Образование и стабильность минералов

Минералы образуются и сохраняются только в тех диапазонах температуры, давления и состава, где их структуры термодинамически стабильны.

Definition

Изучение физических и химических условий, регулируемых термодинамикой и кинетикой, при которых минералы кристаллизуются, трансформируются и остаются стабильными.

Scope

Эта тема охватывает термодинамические и кинетические факторы, контролирующие образование минералов: свободную энергию Гиббса, фазовые диаграммы и поля стабильности, нуклеацию и рост кристаллов, полиморфные переходы, распад твёрдых растворов (exsolution), а также различие между равновесным и метастабильным существованием. Объясняется, почему минеральные ассоциации фиксируют условия, при которых образовались горные породы.

Core questions

• Как свободная энергия Гиббса определяет, какой минерал стабилен при заданных условиях?
• Почему метастабильные минералы сохраняются за пределами своих полей стабильности?
• Что контролирует скорость нуклеации и роста кристаллов?
• Как полиморфные переходы и распад твёрдых растворов (exsolution) фиксируют изменение условий?

Key theories

Минимизация свободной энергии Гиббса

При фиксированных температуре и давлении ассоциация с наименьшей общей свободной энергией Гиббса является стабильной, поэтому фазовые границы в пространстве давление-температура отмечают точки, где конкурирующие минералы имеют равную свободную энергию.

Нуклеация, рост и метастабильность

Поскольку образование новой фазы требует преодоления энергетического барьера нуклеации, минералы могут метастабильно сохраняться за пределами своих полей стабильности, поэтому многие горные породы сохраняют высокотемпературные или высокобарические ассоциации на поверхности.

Clinical relevance

Понимание стабильности минералов позволяет геологам использовать минеральные ассоциации в качестве геотермометров и геобарометров, реконструировать температурно-барические истории горных пород и прогнозировать минеральные реакции во время метаморфизма, выветривания и промышленных процессов.

History

Формулировка химической термодинамики Гиббсом в девятнадцатом веке заложила теоретическую основу для изучения стабильности минералов; экспериментальные петрологи в двадцатом веке, начиная с исследований плавления Боуэна, картировали фазовые соотношения в минеральных системах, превратив термодинамику в практический инструмент для прочтения истории горных пород.

Key figures

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

Seminal works

• putnis1992
• anderson2005

Frequently asked questions

Почему некоторые высокобарические минералы сохраняются на поверхности?

Их трансформация в формы с более низким давлением кинетически замедлена при низких температурах, поэтому они сохраняются метастабильно; алмаз, стабильный только на больших глубинах, является классическим примером.

Что такое поле стабильности?

Область диаграммы давление-температура или состава, в пределах которой определённый минерал или ассоциация имеет наименьшую свободную энергию и, следовательно, является равновесной фазой.