石榴石-黑云母（GB）地温计法和石榴石-Al?SiO?-斜长石-石英（GASP）地压计法的准确性受蓝晶石-硅线石-锰铝榴石相平衡的限制

《Journal of Asian Earth Sciences》：Accuracy of garnet–biotite (GB) geothermometry and garnet–Al 2SiO 5–plagioclase–quartz (GASP) geobarometry constrained by kyanite–sillimanite–andalusite phase equilibria

　　

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  5AV和6AV地热压计得出的P–T条件几乎相同。
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  两种地热压计都得出了热接触圈的恒定压力条件。
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  两种地热压计都得出了分布紧密的变质岩的恒定压力条件。
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  建议采用5AV和6AV模型的平均P–T条件。
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  GASP地热压计适用于含有${\mathrm{Ca}}_{}^{}$?>?0.12和Ca?>?0.02的变质岩。

引言

变质岩对变质压力–温度（P–T）条件的变化非常敏感。通过系统地改变石榴石、黑云母和斜长石的化学成分以适应不同的P–T条件，石榴石–黑云母–斜长石–石英–Al₂SiO₅组合在从高绿片岩到榴辉岩乃至超高温（UHT）榴辉岩相的各种压力条件下都能保持热力学稳定。因此，地热压计在确定在不同P–T条件下形成的变质岩的P–T条件方面发挥着重要作用。在地热压计中，石榴石–黑云母（GB）地热压计和石榴石–Al₂SiO₅–斜长石–石英（GASP）地热压计是最常用的两种。

至少存在36种不同的GB地热压计版本和7种不同的GASP地热压计版本。吴和程（2006年）通过对这些地热压计进行系统比较研究，并将其应用于实验数据和自然数据后，得出结论：Holdaway（2000年）的GB地热压计和Holdaway（2001年）的GASP地热压计是所有版本中最精确和准确的。此外，这种GB–GASP地热压计组合在热力学上是一致的。

实际上，总共衍生出了21种不同的GB地热压计版本（Holdaway, 2000年），其中5AV和6AV模型是通过采用Berman和Aranovich（1996年）、Ganguly等人（1996年）以及Mukhopadhyay等人（1997年）的平均Margules参数来校准的；5AV模型和6AV模型之间的区别在于它们使用了不同的Fe–Mg交换实验数据集（Holdaway, 2004年）：5AV模型基于Ferry和Spear（1978年）以及Perchuk和Lavrent’eva（1983年）的实验数据校准；6AV模型则包含了所有可用的实验数据（Ferry和Spear, 1978年，Perchuk和Lavrent’eva, I.V., 1983年，Gessmann等人, 1997年）。相应的GASP地热压计（Holdaway, 2001年）使用了Pl（Fuhrman和Lindsley, 1988年）和Grt（5AV或6AV）的活性模型。Holdaway（2000年）更倾向于使用5AV模型。然而，基于将不同版本的GB–GASP地热压计应用于广泛的实验数据集、含有Al₂SiO₅的变质岩样本以及从前进带、逆变带和热接触圈收集的样本的比较显示，6AV模型优于5AV模型（Wu和Cheng, 2006年）。

在这项工作中，我们试图通过将5AV和6AV模型应用于代表性的含Al₂SiO₅变质岩样本，进一步确定哪种模型更合适。此后，我们将5AV和6AV地热压计称为采用5AV和6AV模型的GB–GASP地热压计（Holdaway, 2000, Holdaway, 2001）。

在正文中，相关矿物的缩写如下：And表示角闪石；Bt表示黑云母；Chl表示绿泥石；Crd表示堇青石；Grt表示石榴石；Hem表示赤铁矿；Ilm表示钛铁矿；Kf表示钾长石；Ky表示蓝晶石；Ms表示白云母；Pl表示斜长石；Qz表示石英；St表示十字石；Sil表示矽线石。Grt和Pl中的Ca²⁺的摩尔分数分别定义为${\mathrm{Ca}}_{}^{}$ = Ca/(Fe?+?Mg?+?Ca?+?Mn) 和 Ca = Ca/(Ca?+?Na?+?K)，这是岩石学界的常规方法。

章节片段

代表性变质岩样本

为了比较5AV和6AV地热压计（Holdaway, 2000, Holdaway, 2001）的准确性，我们从文献中收集了2018个含Al₂SiO₅的变质岩样本，包括72个含And的样本、1232个含Sil的样本和714个含Ky的样本（见表S1及其中的参考文献）。此外，我们还收集了91个具有代表性的变质岩样本（见表S2及其中的参考文献），这些样本要么含有Ky?+?Sil（69个样本），要么含有And?+?Sil（22个样本）。

变质岩样本的压力–温度（P–T）条件

通过迭代应用GB地热压计（Holdaway, 2000）和GASP地热压计（Holdaway, 2001），同时约束了样本的P–T条件（见表S1–S4）。建议使用Pl（Fuhrman和Lindsley, 1988）的活性模型结合Holdaway（2000）推荐的5AV模型或Wu和Cheng（2006）推荐的6AV模型来计算GASP地热压计。

表S1中列出的样本的P–T条件为500–680?°C/0.8–4.6 kbar

5AV和6AV地热压计的准确性

研究表明，5AV和6AV地热压计都能成功区分从低级别到高级别变质带、逆变带或热接触带的温度变化（Wu和Cheng, 2006）。现在我们收集到的变质岩样本数量比以往任何时候都多（本工作中共2100个样本，而Holdaway, 2001年仅收集了76个样本；Wu和Cheng, 2006年收集了470个样本），这些样本可以用来验证5AV和6AV地热压计的准确性。

讨论

5AV和6AV地热压计都能有效分辨前进带和后退带变质带以及热接触圈中的温度变化（Wu和Cheng, 2006），从而证实了它们的准确性。在这项工作中，我们证明了：(a) 5AV和6AV地热压计为单相含Al₂SiO₅的变质岩（标准误差为±9.7?°C/±0.17 kbar）以及含Ky–Sil和And–Sil的变质岩提供了高度一致的温度条件。

结论

• (a)
  5AV和6AV地热压计为单相含Al₂SiO₅、含Ky–Sil和含And–Sil的变质岩提供了几乎相同的P–T条件。这两种模型将这些样本一致地投影到它们对应的Al₂SiO₅稳定性场中。
• (b)
  5AV和6AV地热压计得出的P–T结果表明，热接触圈内的变质岩和来自空间限制域的岩石分别经历了近似恒定压力条件下的变质作用。

CRediT作者贡献声明

Hui C.G. Zhang：负责写作——审稿与编辑、撰写初稿、可视化处理、验证、项目管理、方法论研究、资金争取、数据管理、概念构建。Chun-Ming Wu：负责写作——审稿与编辑、撰写初稿、可视化处理、验证、监督、方法论研究、数据分析、数据管理、概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢两位匿名审稿人的仔细审查以及编辑Jian-Feng Gao教授的帮助。这项工作是为了纪念已故的Michael J. Holdaway教授（南方卫理公会大学），他对变质地质学做出了重大贡献，不幸于2025年去世。本工作得到了中国国家自然科学基金（42302055）和中国博士后科学基金（2023M733457）的支持。

Hui C.G. Zhang|Chun-Ming Wu