Mineralbildung und -stabilität

Minerale bilden sich und bestehen nur innerhalb der Temperatur-, Druck- und Zusammensetzungsbereiche, in denen ihre Strukturen thermodynamisch stabil sind.

Definition

Die Untersuchung der physikalischen und chemischen Bedingungen, die durch Thermodynamik und Kinetik bestimmt werden, unter denen Minerale kristallisieren, sich umwandeln und stabil bleiben.

Scope

Dieses Thema behandelt die thermodynamischen und kinetischen Kontrollen der Mineralbildung: Gibbs-Energie, Phasendiagramme und Stabilitätsfelder, Keimbildung und Kristallwachstum, polymorphe Übergänge, Entmischung und die Unterscheidung zwischen Gleichgewichts- und metastabiler Beständigkeit. Es erklärt, warum Mineralassoziationen die Bedingungen aufzeichnen, unter denen Gesteine entstanden sind.

Core questions

• Wie bestimmt die Gibbs-Energie, welches Mineral unter gegebenen Bedingungen stabil ist?
• Warum bleiben metastabile Minerale außerhalb ihrer Stabilitätsfelder bestehen?
• Was steuert die Rate der Keimbildung und des Kristallwachstums?
• Wie zeichnen polymorphe Übergänge und Entmischung wechselnde Bedingungen auf?

Key theories

Minimierung der Gibbs-Energie

Bei fester Temperatur und festem Druck ist die Assoziation mit der niedrigsten Gesamt-Gibbs-Energie stabil, sodass Phasengrenzen im Druck-Temperatur-Raum dort liegen, wo konkurrierende Minerale die gleiche freie Energie aufweisen.

Keimbildung, Wachstum und Metastabilität

Da die Bildung einer neuen Phase die Überwindung einer Keimbildungsenergiebarriere erfordert, können Minerale metastabil außerhalb ihrer Stabilitätsfelder bestehen bleiben, weshalb viele Gesteine an der Oberfläche Hochtemperatur- oder Hochdruckassoziationen bewahren.

Clinical relevance

Das Verständnis der Mineralstabilität ermöglicht es Geologen, Mineralassoziationen als Geothermometer und Geobarometer zu nutzen, die Druck-Temperatur-Geschichte von Gesteinen zu rekonstruieren und Mineralreaktionen während der Metamorphose, Verwitterung und industriellen Verarbeitung vorherzusagen.

History

Gibbs' Formulierung der chemischen Thermodynamik im neunzehnten Jahrhundert lieferte die theoretische Grundlage für die Mineralstabilität; experimentelle Petrologie im zwanzigsten Jahrhundert, beginnend mit Bowens Schmelzstudien, kartierte Phasenbeziehungen in Mineralsystemen und verwandelte die Thermodynamik in ein praktisches Werkzeug zum Lesen von Gesteinsgeschichten.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Norman L. Bowen
• Andrew Putnis

Seminal works

• putnis1992
• anderson2005

Frequently asked questions

Warum überleben einige Hochdruckminerale an der Oberfläche?

Ihre Umwandlung in Niederdruckformen ist bei niedrigen Temperaturen kinetisch langsam, sodass sie metastabil bestehen bleiben; Diamant, der nur in großer Tiefe stabil ist, ist das klassische Beispiel.

Was ist ein Stabilitätsfeld?

Der Bereich eines Druck-Temperatur- oder Zusammensetzungsdiagramms, innerhalb dessen ein bestimmtes Mineral oder eine Assoziation die niedrigste freie Energie aufweist und daher die Gleichgewichtsphase ist.