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

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.RÉSUMÉLa modélisation des équilibres de phases a joué un rôle clé dans l’amélioration de notre compréhension des processus métamorphiques. Une percée importante au cours des trois dernières décennies a été la capacité de construire des diagrammes de phase en y intégrant des ensembles de données cohérentes des propriétés thermodynamiques des minéraux, des fluides et des bains magmatiques avec des modèles d'activité-composition pour des phases mixtes qui déduisent l’activité des membres extrêmes à partir des proportions des membres extrêmes. Une avancée majeure dans l'application de la modélisation d'équilibre de phase aux roches naturelles consiste à utiliser des diagrammes de phases isochimiques pour étudier les assemblages de phase et les séquences de réaction applicables pour un échantillon particulier. Les systèmes chimiques utilisés pour la modélisation des équilibres de phase évoluent continuellement pour fournir des approximations plus proches des compositions naturelles des roches et permettent de modéliser de plus grandes variétés de compositions. Les diagrammes de phase sont maintenant appliqués de façon routinière aux roches métasédimentaires, aux métabasites et aux roches intrusives intermédiaires à felsiques et plus récemment aux roches ultramafiques et aux météorites. Bien que l'application principale de ces diagrammes de phase consiste à quantifier l'évolution de la pression et de la température des roches métamorphiques, les utilisateurs les appliquent maintenant à d'autres spécialités des géosciences. Par exemple, la modélisation des équilibres de phase de l'altération hydrothermale et du métamorphisme des roches d’altération hydrothermale peut être utilisée pour déterminer les « vecteurs d'altération » des gisements minéraux hydrothermaux. La combinaison des résultats des équilibres de phase des minéraux constitutifs des roches avec des équations de solubilité des minéraux accessoires a permis d’en savoir davantage sur la signification géologique des âges U–Pb des minéraux accessoires couramment utilisés en géochronologie (par exemple zircon et monazite). Les modèles rhéologiques basés sur les résultats de la modélisation des équilibres de phase peuvent être utilisés pour évaluer comment la résistance de la croûte et du manteau peut changer à travers des processus métamorphiques et métasomatiques, ce qui a des implications sur une gamme de processus orogéniques, y compris la localisation des séismes. Enfin, la modélisation des équilibres de phase de la génération et de l’absorption des fluides pendant le métamorphisme peut être utilisée pour explorer les liens entre le métamorphisme et les cycles géochimiques globaux du carbone et du soufre, ce qui peut fournir de nouvelles perspectives sur le changement séculaire de la lithosphère, de l'hydrosphère et de l'atmosphère.