas incluyen:

Geotermómetros

Cabe destacar que los termómetros de intercambio Fe-Mg son empíricos (probados y calibrados en laboratorio) y se calculan a partir de una comprensión termodinámica teórica de los componentes y fases involucrados. El termómetro de titanio en biotita es exclusivamente empírico y su funcionamiento termodinámico no se comprende del todo.

Geobarómetros

Diversas asociaciones minerales dependen más de la presión que de la temperatura; por ejemplo, las reacciones que implican un gran cambio de volumen. A alta presión, ciertos minerales adquieren volúmenes menores (por lo tanto, la densidad aumenta, ya que la masa no cambia); estos minerales son buenos indicadores de la paleopresión.

Software

El software para termobarometría "clásica" incluye:

  • El software Thermo-Calc se fundó en 1997, pero sus orígenes se remontan a mediados de la década de 1970. Su origen se encontraba en el departamento de metalurgia física del Real Instituto de Tecnología (KTH) de Estocolmo, Suecia, donde Mats Hillert era profesor. Tres de sus estudiantes de posgrado en aquel entonces eran Bo Sundman, Bo Janssno y John Ågren. Thermo-Calc es utilizado por científicos e ingenieros de materiales para generar datos sobre las propiedades de los materiales, obtener información valiosa sobre ellos, comprender observaciones específicas y responder preguntas directas relacionadas con un material concreto o su procesamiento. En combinación con bases de datos adecuadas, Thermo-Calc ofrece una amplia variedad de aplicaciones.
  • THERMOCALC [ 22 ] [ 23 ] desarrollado por Tim Holland y Roger Powell calcula equilibrios de fase modelo que involucran a los HPx-eos o miembros extremos individuales del conjunto de datos de Holland y Powell.
  • Perple_X , [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] desarrollado originalmente por James AD Connolly, es una colección de programas Fortran para calcular y mostrar equilibrios de fases petrológicas.
  • XMapTools [ 29 ] , 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 permite explorar y visualizar datos a gusto del usuario. Por ejemplo, XMapTools incluye una amplia gama de opciones de procesamiento de datos, incluyendo rutinas para clasificación, segmentación, calibración y visualización mediante mapas de uno y varios canales, o mediante diagramas binarios, ternarios y de araña. Ahora también 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 composicional cuantitativo. Este último se distribuye como un complemento de XMapTools e incluye una interfaz gráfica de usuario rediseñada y funciones mejoradas.

El software para termobarometría elástica incluye:

  • EntraPT [ 30 ] , desarrollada originalmente por Mattia L. Mazzucchelli, Ross J. Angel y Matteo Alvaro , es una aplicación web para geobarometría elástica. Está diseñada para simplificar la termobarometría elástica. Permite analizar gráficamente las deformaciones residuales de las inclusiones y estimar sus condiciones de atrapamiento, todo en un mismo lugar. Además, facilita la exportación, reutilización, compartición y comparación de datos.
  • Strainman , [ 31 ] 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 de los modos Raman (u otros fonones), y viceversa.
  • EosFit [ 32 ] es un conjunto de software para cálculos que involucran tanto expansión térmica como ecuaciones de estado que ahora incluye cinco componentes principales para realizar cálculos de EoS tanto con (EosFit7GUI) [ 33 ] como sin (EosFit7c) [ 32 ] una interfaz gráfica de usuario y para realizar cálculos de inclusión de anfitrión (Eosfit7-Pinc [ 34 ] ) con elasticidad no lineal. Eosfit utiliza cfml_eos , un conjunto validado de módulos Fortran que se pueden "utilizar" (en el sentido de Fortran) para escribir fácilmente programas que pueden leer, manipular y ajustar datos de EoS, y realizar cálculos relacionados para EoS.
  • Thermobar [ 35 ] es una herramienta/biblioteca de Python para termobarometría, quimiometría y equilibrio mineral. Thermobar permite a los usuarios elegir fácilmente entre más de 100 parametrizaciones populares que involucran equilibrios de líquido, olivino-líquido, olivino-espinela, solo piroxeno, piroxeno-líquido, dos piroxenos, feldespato-líquido, dos feldespatos, anfíbol y anfíbol-líquido, granate y biotita.

Termobarometría de clinopiroxeno

El mineral clinopiroxeno se utiliza para calcular la temperatura y la presión del magma que produjo la roca ígnea que contiene este mineral.

Véase también

Referencias

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  • 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 gratuitamente 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/