鉱物の形成と安定性

鉱物は、その構造が熱力学的に安定である温度、圧力、および組成の範囲内でのみ形成され、存続する。

Definition

鉱物が結晶化し、変態し、安定を保つ物理的および化学的条件を、熱力学と速度論に基づいて研究すること。

Scope

このトピックでは、鉱物形成における熱力学的および速度論的制御について扱う。具体的には、ギブズの自由エネルギー、相図と安定場、核生成と結晶成長、多形転移、離溶、そして平衡と準安定な存続の区別について説明する。また、鉱物集合が岩石の形成条件をどのように記録しているかについても解説する。

Core questions

• ギブズの自由エネルギーは、特定の条件下でどの鉱物が安定であるかをどのように決定するのか？
• 準安定な鉱物は、なぜその安定場の外で存続するのか？
• 核生成と結晶成長の速度を制御するものは何か？
• 多形転移と離溶は、変化する条件をどのように記録するのか？

Key theories

ギブズの自由エネルギー最小化

一定の温度と圧力の下では、総ギブズ自由エネルギーが最も低い集合が安定である。したがって、圧力-温度空間における相境界は、競合する鉱物が等しい自由エネルギーを持つ場所を示す。

核生成、成長、および準安定性

新しい相の形成には核生成エネルギー障壁を乗り越える必要があるため、鉱物はその安定場の外で準安定的に存続しうる。このため、多くの岩石は地表で高温または高圧の集合を保持している。

Clinical relevance

鉱物の安定性を理解することで、地質学者は鉱物集合を地質温度計や地質圧力計として利用し、岩石の圧力-温度履歴を再構築し、変成作用、風化作用、および工業プロセス中の鉱物反応を予測することができる。

History

19世紀のギブズによる化学熱力学の定式化は、鉱物安定性の理論的基礎を提供した。20世紀に入り、ボーエンの融解研究を皮切りに、実験岩石学者は鉱物系の相関係をマッピングし、熱力学を岩石の履歴を読み解くための実用的なツールへと転換させた。

Key figures

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

Seminal works

• putnis1992
• anderson2005

Frequently asked questions

なぜ一部の高圧鉱物は地表で生き残るのか？

低温では低圧形態への変換が速度論的に遅いため、準安定的に存続する。深部でのみ安定なダイヤモンドがその典型的な例である。

安定場とは何か？

圧力-温度図または組成図の領域で、特定の鉱物または集合が最も低い自由エネルギーを持ち、したがって平衡相である領域のことである。