Applying Phase Equilibria Modelling to Metamorphic and Geological Processes: Recent Developments and Future Potential

Abstract

Phase equilibria modelling has played a key role in enhancing our understanding of metamorphic processes. An important breakthrough in the last three decades has been the ability to construct phase diagrams by integrating internally consistent datasets of the thermodynamic properties of minerals, fluids and melts with activity–composition models for mixed phases that calculate end-member activities from end-member proportions. A major advance in applying phase equilibria modelling to natural rocks is using isochemical phase diagrams to explore the phase assemblages and reaction sequences applicable for a particular sample. The chemical systems used for modelling phase equilibria are continually evolving to provide closer approximations to the natural compositions of rocks and allow wider varieties of compositions to be modelled. Phase diagrams are now routinely applied to metasedimentary rocks, metabasites and intermediate to felsic intrusive rocks and more recently to ultramafic rocks and meteorites.  While the principal application of these phase diagrams is quantifying the pressure and temperature evolution of metamorphic rocks, workers are now applying them to other fields across the geosciences. For example, phase equilibria modelling of hydrothermal alteration and the metamorphism of hydrothermally altered rocks can be used to determine ‘alteration vectors’ to hydrothermal mineral deposits. Combining the results of phase equilibria of rock-forming minerals with solubility equations of accessory minerals has provided new insights into the geological significance of U–Pb ages of accessory minerals commonly used in geochronology (e.g. zircon and monazite). Rheological models based on the results of phase equilibria modelling can be used to evaluate how the strength of the crust and mantle can change through metamorphic and metasomatic processes, which has implications for a range of orogenic processes, including the localization of earthquakes. Finally, phase equilibria modelling of fluid generation and consumption during metamorphism can be used to explore links between metamorphism and global geochemical cycles of carbon and sulphur, which may provide new insights into the secular change of the lithosphere, hydrosphere and atmosphere.RESUMELa modelisation des equilibres de phases a joue un role cle dans l’amelioration de notre comprehension des processus metamorphiques. Une percee importante au cours des trois dernieres decennies a ete la capacite de construire des diagrammes de phase en y integrant des ensembles de donnees coherentes des proprietes thermodynamiques des mineraux, des fluides et des bains magmatiques avec des modeles d'activite-composition pour des phases mixtes qui deduisent l’activite des membres extremes a partir des proportions des membres extremes. Une avancee majeure dans l'application de la modelisation d'equilibre de phase aux roches naturelles consiste a utiliser des diagrammes de phases isochimiques pour etudier les assemblages de phase et les sequences de reaction applicables pour un echantillon particulier. Les systemes chimiques utilises pour la modelisation des equilibres de phase evoluent continuellement pour fournir des approximations plus proches des compositions naturelles des roches et permettent de modeliser de plus grandes varietes de compositions. Les diagrammes de phase sont maintenant appliques de facon routiniere aux roches metasedimentaires, aux metabasites et aux roches intrusives intermediaires a felsiques et plus recemment aux roches ultramafiques et aux meteorites.   Bien que l'application principale de ces diagrammes de phase consiste a quantifier l'evolution de la pression et de la temperature des roches metamorphiques, les utilisateurs les appliquent maintenant a d'autres specialites des geosciences. Par exemple, la modelisation des equilibres de phase de l'alteration hydrothermale et du metamorphisme des roches d’alteration hydrothermale peut etre utilisee pour determiner les « vecteurs d'alteration » des gisements mineraux hydrothermaux. La combinaison des resultats des equilibres de phase des mineraux constitutifs des roches avec des equations de solubilite des mineraux accessoires a permis d’en savoir davantage sur la signification geologique des âges U–Pb des mineraux accessoires couramment utilises en geochronologie (par exemple zircon et monazite). Les modeles rheologiques bases sur les resultats de la modelisation des equilibres de phase peuvent etre utilises pour evaluer comment la resistance de la croute et du manteau peut changer a travers des processus metamorphiques et metasomatiques, ce qui a des implications sur une gamme de processus orogeniques, y compris la localisation des seismes. Enfin, la modelisation des equilibres de phase de la generation et de l’absorption des fluides pendant le metamorphisme peut etre utilisee pour explorer les liens entre le metamorphisme et les cycles geochimiques globaux du carbone et du soufre, ce qui peut fournir de nouvelles perspectives sur le changement seculaire de la lithosphere, de l'hydrosphere et de l'atmosphere.