基本介紹
- 中文名：地質溫度計
- 外文名：geothermometer
- 計算公式：1000lnα=(A/T)+B
- 微量元素：銦(In)、鍺(Ge)、鎵(Ga)等
- 分餾係數：α T
礦物包裹體,同位素,閃鋅礦,同質多象,泥質礦物,其他,放射性裂變徑跡,同位素與古氣候,
礦物包裹體
根據礦物晶體中原生包裹體的均一化測定礦物的形成溫度。這種原生包裹體通常叫礦物溫度計。包裹體可以是固態的，礦物包裹體測溫法的一種，在室溫下從顯微鏡中看到的包裹體中的氣相和液相，是單相熱液隨主礦物冷縮所產生的氣泡。如果用實驗方法對包裹體加熱到某一溫度時，包裹體可恢復到形成時的均一相。由於均一溫度是在常壓下得到的，因此需加壓力校正值。這時的溫度就叫均一溫度，這種測溫的基本方法叫均一法。常用於測定透明礦物，它是包裹體測溫的基本方法。測定不透明礦物的方法叫爆破法，是根據氣液包裹體爆破產生的響聲來確定溫度的。從包裹體爆破曲線圖上可得出爆破溫度，爆破溫度經過壓力校正之後可認為是礦物形成溫度的上限。
地質溫度計
地質溫度計同位素
根據共生礦物對的同位素分餾（見穩定同位素地球化學）測定地質體中同位素平衡時的溫度。由同位素分餾作用已知，同位素交換反應的分餾係數（α）隨溫度（T）而變化，它們之間的關係式為 1000lnα=(A/T)+B 該式為同位素地質溫度計的計算公式，A和B是實驗確定的常數，與礦物種類有關。目前常用的有石英－磁鐵礦、石英-白雲母、石英-方解石等共生礦物對氧同位素地質溫度計和閃鋅礦-方鉛礦、黃鐵礦-方鉛礦等硫同位素地質溫度計。同位素地質溫度計不需進行壓力校正。
同位素地質溫度計
同位素地質溫度計閃鋅礦
閃鋅礦中常含有一些微量元素，如銦(In)、鍺(Ge)、鎵(Ga)、鉈(Tl)等，這些微量元素含量的多少常與閃鋅礦的形成溫度有關（見表）。因此,閃鋅礦地質溫度計又稱礦物－微量元素地質溫度計或類質同象地質溫度計。閃鋅礦（ZnS）主要產於接觸交待矽卡岩和中低溫熱液礦床中，若其形成溫度較高，則含鐵質較多，它的顏色容易呈現黑色或褐黑色；如其形成溫度不高，則含鐵質較少，因而呈現較淺的黃色、褐黃色。其中的鐵含量可作為地質溫度計判斷礦床形成溫度。
同質多象
礦物的同質多相轉變是在一定的溫度下實現的，因此，不同變體的出現，就能反映其形成溫度。例如文石（斜方）和方解石（三方）的化學分子式均為CaCO3，它們的轉變溫度為400℃。若文石出現，則反映低溫條件；方解石出現，反映中溫條件。 同質多象的形成與外界條件密切相關，因此同質多象的研究有助於確定晶體形成時的物理化學條件及所經歷的變化。如SiO2等物質的同質多象，被廣泛用作所謂的地質溫度計和地質壓力計。根據具β－方石英的立方體副象的α－石英，可推知其形成時的溫度在1470℃以上；而斯石英在地表大陷坑中的出現，則可作為該地曾發生隕石超高壓衝擊隕落的有力證據。又如HgS的兩種變體辰砂和黑辰砂,分別形成於鹼性和酸性介質中，它們的存在可說明成礦介質的酸鹼性。在工業上，用石墨製備人造金剛石；運用淬火、退火等手段控制加工件的某些物性；通過先升溫至573℃以上,然後在嚴格控制的條件下降溫，藉以消除水晶中對工業利用有害的道芬雙晶等，都是利用了同質多象轉變的特性。
同質多象
同質多象泥質礦物
在正常壓力下一些泥質礦物的出現反映其形成的最高溫度（℃），如埃洛石(50)、高嶺石(500)、蒙脫石(725)、水白雲母(900)、伊利石(950)等。若壓力增高，其相應溫度略有降低。 石榴石－黑雲母溫度計、石榴石－白雲母溫度計、石榴石－藍晶石（夕線石、紅柱石）－斜長石－石英(GASP)壓力計、石榴石－黑雲母－斜長石－石英(GBPQ)壓力計、石榴石－白雲母－斜長石－石英(GMPQ)壓力計、石榴石－黑雲母－白雲母－藍晶石（夕線石、紅柱石）－石英(GBMAQ)壓力計、石榴石－金紅石－鈦鐵礦－斜長石－石英(GRIPS)壓力計的準確度較高，可以為地質工作者所採用。二雲母溫度計、白雲母－斜長石溫度計準確度還有待大幅度改進。石榴石－金紅石－藍晶石（夕線石、紅柱石）－鈦鐵礦－石英(GRAIL)壓力計、石榴石－堇青石溫度計和石榴石－堇青石－藍晶石（夕線石、紅柱石）－石英(GCAQ)壓力計等溫壓計的準確度及其可適用性，還有待於進一步研究。
其他
能夠作為地質溫度計的還有礦物熔點、礦物分解溫度、固溶體分解溫度、礦物中的放射性裂變徑跡、鏡質組反射率、生物標誌化合物等。
地質溫度計
地質溫度計某些造岩礦物的形成溫度和相變溫度可以間接推測研究結晶時的溫度。例如：方石英轉變為鱗石英：1470℃正長石分解為白榴石和二氧化矽：1170℃普通角閃石暗化：1050℃大氣壓下黑雲母分解、暗化：1050～840℃鱗石英轉變為β－石英：870℃棕色角閃石轉變為綠色角閃石：750℃β－石英轉變為α－石英：575℃
放射性裂變徑跡
放射性裂變徑跡是根據礦物中U、Th放射性同位素自發裂變碎片的徑跡而計時的一種方法。徑跡數目與礦物年齡成正比。礦物中能產生裂變徑跡的重核有238U、235U和232Th。它們的自發裂變半衰期分別是1.01×1016年、3.5×1017年和大於1021年。所以天然樣品中238U的裂徑跡約占99.97%以上，而235U和232Th的裂變徑跡在年齡測定中可忽略不計。
生物標誌化合物（biomarker）是指沉積有機質、原油、油頁岩、煤中那些來源於活的生物體，在有機質演化過程中具有一定穩定性，沒有或較少發生變化，基本保存了原始生化組分的碳骨架，記載了原始生物母質的特殊分子結構信息的有機化合物。因此，它們具有特殊的“標誌作用”。
同位素與古氣候
發現氧同位素與古氣候之間有關連，是一件有趣且偶然的事。1946年的冬天，美國芝加哥大學化學教授尤瑞（H.C.Urey），在瑞士蘇黎世著名的工科大學講演，談到有關同位素的事。尤瑞指出：雖然同位素在化學性質上幾乎一樣，但在參與化學反應時往往造成不一樣的結果。例如，放在桌上的一杯水會自然蒸發，其中氧同位素（16O17O18O）即以不同的速率向外逸散，質量輕的氧-16就蒸發的比質量重的氧-18多。時間一久，這杯水內相對的就比當初含有較多的氧-17及氧-18。尤瑞的結論是：地球上的海洋已經過了漫長的類似蒸發作用，因此海洋相對地應該要比陸上的淡水含有較多的氧-17及氧-18。
芝加哥大學
芝加哥大學突然發現手上握著一支地質溫度計
在演講後的討論里，瑞士有名的結晶學者尼格立（P.Niggli)當即推論說：如果海水與淡水的氧同位素組成不同，則在這兩個水體裡沈澱出的“含氧礦物”就會反應出它們之間的差異。尼格立建議大家來分析石灰岩、珊瑚以及水生動物石灰質骨骼中的氧同位素，就可以區別出它們的來源。尤瑞聽了後記在心裡，一回到芝加哥大學的實驗室，就著手計算海水與淡水中碳酸鹽的氧同位素比值差異到底應有多少。結果他驚喜地發現：碳酸鹽氧同位素的比值與其沉澱時的溫度有關。尤瑞後來回憶說：“我突然發現手上握著一支地質溫度計。”
當然，在1947年時，這支地質溫度計實際上還在尤瑞的腦子裡，而不在他的手上，因為尤瑞面臨二個難題。第一個是碳酸鹽氧同位素的溫度效應太小，當時質譜儀無法測量。依尤瑞的計算，如果溫度差一度，碳酸鹽的氧同位素比值（18O16O）只有十萬分之五的差異；而當時最好的質譜儀只能量出溫度約10度的氧同位素比值。在海洋里，10度幾乎就是溫帶與兩極地區的溫差！因此，尤瑞必須將質譜儀的靈敏度提高10倍。借著一組優秀同事的協助，費了二年多的時光，他們克服了這困難。
斯克里普斯海洋研究所
斯克里普斯海洋研究所接著，第二個難題是為了檢驗與補充尤瑞的理論計算，他必須以實驗方法，導出一個碳酸鹽氧同位素的溫度方程式。加州大學斯克里普斯海洋研究所提供了養殖海洋貝類的恆溫水槽，尤瑞及他的同事愛普斯坦（S.Epstein）開始分析在不同溫度下生長貝類的氧同位素組成。可是現生貝類的殼裡不只是含有碳酸鈣，還有少量的有機質。這些有機質里的氧同位素會干擾碳酸鹽里氧同位素的信號，使分析出的結果無法反映出碳酸鹽氧同位素應有的溫度效應。在尤瑞及愛普斯坦的努力下，他們總算發展出一套可靠的標本處理程式，把貝殼裡不需要的有機質除去，單單分析碳酸鹽里氧同位素的組成。他們分析的結果終於得到了所要的碳酸鹽氧同位素的溫度方程式，也證實了當初尤瑞的理論計算，基本上是正確的
