Geospeedometria

Geospeedometria to nauka zajmująca się pomiarem skali czasowej i/lub temperatur zdarzeń termicznych w historii skał metamorficznych lub magmowych przy użyciu profili dyfuzji pierwiastków w poszczególnych minerałach. „ Geospeedometria” odnosi się do prędkości lub skali czasowej zdarzeń termicznych w materiałach geologicznych. Termin po raz pierwszy pojawił się w literaturze w 1983 roku; wcześniejsze termochronometryczne skupiające się na dyfuzji żelaza i magnezu w oliwinie stanowiły podstawę dla tej dziedziny. Od tego czasu geospeedometria rozwinęła się szybko, ponieważ dalsze badania eksperymentalnie skalibrowały dyfuzyjność pierwiastków w różnych minerałach.

Teoria dyfuzji

Geospeedometria wykorzystuje zależność temperaturową dyfuzji chemicznej pierwiastków między strefami ziarna mineralnego. Zgodnie z drugim prawem Ficka koncentracja pierwiastka w jednym wymiarze na powierzchni dyfuzyjnej jest określona równaniem różniczkowym cząstkowym

$\ Displaystyle {\ nazwa operatora {\ częściowe} \! C \ ponad \ nazwa operatora {\ częściowe} \! t} = {{\ nazwa operatora {\ częściowe}} \over {\operatorname {\częściowy} \!x}}\left(D{\operatorname {\częściowy} \!C \over \operatorname {\częściowy} \!x}\right)}$

Gdzie

D jest współczynnikiem dyfuzji lub dyfuzyjnością (m ² s ⁻¹ ) pierwiastka w ośrodku
x to pozycja (długość)
czas _
C to stężenie pierwiastka; C(x,t) jest funkcją zależną zarówno od długości, jak i czasu.

Dla jednowymiarowego interfejsu przy x = 0 ze stałym stężeniem C ₀ ,

${\ Displaystyle C \ lewo (x, t \ prawo) = C_ {0} \ operatorname {erfc} \ lewo ({\ Frac {x} {2{\sqrt {Dt}}}}\right)}$

gdzie erfc jest komplementarną funkcją błędu .

Dyfuzyjność pierwiastka w ośrodku jest określona przez zależne od temperatury równanie Arrheniusa

${\ Displaystyle D = D_ {0} e ^ {-E_ {A} / RT}}$

Gdzie

D ₀ to maksymalna dyfuzyjność w nieskończonej temperaturze; znany również jako czynnik przedwykładniczy (m ² s ⁻¹ )
EA _mol jest energią aktywacji dyfuzyjności (J ⁻¹ )
R jest stałą gazową (J mol ⁻¹ K ⁻¹ )
T to temperatura bezwzględna (K)

Biorąc pod uwagę wyznaczoną eksperymentalnie D ₀ dla danego pierwiastka w danej substancji, empiryczny profil dyfuzji można wykorzystać do obliczenia szczytowej temperatury lub czasu trwania impulsu termicznego doświadczanego przez substancję. W przypadku zmiennej temperatury (np. podczas chłodzenia) D staje się funkcją czasu i proste rozwiązanie analityczne może nie mieć już zastosowania.

Metodologia

Schematyczna ilustracja początkowo ostrego gradientu stężeń między strefami wzrostu minerałów (niebieska linia przerywana) i następnie zmierzonego gradientu dyfuzyjnego (czerwone linie).

Geolodzy stosują teorię dyfuzji do naturalnych minerałów, aby zrozumieć historię termiczną systemów magmowych i metamorficznych. Profile dyfuzji danego pierwiastka są mierzone między strefami wzrostu pojedynczego minerału lub na styku dwóch różnych minerałów. Aby zmierzyć profil dyfuzji w pojedynczym krysztale, geolodzy mierzą jednowymiarowe transekty za pomocą instrumentów o wysokiej rozdzielczości przestrzennej, takich jak skaningowy mikroskop elektronowy , mikrosonda elektronowa , spektrometria masowa jonów wtórnych lub spektrometria masowa jonów wtórnych w nanoskali . Przeprowadzając odwrotne modelowanie profili dyfuzji, można oszacować skalę czasową dyfuzji.

Ograniczenia

Ponieważ rozwiązanie równania dyfuzji wymaga znajomości zarówno temperatury, jak i czasu trwania zdarzenia termicznego, jedno z nich musi być niezależnie ograniczone, aby zmierzyć drugie. W systemach geologicznych ani temperatura, ani czas trwania zdarzeń termicznych nie są znane a priori . Należy użyć niezależnego geotermometru , aby ograniczyć temperaturę szczytową, aby użyć geospeedometrii do obliczenia czasu trwania impulsu termicznego. I odwrotnie, czas trwania ogrzewania musi być ograniczony niezależnie za pomocą geochronologii do oszacowania maksymalnych temperatur. W literaturze toczy się debata na temat przydatności geospeedometrii do zrozumienia składowania i remobilizacji magmy na dużą skalę.