การก่อตัวและความเสถียรของแร่

แร่ธาตุก่อตัวและคงอยู่ได้เฉพาะในช่วงอุณหภูมิ ความดัน และองค์ประกอบที่โครงสร้างของพวกมันมีความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์เท่านั้น

Definition

การศึกษาเงื่อนไขทางกายภาพและเคมี ซึ่งควบคุมโดยอุณหพลศาสตร์และจลนพลศาสตร์ ภายใต้ที่แร่ธาตุตกผลึก เปลี่ยนรูป และคงความเสถียร

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการควบคุมทางอุณหพลศาสตร์และจลนพลศาสตร์ของการก่อตัวของแร่: พลังงานอิสระกิบบส์, แผนภาพเฟสและขอบเขตความเสถียร, การเกิดนิวเคลียสและการเติบโตของผลึก, การเปลี่ยนรูปพหุสัณฐาน, การแยกตัวออกจากกัน, และความแตกต่างระหว่างสมดุลกับการคงอยู่แบบกึ่งเสถียร โดยอธิบายว่าเหตุใดกลุ่มแร่จึงบันทึกสภาวะที่หินก่อตัวขึ้น

Core questions

• พลังงานอิสระกิบบส์กำหนดได้อย่างไรว่าแร่ชนิดใดมีความเสถียรภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด?
• เหตุใดแร่กึ่งเสถียรจึงคงอยู่นอกขอบเขตความเสถียรของพวกมัน?
• อะไรเป็นตัวควบคุมอัตราการเกิดนิวเคลียสและการเติบโตของผลึก?
• การเปลี่ยนรูปพหุสัณฐานและการแยกตัวออกจากกันบันทึกการเปลี่ยนแปลงของสภาวะได้อย่างไร?

Key theories

การลดพลังงานอิสระกิบบส์ให้เหลือน้อยที่สุด

ที่อุณหภูมิและความดันคงที่ กลุ่มแร่ที่มีพลังงานอิสระกิบบส์รวมต่ำที่สุดจะมีความเสถียร ดังนั้นขอบเขตเฟสในพื้นที่ความดัน-อุณหภูมิจึงเป็นจุดที่แร่ที่แข่งขันกันมีพลังงานอิสระเท่ากัน

การเกิดนิวเคลียส การเติบโต และความกึ่งเสถียร

เนื่องจากการก่อตัวของเฟสใหม่ต้องเอาชนะอุปสรรคพลังงานการเกิดนิวเคลียส แร่ธาตุจึงสามารถคงอยู่แบบกึ่งเสถียรนอกขอบเขตความเสถียรของพวกมัน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมหินหลายชนิดจึงรักษากลุ่มแร่ที่อุณหภูมิสูงหรือความดันสูงไว้บนพื้นผิว

Clinical relevance

ความเข้าใจในความเสถียรของแร่ช่วยให้นักธรณีวิทยาสามารถใช้กลุ่มแร่เป็นเครื่องวัดอุณหภูมิและเครื่องวัดความดันทางธรณีวิทยา สร้างประวัติอุณหภูมิ-ความดันของหินขึ้นใหม่ และทำนายปฏิกิริยาของแร่ในระหว่างการแปรสภาพ การผุพัง และกระบวนการทางอุตสาหกรรม

History

การกำหนดอุณหพลศาสตร์เคมีของกิบบส์ในศตวรรษที่สิบเก้าได้ให้พื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับความเสถียรของแร่ นักปฐพีวิทยาเชิงทดลองในศตวรรษที่ยี่สิบ โดยเริ่มจากการศึกษาการหลอมเหลวของโบเวน ได้ทำแผนที่ความสัมพันธ์ของเฟสในระบบแร่ เปลี่ยนอุณหพลศาสตร์ให้เป็นเครื่องมือที่ใช้งานได้จริงสำหรับการอ่านประวัติของหิน

Key figures

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

Seminal works

• putnis1992
• anderson2005

Frequently asked questions

เหตุใดแร่ความดันสูงบางชนิดจึงอยู่รอดบนพื้นผิว?

การเปลี่ยนรูปของพวกมันไปสู่รูปแบบความดันต่ำกว่านั้นเป็นไปอย่างช้าๆ ทางจลนพลศาสตร์ที่อุณหภูมิต่ำ ดังนั้นพวกมันจึงคงอยู่แบบกึ่งเสถียร เพชรซึ่งเสถียรเฉพาะที่ความลึกมาก เป็นตัวอย่างคลาสสิก

ขอบเขตความเสถียรคืออะไร?

บริเวณของแผนภาพความดัน-อุณหภูมิหรือองค์ประกอบที่แร่หรือกลุ่มแร่เฉพาะมีพลังงานอิสระต่ำที่สุด และดังนั้นจึงเป็นเฟสสมดุล