background image

GEOLOGICA CARPATHICA, FEBRUARY 2009, 60, 1, 3—14                                              doi: 10.2478/v10096-009-0003-6

www.geologicacarpathica.sk

Ti-in-biotite geothermometry in non-graphitic, peraluminous

metapelites from Crni vrh and Resavski humovi

(Central Serbia)

SUZANA ERIĆ

1

, MIHOVIL LOGAR

1

, DRAGAN MILOVANOVIĆ

1

, DANILO BABIČ

1

and BORIVOJ ADNAĐEVIĆ

2

1

Faculty of Mining and Geology, University of Belgrade, Đušina 7, Belgrade, Serbia;  suzanaeric@yahoo.com

2

Faculty of Physical Chemistry, University of Belgrade, Studenski trg 12—16, Belgrade, Serbia

(Manuscript received August 16, 2007; accepted in revised form June 12, 2008)

Abstract: The study discusses the application of the Ti-in-biotite geothermometer of Henry et al. (2005) to the example of
biotites from non-graphitic peraluminous micaschists of Central Serbia. Three petrographically different micaschists were
distinguished on the basis of the following mineral assemblages: CV1 (St-Grt-Bt-Ms-Pg-Pl-Qtz), CV2 (Grt-St-Ky-Bt-
Ms-Pl-Qtz) and RH (Grt-St-Bt-Ms-Pl-Qtz). Applying different geothermobarometers it was estimated that the studied
micaschists were metamorphosed at average temperatures and pressures of 530 °C and 520 MPa (CV1

incl

), 

 

580 °C and

670 MPa (CV1), 

 

630 °C and 700 MPa (CV2) and 550 °C, 680 MPa (RH). The average temperatures obtained by the Ti-

in-biotite method revealed uniform values for CV1 and CV2 micaschists and these values are very similar to the tempera-
tures obtained by other methods. In contrast, the application of Ti-in-biotite geothermometer for RH micaschist yields the
temperature difference of 85—110 °C. The variability of temperature is interpreted as a result of a positive correlation of Ti
contents  and  X

Mg

  values  in  RH  biotite,  which  is  in  disagreement  with  the  principles  of  the  Ti-in-biotite  method.  The

positive Ti-X

Mg

 correlation is a result of the compositional variability shown by RH biotites from different samples, which

can  possibly  be  related  to  compositional  inhomogeneities  of  the  pelitic  protolith.  On  the  other  hand,  the  Ti-in-biotite
geothermometer for CV2 biotite gave very uniform temperatures despite variable Ti contents (Ti = 0.260, sd = 0.018 apfu).
This is explained as result of the low sensitivity of Ti-in-biotite geothermometer for high Ti concentrations ( > 0.25 apfu).

Key words: Serbia, Ti-in-biotite geothermometer, micaschists, non-graphitic metapelite.

Introduction

Along  with  the  commonly  used  geothermometer  based  on
Mg-Fe exchange between coexisting garnet and biotite (Fer-
ry & Spear 1978; Perchuk & Lavrenteva 1983; Bhattacharya
et  al.  1992;  Holldaway  2000)  or  the  THERMOCALC  pro-
gram (Powell & Holland 2001), the amount of Ti in biotite
could also be used to determine the temperature of metamor-
phism in metapelites (Henry et al. 2005). Experimental work
on phlogopites has shown that there is a positive correlation
between  the  amount  of  Ti  in  biotite  and  temperature  and  a
negative  correlation  with  pressure  (Forbes  &  Flower  1974;
Robert 1976).

Henry et al. (2005), suggested that geothermometric calcu-

lations based on the amount of Ti and Mg/(Mg + Fe) ratio in
biotite  can  be  applied  to  graphitic  peraluminous  metapelites
that contain rutile and/or ilmenite and have equilibrated at pres-
sures and temperatures of about 400—600 MPa and 480—800 °C,
respectively.  The  authors  suggest  that  this  method  can  pro-
duce  considerable  disagreements  with  reference  tempera-
tures  when  it  is  applied  to  non-graphitic  peraluminous
metapelites  containing  Ti-saturated  minerals.  This  paper
aims to shed more light on this problem by investigating bi-
otites from the micaschists in Serbia.

Micaschists from Crni vrh and Resavski humovi, associated

with other metamorphic rocks in Proterozoic to Upper Paleo-
zoic  Crystalline  Complexes  in  Central  Serbia  (Vujisić  et  al.

1981),  correspond  to  non-graphitic  peraluminous  metapelites
containing Ti-saturated minerals.

The geothermometer of Henry et al. (2005) is most sensi-

tive for Ti contents in the range 0.0—0.3 apfu (atoms per for-
mula  unit).  Biotites  from  the  micaschists  of  Crni  vrh  and
Resavski humovi, which have such a range of Ti content and
are  characterized  by  different  X

Mg

  values  0.65),  provide  a

good basis for discussing the applicability and sensitivity of
the Ti-in-biotite geothermometer on non-graphitic peralumi-
nous metapelites.

Geological setting

Micaschists of Crni vrh are exposed about 10 km southwest

from Bagrdan, on the road between Strižilo and Donje Koma-
rice villages, as well as along the Pišljak and Kusača streams
(Fig. 1). Micaschists from Resavski humovi occur in the area
around  Miljko’s  monastery.  The  investigated  micaschists  are
exposed  as  10  to  40 m  long  outcrops,  where  these  rocks  are
associated  with  amphibolites  and  pegmatites  (Resavski  hu-
movi), or alternate with quartzites and gneisses (Crni vrh).

Geotectonically, the metamorphic rocks of Crni vrh and Re-

savski humovi belong to the northern and northwestern parts of
the Serbo-Macedonian Composite Terrane (Karamata & Krstić
1996). The metamorphic rocks of the Serbo-Macedonian Mas-
sif  were  affected  by  polyphase  metamorphism.  According  to

background image

4

ERIĆ, LOGAR, MILOVANOVIĆ, BABIČ and ADNA

Đ

EVIĆ

geochronological studies, these rocks were metamorphosed un-
der  amphibolite-,  locally  eclogite-facies  conditions  during  the
Caledonian  and  Hercynian  events  and  underwent  an  Alpine
overprint  in  greenschist-facies  conditions  (Balogh  et  al.  1994;
Milovanović  et  al.  1998).  They  comprise  wide  variations  of
ortho-  and  paragneisses,  micaschists  and  rarely  marbles,  am-
phibolites  and  eclogites.  Gneisses  and  micaschists  are  most
abundant.  In  places,  gneisses  and  micaschists  contain  smaller
bodies of amphibole gneisses, amphibolites, eclogites, marbles,
or migmatitic patches and veins of quartz, feldspars and micas.

Fig. 1. Geological map of the Crni vrh and Resavski humovi in Central Serbia (Vujisić et al. 1979).

Petrography

Two different varieties of micaschists from Crni vrh (CV1

and CV2) and one of Resavski humovi (RH) are petrographi-
cally distinguished, mostly according to the amount and size
of  staurolite  and  garnet  porphyroblasts  and  on  the  basis  of
the  presence  and  absence  of  kyanite  (Table 1).  Micaschists
of Crni vrh are composed of quartz, muscovite, biotite, sodic
plagioclase,  garnet,  staurolite,  kyanite  and  rarely  of  alkali
feldspar. Tourmaline, rutile and ilmenite occur as accessory

Table 1: Mineral associations of micaschists from Crni vrh and Resavski humovi.

Micaschists from Crni vrh 

Micaschists from Resavski humovi 

St + Grt + Bt + Ms + Pg + Pl + Qtz  (CV1) 
Grt + St + Ky + Bt + Ms + Pl + Qtz  (CV2) 

Grt + St + Bt + Ms + Pl + Qtz  (RH) 

Grt — garnet, St — staurolite, Ky — kyanite, Bt — biotite, Ms — muscovite, Pg — paragonite, Pl — plagioclase, Qtz — quartz 

 

background image

5

Ti-IN-BIOTITE GEOTHERMOMETRY IN NON-GRAPHITIC, PERALUMINOUS METAPELITES (CENTRAL SERBIA)

Fig. 2. First variety of micaschist from Crni vrh (CV1).

Fig. 3. Garnet porphyroblasts from CV1, N ll. Grt – garnet, Bt –
biotite, Ilm – ilmenite.

Fig. 4. Second variety of micaschist from Crni vrh (CV2).

Fig. 5. Staurolite and garnet from CV2, N+. St – staurolite, Qtz –
quartz, Grt – garnet, Bt – biotite.

Fig. 6. Garnet with micas from RH, N ll. Bt – biotite, Ms – mus-
covite, Grt – garnet.

Fig. 7. Garnet and biotite from RH, N ll. Bt – biotite, Grt – gar-
net, Ilm – ilmenite.

background image

6

ERIĆ, LOGAR, MILOVANOVIĆ, BABIČ and ADNA

Đ

EVIĆ

minerals. CV1 micaschist contains very large staurolite por-
phyroblasts  as  idiomorphic  (Fig. 2),  rarely  hypidiomorphic
grains up to 10 cm in size, which compose nearly 25 vol. %
of  the  rock.  These  porphyroblasts  contain  frequent  inclu-
sions  of  garnet,  biotite,  muscovite,  plagioclase  and  quartz.
Garnet  occurs  either  as  inclusions  or  porphyroblasts  up  to
0.4 cm in diameter (Fig. 3). Paragonite has been observed in
the groundmass along with muscovite and biotite. The domi-
nant mineral of CV2 micaschist is garnet appearing as large,
idiomorphic porphyroblasts up to 1 cm in diameter (Fig. 4),
while staurolite (Fig. 5) and kyanite porphyroblasts, ranging
in size from 0.5 mm to 0.5 cm, are less abundant.

Micaschists from Resavski humovi (RH) consist of quartz,

micas (biotite and muscovite, Fig. 6), sodic plagioclase, gar-
net  and  staurolite.  Garnet  appears  as  large  (up  to  0.7 cm  in
diameter), idiomorphic porphyroblasts usually containing in-
clusions of muscovite and quartz.

In all the micaschist varieties biotite is texturally associat-

ed with muscovite. It occurs as orientated flakes and sheet-
like  aggregates  defining  the  main  rock  fabric  characterized
by  a  pronounced  schistosity.  In  some  samples  the  micas
build  patches  or  bands  up  to  a  few  mm  in  thickness.  These
mica-rich bands sometimes alternate with quartz aggregates
producing  a  banded  structure.  Flakes  of  micas  are  up  to
2 mm,  commonly  from  0.3  to  1 mm  in  length  (Fig. 7).  Be-
sides  the  matrix  biotite,  tiny  biotite  flakes  (from  0.05  to
0.3 mm  in  size)  included  in  staurolite  porphyroblasts  were
also observed in the CV1 micaschist variety.

Analytical methods

The mineral chemistry of micaschists from both localities

was  obtained  using  an  EMPA,  CAMECA,  SX  100  electron
microprobe  at  the  Institute  of  Mineralogy  and  Petrography,
University  of  Hamburg,  Germany.  Operating  conditions
were  15 kV  accelerating  voltage  and  20 nA  sample  current.
Four  representative  samples  were  taken  from  each  mica-
schist variety. More than 100 microprobe analyses of biotite
and  a  similar  number  of  garnet  analyses  was  carried  out,
while plagioclase and other major minerals were analysed to
a lesser extent.

Robust  regression  analysis  for  defining  predominant  ex-

change vectors in biotites were performed using the statisti-
cal program NCSS.

Chemistry of major minerals

All analysed garnets exhibit almandine compositions con-

taining  significant  amounts  of  pyrope  and  spessartine  and
subordinate grossular component (Table 2). The amounts of
almandine  and  pyrope  components  increase,  while  the
amounts  of  spessartine  and  grossular  component  decrease
from  core  to  rim  in  garnet  grains  of  all  investigated  mica-
schists.  All  the  studied  micaschists  contain  typical  ferrugi-
nous  staurolite  characterized  by  low  MgO  (from  0.30  to
maximally 2.00 % – Erić 2005). The plagioclase of all the
investigated micaschists corresponds to oligoclase (Table 3)

containing 26—30 mol % anorthite. Paragonite was identified
only in the CV1 variety and it is worth noting that this mica-
schist contains sodium-rich muscovite that is muscovite with
the highest content of paragonite component (Table 3).

Representative  biotite  analyses  of  micaschist  varieties

from different samples are shown in Tables 4—6. All chemi-
cal analyses are normalized on the basis of 22 O assuming all
Fe  as  Fe

2 +

.  Biotites  from  investigated  micaschists  differ  in

their  X

Mg

  values  (CV1–0.57—0.62,  CV2–0.47—0.50  and

RH–0.52—0.57)  (Fig. 8).  Additionally,  biotites  from  CV1
and RH micaschists have almost identical Ti contents rang-
ing 0.15—0.20 and 0.13—0.22 atoms per formula unit (apfu),
respectively,  while  biotite  of  the  CV2  variety  shows  higher
Ti  contents  (0.20—0.30  apfu).  Significant  within-grain  (Ta-
ble 6,  analyses  2a—2b)  and  especially  between  grains  (indi-
vidual  grains  from  different  samples:  analyses  3—6,  4—7)
compositional variations are found only for biotites from the
RH variety. Finally, biotites occurring as inclusions in CV1
variety (Table 7) display similar X

Mg

 values and significant-

ly lower Ti contents (0.10—0.13 apfu) in comparison to ma-
trix  biotite  (Table 4).  The  observed  variability  in  chemical
composition, particularly in Ti content and X

Mg

 values in bi-

otite from the investigated micaschist varieties as well as in
different biotite generations (CV1), can be a good opportuni-
ty  for  applying  the  Ti-in-biotite  geothermometer  (Henry  et
al. 2005) whereas the frequency of isotherms suggests that all
biotites developed in the most sensitive part of the Ti—X

Mg

 di-

agram (Fig. 9).

Biotite crystallochemistry

Numerous  studies  have  confirmed  that  the  amounts  of  Ti

incorporated  in  biotite  depend  not  only  on  temperature,  but
also on the mineral assemblage, pressure and biotite crystal
chemistry (Guidotti et al. 1977; Dymek 1983; Lobotka 1983;
Guidotti 1984; Henry & Guidotti 2002; Henry et al. 2005).

The presence of titanium in biotite is related to substitutions

in octahedral and/or tetrahedral and octahedral sites (Dymek
1983; Henry & Guidotti 2002). The substitution:

Ti

4 +

+ 2O

2—

+ H

2

  R

2+

+ 2OH

(where  R

2 +

  is  a  divalent  octahedral  cation),  which  repre-

sents deprotonation (dehydrogenation) through the loss of H
(Waters  &  Charnley  2002;  Cesare  et  al.  2003),  often  takes
place  in  high-temperature  metapelitic  biotites.  As  possible
substitution  mechanisms  to  account  for  Ti  incorporation  in
the investigated biotites we used the exchange vectors Ti R

—2

(2

VI

R

2+

=

VI

Ti +

V I

; where  R

2 +

 is a divalent octahedral cation

and   is vacancy) and TiRAl

—2

 (2

VI

Al = Ti +

VI

R

2+

) for octahe-

dral  sites  and  TiAl

2

R

—1

Si

—2 

(2

IV

Si +

VI

R

2+

=

VI

Ti + 2

IV

Al)  and

Al

2

R

—1

Si

—2

  (

VI

R

2+

+

IV

Si = 2

IV

Al + 2

VI

Al)  for  substitutions  be-

tween octahedral and tetrahedral sites, respectively. The di-
rection of these exchange vectors for biotites from particular
micaschist varieties was determined using the robust regres-
sion  method.  The  obtained  results  are  presented  in  Table 8
and  Fig. 10a—d  and  all  of  them  display  statistical  signifi-
cance  (p < 0.001)  without  taking  the  value  R

2

  into  account.

background image

7

Ti-IN-BIOTITE GEOTHERMOMETRY IN NON-GRAPHITIC, PERALUMINOUS METAPELITES (CENTRAL SERBIA)

Fig. 8. Varieties of investigated micaschists with respect to Ti con-
tent and X

Mg

 values in biotites.

Fig. 9. Isotherms according to the Ti-in-biotite geothermometer in
metapelites (Henry et al. 2005).

Fig. 10. Regression lines of substitutions in investigated biotites. a – Ti R

—2

b – TiAl

2

R

—1

Si

—2

– TiRAl

—2

d –  Al

2

R

—1

Si

—1

.

background image

8

ERIĆ, LOGAR, MILOVANOVIĆ, BABIČ and ADNA

Đ

EVIĆ

Garnet Biotite 

 

CV1-r CV2-r  RH-r CV1-incl. 

 

CV1-r CV2-r  RH-r CV1-incl. 

SiO

2

 

37.03 37.02 36.52  

 

37.25 

SiO

2

 

36.34 36.96 37.04 35.97 

TiO

2

 

  0.02 

  0.05 

  0.02 

    0.00 

TiO

2

 

  1.49 

  2.25 

  1.48 

  1.21 

Al

2

O

3

 

21.17 21.43 21.11  

 

21.14 

Al

2

O

3

 

18.61 19.00 19.80 19.64 

FeO 

31.58 31.78 34.62  

 

33.66 

FeO 

16.52 18.57 16.66 15.71 

MnO 

  3.32 

  3.45 

  1.58 

    3.05 

MnO 

  0.04 

  0.00 

  0.00 

  0.08 

MgO 

  3.98 

  3.68 

  3.05 

    3.10 

MgO 

13.17 10.02 11.76 12.83 

CaO 

  2.70 

  2.45 

  2.95 

    1.96 

CaO 

  0.02 

  0.00 

  0.00 

  0.02 

Na

2

  0.01 

  0.00 

  0.02 

    0.00 

Na

2

  0.38 

  0.31 

  0.51 

  0.32 

K

2

  0.00 

  0.00 

  0.01 

    0.00 

K

2

  8.73 

  9.10 

  7.86 

  8.92 

Sum 

99.81 99.86 99.88 100.16 

Sum 

95.30 96.21 95.11 94.70 

Si 

  2.961 

  2.964 

  2.937 

    2.991 

Si 

  5.429 

  5.514 

  5.495 

  5.388 

Al

IV

 

  0.039 

  0.036 

  0.063 

    0.009 

Al

IV

 

  2.571 

  2.486 

  2.505 

  2.612 

Al

VI

 

  1.955 

  1.986 

  1.938 

    1.992 

Al

VI

 

  0.706 

  0.855 

  0.958 

  0.855 

Ti 

  0.001 

  0.003 

  0.001 

    0.000 

Ti 

  0.167 

  0.252 

  0.165 

  0.136 

Fe

3+

 

  0.083 

  0.044 

  0.126 

    0.016 

Mg 

  2.933 

  2.228 

  2.601 

  2.865 

Mg 

  0.474 

  0.439 

  0.366 

    0.371 

Fe

2+

 

  2.064 

  2.317 

  2.067 

  1.968 

Fe

2+

 

  2.028 

  2.084 

  2.203 

    2.244 

Mn 

  0.005 

  0.000 

  0.004 

  0.010 

Mn 

  0.225 

  0.234 

  0.108 

    0.207 

Ca 

  0.003 

  0.000 

  0.000 

  0.003 

Ca 

  0.231 

  0.210 

  0.254 

    0.169 

Na 

  0.110 

  0.090 

  0.147 

  0.093 

Na 

  0.002 

  0.000 

  0.003 

    0.000 

  1.664 

  1.732 

  1.488 

  1.705 

  0.000 

  0.000 

  0.001 

    0.000 

cations 

15.562 15.474 15.430 15.635 

cations 

  7.999 

  8.000 

  8.000 

    7.999 

X

Mg

 

  0.587 

  0.490 

  0.557 

  0.593 

Alm 

68.5 

70.2 

75.1 

  75.0 

Py 

16.0 

14.8 

12.5 

  12.4 

Sp 

  7.6 

  7.9 

  2.5 

    6.9 

Grs 

  3.7 

  4.8 

  3.7 

    4.8 

r — rim of grain, 

Alm — almandine, Py — pyrope, Sp — spessartine, Grs — grossular 

X

Mg

 = Mg/(Fe+Mg) 

 

Table 2: Representative microprobe analyses of garnet and biotite in the investigated micaschists.

Table 3: Representative microprobe analyses of plagioclase, muscovite and paragonite in the investigated micaschists.

 

Plagioclase Muscovite 

Paragonite

 

CV1-r CV2-r  RH-r CV1-incl. 

 

CV1-r CV2-r  RH-r CV1-incl. CV1-r 

SiO

2

 

  61.28 

  61.25 

  60.83 

  61.20 

SiO

2

 

  45.34 

  45.28 

  47.16 

  47.00 

  45.09 

TiO

2

 

    0.00 

    0.00 

    0.00 

    0.00 

TiO

2

 

    0.35 

    0.47 

    0.74 

    0.55 

    0.15 

Al

2

O

3

 

  24.25 

  24.38 

  24.51 

  24.31 

Al

2

O

3

 

  35.54 

  35.64 

  34.47 

  36.32 

  39.00 

FeO 

    0.00 

    0.00 

    0.03 

    0.00 

FeO 

    2.29 

    1.31 

    3.11 

    0.61 

    0.98 

MnO 

    0.00 

    0.00 

    0.00 

    0.00 

MnO 

    0.03 

    0.00 

    0.03 

    0.14 

    0.00 

MgO 

    0.00 

    0.00 

    0.00 

    0.00 

MgO 

    0.52 

    0.73 

    1.21 

    1.12 

    0.09 

CaO 

    6.29 

    6.26 

    5.56 

    6.07 

CaO 

    0.02 

    0.01 

    0.00 

    0.00 

    0.31 

Na

2

    8.23 

    8.25 

    8.52 

    8.29 

Na

2

    2.62 

    0.94 

    1.87 

    1.60 

    6.55 

K

2

    0.06 

    0.05 

    0.07 

    0.05 

K

2

    7.43 

    9.72 

    8.82 

    8.20 

    1.74 

Sum 

100.11 

100.19 

  99.52 

  99.92 

Sum 

  94.14 

  94.10 

  97.41 

  95.54 

  93.91 

Si 

    2.721 

    2.717 

    2.714 

    2.721 

Si 

    6.079 

    6.089 

    6.617 

    6.151 

    5.900 

Al 

    1.269 

    1.275 

    1.289 

    1.274 

Al

IV

 

    1.921 

    1.911 

    1.833 

    1.849 

    2.100 

Ti 

    0.000 

    0.000 

    0.000 

    0.000 

Al

VI

 

    3.696 

    3.737 

    3.479 

    3.752 

    3.915 

Fe 

    0.000 

    0.000 

    0.001 

    0.000 

Ti 

    0.035 

    0.048 

    0.073 

    0.054 

    0.015 

Mg 

    0.000 

    0.000 

    0.000 

    0.000 

Mg 

    0.104 

    0.146 

    0.236 

    0.218 

    0.018 

Mn 

    0.000 

    0.000 

    0.000 

    0.000 

Fe

2+

 

    0.257 

    0.147 

    0.340 

    0.067 

    0.107 

Ca 

    0.299 

    0.298 

    0.266 

    0.289 

Mn 

    0.003 

    0.000 

    0.003 

    0.016 

    0.000 

Na 

    0.708 

    0.710 

    0.737 

    0.715 

Ca 

    0.003 

    0.001 

    0.000 

    0.000 

    0.043 

    0.003 

    0.003 

    0.004 

    0.003 

Na 

    0.681 

    0.245 

    0.474 

    0.406 

    1.662 

cations 

    5.000 

    5.003 

    5.011 

    5.002 

    1.271 

    1.667 

    1.471 

    1.369 

    0.290 

Ab 

  70.1 

  70.3 

  73.2 

  71.0 

cations 

  14.050 

  13.991 

  14.526 

  13.882 

  13.557 

An 

  29.6 

  29.5 

  26.4 

  28.7 

X

Ms

 

    0.651 

    0.872 

    0.756 

    0.736 

    0.148 

Or 

    0.3 

    0.3 

    0.4 

    0.3 

X

Pg

 

    0.349 

    0.128 

    0.244 

    0.264 

    0.852 

Ab — albite, An — anorthite, Or — orthoclase 

X

Ms

=X

K

/(X

K

+X

Na

); X

K

=K/(K+Na+Ca); X

Na

=Na/(K+Na+Ca); X

Pg

=1–X

Ms

 

r — rim of grain 

The  directions  of  exchange  vectors  (regression  lines,
Fig. 10a—d)  for  biotites  from  RH  micaschist  crosscut  the
mutually sub-parallel directions of exchange vectors shown
by  biotites  from  the  CV1  and  CV2  varieties.  These  dis-
crepancies  are  obvious  in  all  cases,  especially  for

VI

R

2+

+

IV

Si = 2

IV

Al + 2

VI

Al  substitution  (Fig. 10d).  The  rea-

son  for  these  discrepancies  is  most  probably  related  to  the
observed  compositional  variations  shown  by  RH  biotites
(note  that  the  individual  biotite  analyses  have  different
weights in the regression model).

background image

9

Ti-IN-BIOTITE GEOTHERMOMETRY IN NON-GRAPHITIC, PERALUMINOUS METAPELITES (CENTRAL SERBIA)

Table 4: Representative microprobe analyses of biotites in CV1 micaschists.

 

Bt-1a 

Bt-1b Bt-2a Bt-2b Bt-3 Bt-4 Bt-5 Bt-6 Bt-7 

SiO

2

 

  36.13 

  36.38 

  36.08 

  36.22 

  36.51 

  37.91 

  38.35 

  35.74 

  37.13 

TiO

2

 

    1.43 

    1.47 

    1.57 

    1.52 

    1.40 

    1.37 

    1.40 

    1.56 

    1.46 

Al

2

O

3

 

  18.79 

  19.13 

  19.15 

  18.95 

  18.64 

  18.36 

  19.53 

  18.55 

  18.73 

FeO 

  16.62 

  16.43 

  15.73 

  15.94 

  16.45 

  17.06 

  15.66 

  15.83 

  15.90 

MnO 

    0.07 

    0.04 

    0.12 

    0.07 

    0.04 

    0.05 

    0.09 

    0.07 

    0.12 

MgO 

  12.67 

  12.56 

  12.79 

  12.78 

  13.24 

  12.67 

  12.77 

  12.51 

  13.02 

CaO 

    0.02 

    0.01 

    0.03 

    0.00 

    0.02 

    0.00 

    0.00 

    0.06 

    0.00 

Na

2

    0.40 

    0.53 

    0.45 

    0.34 

    0.37 

    0.74 

    0.91 

    0.14 

    0.62 

K

2

    8.44 

    8.98 

    9.01 

    9.19 

    8.80 

    8.22 

    8.23 

    8.83 

    8.35 

Sum 

  94.57 

  95.53 

  94.93 

  95.01 

  95.47 

  96.38 

  96.94 

  93.31 

  95.33 

Si 

    5.434 

    5.422 

    5.401 

    5.424 

    5.441 

    5.579 

    5.563 

    5.442 

    5.508 

Al

IV

 

    2.566 

    2.578 

    2.599 

    2.576 

    2.559 

    2.421 

    2.437 

    2.558 

    2.492 

Al

VI

 

    0.764 

    0.782 

    0.779 

    0.769 

    0.716 

    0.763 

    0.901 

    0.771 

    0.783 

Ti 

    0.162 

    0.165 

    0.177 

    0.171 

    0.157 

    0.152 

    0.153 

    0.181 

    0.163 

Mg 

    2.841 

    2.791 

    2.854 

    2.853 

    2.942 

    2.780 

    2.761 

    2.840 

    2.879 

Fe

2+

 

    2.090 

    2.048 

    1.969 

    1.996 

    2.050 

    2.100 

    1.900 

    2.016 

    1.973 

Mn 

    0.009 

    0.005 

    0.015 

    0.009 

    0.005 

    0.006 

    0.011 

    0.009 

    0.015 

Ca 

    0.003 

    0.002 

    0.005 

    0.000 

    0.003 

    0.000 

    0.000 

    0.010 

    0.000 

Na 

    0.117 

    0.153 

    0.131 

    0.099 

    0.107 

    0.211 

    0.256 

    0.041 

    0.178 

    1.619 

    1.707 

    1.721 

    1.756 

    1.673 

    1.543 

    1.523 

    1.715 

    1.580 

cations 

  15.605 

  15.653 

  15.651 

  15.653 

  15.653 

  15.555 

  15.505 

  15.583 

  15.571 

X

Mg

 

    0.576 

    0.577 

    0.592 

    0.588 

    0.589 

    0.570 

    0.592 

    0.585 

    0.593 

Henry 

et 

al. 

(2005) 

[T(°C)] 

568 573 593 584 566 552 562 595 576 

for all analyses: Ti

apfu

 sd = 0.011, X

Mg

 sd = 0.009; sd — standard deviation 

 

Table 5: Representative microprobe analyses of biotites in CV2 micaschists.

 

Bt-1a Bt-1b Bt-2a Bt-2b Bt-3 Bt-4 Bt-5 Bt-6 Bt-7 

SiO

2

 

  36.58 

  37.24 

  35.57 

  35.48 

  35.88 

  35.47 

  35.08 

  35.42 

  35.29 

TiO

2

 

    2.11 

    2.36 

    2.23 

    2.45 

    2.36 

    2.39 

    2.13 

    2.24 

    2.09 

Al

2

O

3

 

  18.56 

  18.92 

  18.52 

  18.78 

  18.74 

  18.60 

  18.62 

  18.61 

  18.42 

FeO 

  18.84 

  19.01 

  19.89 

  19.70 

  19.40 

  19.53 

  19.34 

  20.08 

  19.84 

MnO 

    0.00 

    0.00 

    0.04 

    0.04 

    0.04 

    0.07 

    0.04 

    0.13 

    0.01 

MgO 

  10.39 

  10.19 

  10.27 

  10.12 

  10.14 

  10.22 

  10.37 

  10.20 

  10.36 

CaO 

    0.00 

    0.00 

    0.00 

    0.00 

    0.02 

    0.01 

    0.00 

    0.02 

    0.00 

Na

2

    0.49 

    0.44 

    0.05 

    0.28 

    0.08 

    0.24 

    0.07 

    0.18 

    0.11 

K

2

    8.82 

    8.59 

    9.45 

    9.39 

    9.76 

    9.03 

    9.18 

    9.44 

    9.33 

Sum 

  95.79 

  96.75 

  96.02 

  96.24 

  96.42 

  95.56 

  94.83 

  96.32 

  95.45 

Si 

    5.494 

    5.518 

    5.384 

    5.355 

    5.401 

    5.378 

    5.363 

    5.357 

    5.375 

Al

IV

 

    2.506 

    2.482 

    2.616 

    2.645 

    2.599 

    2.622 

    2.637 

    2.643 

    2.625 

Al

VI

 

    0.779 

    0.822 

    0.687 

    0.696 

    0.726 

    0.702 

    0.718 

    0.673 

    0.681 

Ti 

    0.238 

    0.263 

    0.254 

    0.278 

    0.267 

    0.273 

    0.245 

    0.255 

    0.239 

Mg 

    2.326 

    2.251 

    2.317 

    2.277 

    2.275 

    2.310 

    2.363 

    2.300 

    2.352 

Fe

2+

 

    2.366 

    2.356 

    2.518 

    2.487 

    2.442 

    2.477 

    2.473 

    2.540 

    2.527 

Mn 

    0.000 

    0.000 

    0.005 

    0.005 

    0.005 

    0.009 

    0.005 

    0.017 

    0.001 

Ca 

    0.000 

    0.000 

    0.000 

    0.000 

    0.003 

    0.002 

    0.000 

    0.003 

    0.000 

Na 

    0.143 

    0.126 

    0.015 

    0.082 

    0.023 

    0.071 

    0.021 

    0.053 

    0.032 

    1.690 

    1.624 

    1.825 

    1.808 

    1.874 

    1.747 

    1.790 

    1.821 

    1.813 

cations 

  15.542 

  15.442 

  15.621 

  15.633 

  15.615 

  15.591 

  15.615 

  15.662 

  15.645 

X

Mg

 

    0.496 

    0.489 

    0.479 

    0.478 

    0.490 

    0.483 

    0.489 

    0.475 

    0.482 

Henry 

et 

al. 

(2005) 

[T(°C)] 

621 637 629 644 630 642 625 629 618 

for all analysis: Ti

apfu

 sd = 0.018, X

Mg

 sd = 0.007; sd — standard deviation 

 

Geothermobarometry

The  temperature  of  metamorphism  for  the  investigated

micaschists was calculated using garnet-biotite (GB) Fe-Mg
exchange  (Bhattacharya  et  al.  1992;  Holdaway  2000),  garnet-
muscovite (GM) (Wu et al. 2002), muscovite-paragonite (MP)
(Blencoe et al. 1994) and Ti-in-biotite geothermometer (Henry
et  al.  2005).  Pressures  were  determined  using  the  geobarome-
ters based on the net-transfer reactions: anorthite-grossular-kya-

nite-quartz  (GASP)  (Powell  &  Holland  1988),  garnet-biotite-
plagioclase-quartz (GBPQ) (Wu et al. 2004a) and garnet-mus-
covite-plagioclase-quartz (GMPQ) (Wu et al. 2004b).

The  average  values  of  temperature  and  pressure  based  on

the all above mentioned calibrations and those obtained from
the THERMOCALC 3.21 program are given in Table 9.

Calculated temperatures using the Henry et al. (2005) for-

malism  for  all  studied  biotites  are  listed  in  Tables 4—7  and
plotted  on  the  Ti  versus  X

Mg

  diagram  (Fig. 11a).  Biotites

background image

10

ERIĆ, LOGAR, MILOVANOVIĆ, BABIČ and ADNA

Đ

EVIĆ

Table 6: Representative microprobe analyses of biotites in RH micaschists.

 

Bt-1a Bt-1b Bt-2a Bt-2b  Bt-3  Bt-4  Bt-5  Bt-6  Bt-7 

SiO

2

 

37.70 38.13 37.58 37.56 35.62 35.47 35.87 37.72 38.91 

TiO

2

 

  1.58 

  1.65 

  1.49 

  1.72 

  1.26 

  1.55 

  1.78 

  1.92 

  1.93 

Al

2

O

3

 

20.02 19.53 19.51 19.70 19.94 19.41 19.39 19.52 19.93 

FeO 

17.57 17.33 17.35 16.67 18.30 18.05 16.55 16.59 16.86 

MnO 

  0.00 

  0.11 

  0.08 

  0.18 

  0.00 

  0.02 

  0.08 

  0.00 

  0.09 

MgO 

11.64 11.72 11.38 11.37 10.94 11.55 11.96 11.82 11.73 

CaO 

  0.00 

  0.00 

  0.00 

  0.00 

  0.04 

  0.00 

  0.04 

  0.00 

  0.14 

Na

2

  0.55 

  0.44 

  0.72 

  0.60 

  0.25 

  0.30 

  0.32 

  0.37 

  0.21 

K

2

  8.20 

  8.50 

  7.86 

  8.09 

  8.64 

  8.84 

  8.82 

  8.40 

  7.12 

Sum 

97.26 97.41 95.97 95.89 94.99 95.19 94.81 96.34 96.92 

Si 

  5.493 

  5.545 

  5.543 

  5.534 

  5.375 

  5.346 

  5.387 

  5.531 

  5.613 

Al

IV

 

  2.507 

  2.455 

  2.457 

  2.466 

  2.625 

  2.654 

  2.613 

  2.490 

  2.387 

Al

VI

 

  0.932 

  0.892 

  0.935 

  0.955 

  0.922 

  0.794 

  0.819 

  0.904 

  1.001 

Ti 

  0.173 

  0.180 

  0.165 

  0.191 

  0.143 

  0.176 

  0.201 

  0.212 

  0.209 

Mg 

  2.529 

  2.541 

  2.502 

  2.497 

  2.460 

  2.595 

  2.678 

  2.584 

  2.522 

Fe

2+

 

  2.141 

  2.108 

  2.140 

  2.054 

  2.309 

  2.275 

  2.079 

  2.034 

  2.034 

Mn 

  0.000 

  0.014 

  0.000 

  0.022 

  0.000 

  0.003 

  0.010 

  0.000 

  0.011 

Ca 

  0.000 

  0.000 

  0.000 

  0.000 

  0.006 

  0.000 

  0.006 

  0.000 

  0.022 

Na 

  0.155 

  0.155 

  0.206 

  0.171 

  0.073 

  0.088 

  0.093 

  0.105 

  0.059 

  1.524 

  1.577 

  1.479 

  1.521 

  1.663 

  1.700 

  1.690 

  1.571 

  1.310 

cations 

15.454 15.467 15.427 15.411 15.577 15.631 15.576 15.473 15.168 

X

Mg

 

  0.541 

  0.546 

  0.539 

  0.549 

  0.516 

  0.533 

  0.563 

  0.559 

  0.554 

Henry 

et 

al. 

(2005) 

[T(°C)] 

570 581 559 593 516 571 608 616 612 

for all analysis: Ti

apfu

 sd = 0.022, X

Mg

 sd = 0.017; sd — standard deviation 

 

Table 7: Representative microprobe analyses of biotite inclusions in staurolite grains (CV1 micaschists).

 

Bt-1 Bt-2 Bt-3 Bt-4 Bt-5 Bt-6 Bt-7 Bt-8 Bt-9 

SiO

2

 

  35.97 

  36.04 

  37.93 

  38.66 

  36.00 

  38.29 

  37.31 

  37.15 

  36.65 

TiO

2

 

    1.21 

    1.18 

    1.20 

    1.00 

    1.19 

    1.10 

    1.10 

    1.15 

    1.20 

Al

2

O

3

 

  19.64 

  19.07 

  19.18 

  18.82 

  19.35 

  19.00 

  19.23 

  19.18 

  19.30 

FeO 

  15.71 

  15.91 

  14.92 

  14.78 

  15.81 

  14.85 

  15.24 

  15.33 

  15.51 

MnO 

    0.08 

    0.03 

    0.13 

    0.10 

    0.05 

    0.11 

    0.09 

    0.08 

    0.08 

MgO 

  12.83 

  12.79 

  12.84 

  12.61 

  12.81 

  12.72 

  12.72 

  12.77 

  12.82 

CaO 

    0.02 

    0.03 

    0.00 

    0.00 

    0.02 

    0.00 

    0.01 

    0.01 

    0.02 

Na

2

    0.32 

    0.37 

    0.22 

    0.68 

    0.34 

    0.45 

    0.50 

    0.40 

    0.30 

K

2

    8.92 

    8.96 

    8.35 

    8.18 

    8.94 

    8.27 

    8.55 

    8.60 

    8.74 

Sum 

  94.70 

  94.38 

  94.77 

  94.83 

  94.51 

  94.79 

  94.75 

  94.67 

  94.62 

Si 

    5.388 

    5.426 

    5.606 

    5.700 

    5.332 

    5.653 

    5.545 

    5.532 

    5.475 

Al

IV

 

    2.612 

    2.574 

    2.394 

    2.300 

    2.668 

    2.347 

    2.455 

    2.468 

    2.525 

Al

VI

 

    0.855 

    0.810 

    0.948 

    0.970 

    0.807 

    0.960 

    0.914 

    0.899 

    0.874 

Ti 

    0.136 

    0.134 

    0.133 

    0.111 

    0.136 

    0.122 

    0.124 

    0.129 

    0.135 

Mg 

    2.865 

    2.871 

    2.829 

    2.772 

    2.908 

    2.799 

    2.817 

    2.834 

    2.854 

Fe

2+

 

    1.968 

    2.003 

    1.844 

    1.822 

    2.014 

    1.834 

    1.894 

    1.909 

    1.938 

Mn 

    0.010 

    0.004 

    0.016 

    0.012 

    0.006 

    0.014 

    0.011 

    0.010 

    0.010 

Ca 

    0.003 

    0.005 

    0.000 

    0.000 

    0.003 

    0.000 

    0.002 

    0.002 

    0.003 

Na 

    0.093 

    0.108 

    0.063 

    0.194 

    0.100 

    0.129 

    0.144 

    0.115 

    0.087 

    1.705 

    1.705 

    1.575 

    1.539 

    1.737 

    1.556 

    1.621 

    1.634 

    1.666 

cations 

  15.635 

  15.640 

  15.408 

  15.420 

  15.711 

  15.414 

  15.527 

  15.532 

  15.567 

X

Mg

 

    0.593 

    0.589 

    0.605 

    0.603 

    0.591 

    0.604 

    0.598 

    0.597 

    0.596 

Henry 

et 

al. 

(2005) 

[T(°C)] 

535 529 535 485 534 512 514 522 534 

for all analysis: Ti

apfu

 sd = 0.008, X

Mg

 sd = 0.005; sd — standard deviation 

 

from CV1 micaschist and most biotites from RH micaschist
conform to the 580 °C geotherm (550—600 °C). Biotites oc-
curring as inclusions in staurolite in CV1 micaschist exhibit
lower Ti contents suggesting equilibration at lower tempera-
tures  (Fig. 11a).  Temperatures  calculated  for  biotites  from
CV2 micaschist range from 600° to 640 °C.

A  comparison  of  calculated  temperatures  for  individual

micaschist varieties obtained by Ti-in-biotite and garnet-bi-
otite geothermometers (Bhattacharya et al. 1992; Holdaway
2000) is graphically shown in Fig. 11b—d.

Discussion

The investigated micaschists from Crni vrh and Resavski

humovi  represent  non-graphitic  peraluminous  metapelites
with  Ti-saturated  minerals.  Three  micaschist  varieties,
CV1,  CV2  and  RH  have  been  petrographically  distin-
guished.  The  average  values  of  different  geothermobaro-
metric  methods  suggest  that  the  RH  micaschist  variety
(Grt + St + Bt + Ms + Pl + Qtz)  reached  a  temperature  of  about
550 °C  and  pressure  of  680 MPa,  while  CV2  micaschists

background image

11

Ti-IN-BIOTITE GEOTHERMOMETRY IN NON-GRAPHITIC, PERALUMINOUS METAPELITES (CENTRAL SERBIA)

Table 8: Results of robust regression for possible substitutions in biotites of the investigated micaschists.

Table 9: Results of geothermobarometric analyses of micaschist from Crni vrh and Resavski humovi.

Temperature (average values) (T°C) 

References CV1 

CV2 

RH 

CV1 

incl. 

                                   garnet-biotite geothermometry (GB) 

Bhattacharya et al. (1992) 

574 sd = 9 

631 sd = 6 

545 sd = 10 

516 sd = 11 

Holdaway (2000) 

589 sd = 10 

636 sd = 6 

557 sd = 8 

530 sd = 15 

                                    garnet-muscovite geothermometry (GM) 

Wu et al. (2002) 

590 sd = 9 

640 sd = 8 

548 sd = 19 

550 sd = 18 

                                  muscovite-paragonite geothermobarometry (MP) 

Blencoe et al. (1994)  

600 sd = 20 

– 

– 

– 

                                                      Ti-in-biotite geothermometry 

Henry et al. (2005) 

581 sd = 14 

633 sd = 11 

571 sd = 32 

522 sd = 16 

Pressure (average values) (MPa) 

 

CV1 CV2 

RH 

CV1 

incl. 

                                  garnet-plagioclase-kyanite-quartz geobarometry (GASP) 

Powell & Holland (1988) 

600 sd = 50 

630 sd = 60 

590 sd = 60 

410 sd = 60 

                                  garnet-biotite-plagioclase-quartz geobarometry (GBPQ) 

Wu et al. (2004a) (exp. 2) 

690 sd = 60 

720 sd = 50 

700 sd = 50 

560 sd = 60 

                                   garnet-muscovite-plagioclase-quartz geobarometry (GMPQ) 

Wu et al. (2004b) (exp. 2) 

720 sd = 60 

750 sd = 50 

740 sd = 50 

590 sd = 60 

TERMOCALC  3.21 

Powell & Holland (2001) 

T = 582

 

°C (sd = 19) 

T = 622

 

°C (sd = 17) 

T = 548 °C (sd = 20) 

 

 

P = 590 MPa (sd=120) 

P = 620 MPa (sd = 140) 

P = 600 MPa (sd = 160) 

 

 

(St + Grt + Bt + Ms + Pg + Pl + Qtz)  were  metamorphosed  at
630 °C  and  700 MPa  (Fig. 12).  The  CV1  variety
(St + Grt + Bt + Ms + Pg + Pl + Qtz) is characterized by the pres-
ence of two biotite and garnet generations. The first genera-
tion  of  garnet  and  biotite  (which  occurs  as  an  inclusion  in
staurolite)  revealed  an  average  temperature  of  530 °C  and
pressure  of  520 MPa.  The  second  generation  of  matrix  gar-
net  and  biotite  records  temperatures  of  around  580 °C  and
pressures of 670 MPa. The matrix garnet and biotite formed
along  with  continuously  growing  staurolite  porphyroblasts.
Note  that  for  those  varieties  not  containing  kyanite  the  re-
sults  obtained  by  GASP  geobarometry  are  not  included  in
the final calculations of pressure.

The  average  temperatures  obtained  by  Ti-in-biotite  ther-

mometer  of  Henry  et  al.  (2005)  for  biotites  from  CV1  and
CV2  micaschists  revealed  uniform  temperatures  of  581 °C
(sd = 14 °C)  and  633 °C  (sd = 11 °C),  respectively.  In  addi-

tion, the calculated temperatures show very small differences
in comparison to the temperatures obtained from other geo-
thermometers (Table 9), in spite of the fact that the pressure
values are higher ( ~ 700 MPa) than those (P = 400—600 MPa)
used by Henry et al. (2005) in their calibration.

For  biotite  of  the  RH  variety  application  of  the  Ti-in-bi-

otite geothermometer gave an average temperature of 571 °C
(sd = 32 °C).  This  value  differs  by  21 °C  from  the  average
temperature obtained by other methods, which is close to the
error  of  the  Ti-in-biotite  geothermometer  (Henry  et  al.
2005). However, a rather high standard deviation of 32 °C is
related  to  the  fact  that  more  than  one  third  of  the  analysed
RH biotites (14 out of 37) displays a temperature difference
in  the  range  85—110 °C.  The  largest  differences  were  ob-
served  for  calculated  temperatures  below  520 °C  (n = 6,  ex-
cluding  T = 502 °C  as  an  extreme  value)  and  above  605 °C
(n = 8)  (Fig. 12).  The  pronounced  variability  of  calculated

Exchange vectors 

x,y 

CV1 

CV2 

RH 

Ti   R

–2

 

x = Ti +   

y = 2R

2+

 

y = 11.216 – 4.207·x 

RMSE = 0.048 

n = 26  R

2

 = 0.97 

y = 11.556 – 3.972·x 

RMSE = 0.080 

n = 29  R

2

 = 0.84 

y = 10.572 – 3.048·x 

RMSE = 0.127 

n = 37  R

2

 = 0.71 

TiAl

2

R

–1

Si

–2

 

x = Ti + 2Al

IV

 

y = 2Si + R

2+

 

y = 17.540 – 0.338·x 

RMSE = 0.072 

n = 27  R

2

 = 0.38 

y = 17.116 – 0.279·x 

RMSE = 0.031 

n = 28  R

2

 = 0.51 

y = 18.237 – 0.497·x 

RMSE = 0.042 

n = 36  R

2

 = 0.79 

TiRAl

–2

 

x = Ti + R

2+

 

y = 2Al

VI

 

y = 7.274 – 1.134·x 

RMSE = 0.028 

n = 27  R

2

 = 0.97 

y = 7.413 – 1.186·x 

RMSE = 0.017 

n = 28  R

2

 = 0.98 

y = 8.103 – 1.286·x 

RMSE = 0.056 

n = 37  R

2

 = 0.88 

Al

2

R

–1

Si

–1

 

x = 2Al

VI

 + 2Al

IV

 

y = R

2+

 + Si 

y = 15.675 – 0.803·x 

RMSE = 0.022 

n = 25  R

2

 = 0.97 

y = 14.621 – 0.670·x 

RMSE = 0.043 

n = 29  R

2

 = 0.49 

y = 11.280 – 0.161·x 

RMSE = 0.025 

n = 34  R

2

 = 0.40 

n — number of analyses;  y = b

o

–b

1

x; R

2

 — coeficient of determination; RMSE — Root Mean Square Error 

 

 

 

background image

12

ERIĆ, LOGAR, MILOVANOVIĆ, BABIČ and ADNA

Đ

EVIĆ

Fig. 11.  a – Obtained temperatures according to Ti-in-biotite geothermometer. Calculated temperature values according to different geo-
thermometers: b – CV1 without biotite inclusions, c – CV2, d – RH.

Fig. 12.  PT  path  for  investigated  micaschists  with  temperature  varia-
tions according to Ti-in-biotite geothermometer (Henry et al. 2005) and
KFMASH petrogenetic grids according to Holland & Powell (1998).

temperatures  for  RH  biotites  obtained  by  the  Ti-in-biotite
method as well as differences in comparison to temperatures
obtained by garnet-biotite geothermometers (Bhattacharya et
al. 1992 and Holdaway 2000) are illustrated in Fig. 11d.

A  greater  variability  of  temperature  estimates  for  RH  bi-

otites  in  comparison  to  calculated  temperatures  of  biotites
from  CV1  and  CV2  micaschists  can  be  related  to  the  prob-
lem of correlation of Ti contents and X

Mg

 values. The appli-

cation of the Ti-in-biotite geothermometer generally requires
low  variability  of  Ti  contents  and  X

Mg

  values.  Biotites  of

CV1  micaschist  (excluding  the  biotite  inclusions  in  garnet)
do not show correlations between Ti concentrations and X

Mg

values, biotite of CV2 shows a negative correlation (r = —0.67;
p < 0.01),  whereas  RH  biotite  exhibits  a  significant  positive
correlation (r = 0.56; p < 0.01) of these parameters. Hence, the
observed  positive  correlation  between  Ti  contents  and  X

Mg

values in RH biotites is in disagreement with the principles
of the Ti-in-biotite geothermometric method. Moreover, the
method suggests that an increase in titanium concentrations
should be accompanied by a decrease of Mg/(Mg + Fe) ratio
(Henry et al. 2005). The positive Ti-X

Mg

 correlation is the re-

background image

13

Ti-IN-BIOTITE GEOTHERMOMETRY IN NON-GRAPHITIC, PERALUMINOUS METAPELITES (CENTRAL SERBIA)

sult  of  the  compositional  variability  shown  by  RH  biotites
from  different  samples  (Table 6).  Such  compositional  vari-
ability  can  be  produced  by  the  effects  of  chloritization  or
other  types  of  alteration  (Veblen  &  Ferry  1983)  but  such
characteristics  were  not  detected  by  optical  investigations.
The observed compositional variability might have been pro-
duced by temperature fluctuations during metamorphism in a
relatively  small  area  (representative  samples  were  taken  in
intervals  of  2—5 m).  However,  this  possibility  is  not  likely
given  the  uniform  results  of  garnet-biotite  geothermometry.
It  is  more  probable  that  the  observed  compositional  differ-
ences  are  related  to  compositional  inhomogeneities  of  the
pelitic  protolith,  with  respect  to  Ti  contents.  Thus,  all  the
analysed biotites within a single RH sample, for which tem-
peratures above 600 °C were calculated (e.g. Table 6, analy-
ses 5,  6  and  7),  contain  less  iron  and  more  titanium  in
octahedral position than do biotites from other RH samples.

Biotites from the CV2 variety also show variable Ti con-

tents  (Ti = 0.260,  sd = 0.018  apfu)  but  they  did  not  produce
variations  in  calculated  temperatures.  On  the  contrary,  the
temperature  estimates  using  the  Ti-in-biotite  geothermome-
ter for CV2 biotite display a very small standard deviation of
sd = 11 °C.  A  possible  explanation  can  be  that,  as  already
mentioned,  the  composition  of  CV2  biotite  is  characterized
by a negative correlation between Ti contents and X

Mg

 val-

ues. The second explanation can be that the small variations
of  temperature  estimates  are  due  to  different  sensitivity  of
the Ti-in-biotite geothermometer with respect to different Ti
contents and X

Mg

 values. The configuration of isotherms on

Henry’s diagram (Fig. 2) shows that titanium concentrations
above 0.25 apfu and low values of X

Mg 

produce smaller vari-

ations  in  calculated  temperatures  and  this  was  the  case  of
CV2 biotite. On the other hand, to obtain uniform tempera-
ture estimates for biotites that compositionally correspond to
the  high  sensitivity  field  (e.g.  Ti < 0.25  apfu  as  observed  in
CV1  and  RH  biotite)  very  uniform  Ti  contents  are  needed
(sd < 0.02).  Simultaneously,  the  standard  deviation  of  X

Mg

values should not be higher than 0.05 because it would also
produce variable temperature estimates.

The high sensitivity of Ti-in-biotite with respect to Ti con-

tents enables the calculation of temperature for two genera-
tions  of  biotite  within  individual  samples  of  non-graphitic
peraluminous  metapelites.  For  instance,  the  average  Ti

apfu

value for biotite inclusions from the CV1 variety is consider-
ably  lower  (0.129,  sd = 0.008  apfu)  than  the  Ti

apfu

  value  for

matrix biotite (Ti = 0.169, sd = 0.011 apfu) produces substan-
tial differences in calculated temperatures of around 60 °C. It
is noteworthy that similar differences are found in other geo-
thermometric calibrations.

Conclusions

The application of the Ti-in-biotite geothermometer (Hen-

ry et al. 2005) to biotites (Ti

apfu

< 0.30 and X

Mg

< 0.65) from

three varieties of micaschists, metamorphosed in a tempera-
ture range of 550—650 °C and at pressures of 600—800 MPa,
revealed  important  constraints  on  the  applicability  of  the
method for non-graphitic peraluminous micaschists. Notable

variations in calculated temperature (85—110 °C) for biotites
from the RH micaschist variety are the result of a significant
positive correlation between the Ti amounts and X

Mg

 values

in these biotites. It can be concluded that such positive corre-
lation should not exist within the same biotite generation and
that  the  standard  deviation  for  Ti  contents  should  be  less
than 0.02. The biotites of two other micaschist varieties CV1
and CV2 do not show positive correlations between Ti con-
tents and X

Mg

, therefore, the temperature estimates based on

their  composition  are  very  uniform  and  show  close  agree-
ments  with  temperatures  calculated  by  other  geothermome-
ters. The method shows high sensitivity for biotites with Ti
amounts below 0.25 apfu. This enables the determination of
temperature  for  different  biotite  generations  which  is  con-
firmed by results from two biotite generations in CV1 mic-
aschist  revealing  a  temperature  difference  of  60 °C.
Consequently, the Ti-in-biotite geothermometry can be suc-
cessfully applied to similar mineral associations in non-gra-
phitic peraluminous micaschists.

Acknowledgments:  This  study  has  been  supported  by  the
Ministry of Science of the Republic of Serbia.

References

Balogh K., Svingor E. & Cvetković V. 1994: Ages and intensities

of  metamorphic  processes  in  the  Batočina  area,  Serbo-Mace-
donian Massif. Acta Mineral. Petrogr., Szeged XXXV, 81—94.

Bhattacharya A., Mohanty L., Maji A., Sen S.K. & Raith M. 1992:

Non-ideal  mixing  in  the  phlogopite-annite  binary:  constraints
from experimental data on Mg—Fe partitioning and a reformu-
lation  of  the  biotite-garnet  geothermometer.  Contr.  Mineral.
Petrology
 111, 87—93.

Blencoe  G.J.,  Guidotti  V.C.  &  Sassi  P.F.  1994:  The  paragonite-

muscovite  solvus:  II  Numerical  geothermometers  for  natural,
quasibinary  paragonite-muscovite  pairs.  Geochim.  Cosmo-
chim. Acta
 58, 10, 2277—2288.

Cesare  B.,  Cruciani  G.  &  Russo  U.  2003:  Hydrogen  deficiency  in

Ti-rich  biotite  from  anatectic  metapelites  (El  Joyazo,  SE
Spain):  crystal-chemical  aspects  and  implications  for  high-
temperature petrogenesis. Amer. Mineralogist 88, 583—595.

Dymek R.F. 1983: Titanium, aluminium and interlayer cation sub-

stitutions in biotite from high-grade gneisses, West Greenland.
Amer. Mineralogist 68, 880—899.

Erić  S.  2005:  Genesis  of  micaschists  from  Crni  vrh  and  Resavski

humovi. PhD, Univ. Belgrade, 1—180 (in Serbian).

Ferry J.M. & Spear F.S. 1978: Experimental calibration of the parti-

tioning of Fe and Mg between biotite and garnet. Contr. Min-
eral. Petrology
 66, 113—117.

Forbes W.C. & Flower M.F.J. 1974: Phase relations of titan-phlo-

gopite, K

2

Mg

4

TiAl

2

Si

6

O

20

(OH)

4

: A refractory phase in upper

mantle? Earth Planet. Sci. Lett. 22, 60—66.

Guidotti C.V. 1984: Micas in metamorphic rocks. In: Bailey S.W.

(Ed.): Micas. Rev. in MineralogyMineral. Soc. Amer., Wash-
ington D.C., 13, 357—467.

Guidotti  C.V.,  Cheney  J.T.  &  Guggenheim  S.  1977:  Distribution

of titanium between coexisting muscovite and biotite in pelit-
ic  schists  from  northwestern  Maine.  Amer.  Mineralogist  62,
438—448.

Henry  D.J.  &  Guidotti  V.C.  2002:  Ti  in  biotite  from  metapelitic

rocks: Temperature effects, crystallochemical controls and pet-

background image

14

ERIĆ, LOGAR, MILOVANOVIĆ, BABIČ and ADNA

Đ

EVIĆ

rologic applications. Amer. Mineralogist 87, 375—382.

Henry D.J., Guidotti V.C. & Thomson A.J. 2005: The Ti-saturation

surface for low to medium pressure metapelitic biotites: Impli-
cations  for  geothermometry  and  Ti-substitution  mechanisms.
Amer. Mineralogist 90, 316—328.

Holdaway M.J. 2000: Application of new experimental and garnet

margules  data  to  the  garnet-biotite  geothermometer.  Amer.
Mineralogist
 85, 881—892.

Holland  T.  &  Powell  R.  1998:  an  internally-consistent  thermody-

namic dataset for phases of petrological interest. J. Metamor-
ph. Geology
 16, 309—343.

Karamata S. & Krstić B. 1996: Terranes of Serbia and neighbouring

areas.  The  formation  of  the  geologic  frame  of  Serbia  and  the
adjacent regions. In: Knežević V. & Krstić B. (Eds.): Terranes
of Serbia. Faculty of Mining and Geology, Belgrade,  25—41.

Lobotka T.C. 1983: Analysis of the compositional variations of bi-

otite in pelitic hornfelses from northeastern Minnesota. Amer.
Mineralogist
 68, 900—914.

Milovanović D., Marchig V. & Dimitrijević M. 1998: Petrology and

chronology  of  the  Vucje  gneiss,  Serbo-Macedonian  massif,
Yugoslavia. Slovak Geol. Mag. 4, 1, 29—33.

Perchuk L.L. & Lavrent’eva I.V. 1983: Experimental investigation

of  exchange  equilibria  in  the  system  cordierite-garnet-biotite.
In: Saxena S.K. (Ed.): Kinetics and equilibrium in mineral re-
actions. Springer—Verlag, 199—240.

Powell R. & Holland T.J.B. 1988: An internally consistent dataset with

uncertainties  and  correlations.  3.  Applications  to  geobarometry,

worked examples and a computer program. J. Metamorph. Geol-
ogy
 6, 173—204.

Powell R. & Holland T. 2001: Calculating metamorphic phase equi-

libria. (THERMOCALC on CD-ROM).

Robert J.I. 1976: Titanium solubility in syntetic phlogopite solid so-

lutions. Chem. Geol. 17, 213—227.

Veblen D.R. & Ferry J.M. 1983: A TEM study of the biotite-chlo-

rite  reaction  and  comparision  with  petrologic  observation.
Amer. Mineralogist 68, 1160—1168.

Vujisić T., Navala M., Lončarević Č., Kalenić M., Hadživuković &

Milićević D. 1979: Basic geological map 1 : 100,000 for sheet
Lapovo (L 34—139). Federal Geol. Surv.

Vujisić T., Kalenić M., Navala M. & Lončarević Č. 1981: Explana-

tory book for sheet Lapovo. Basic geological map 1 : 100,000.
Federal Geol. Surv. 1—61 (in Serbian).

Waters D.J. & Charnley N.R. 2002: Local equilibrium in polymeta-

morphic gneiss and titanium substitution in biotite. Amer. Min-
eralogist
 87, 383—396.

Wu  C.M.,  Zhang  J.  &  Ren  L.D.  2004a:  Empirical  Garnet-Biotite-

Plagioclase-Quartz  (GBPQ).  Geobarometry  in  medium-  to
high-grade metapelites. J. Petrology 45, N-9, 1907—1921.

Wu C.M., Zhang J. & Ren L.D. 2004b: Empirical Garnet—Musco-

vite—Plagioclase—Quartz  (GMPQ).  Geobarometry  in  medium-
to high-grade metapelites. Lithos 78, 319—332.

Wu C.M., Wang X.S., Yang C.H., Geng Z.S. & Liu F.L. 2002: Em-

pirical  garnet-muscovite  geothermometry  in  metapelites.
Lithos 62, 1—13.