Sự hình thành và độ bền của khoáng vật

Khoáng vật chỉ hình thành và tồn tại trong các phạm vi nhiệt độ, áp suất và thành phần mà cấu trúc của chúng ổn định về mặt nhiệt động lực học.

Definition

Nghiên cứu các điều kiện vật lý và hóa học, được điều chỉnh bởi nhiệt động lực học và động học, theo đó các khoáng vật kết tinh, biến đổi và duy trì sự ổn định.

Scope

Chủ đề này bao gồm các kiểm soát nhiệt động lực học và động học đối với sự hình thành khoáng vật: năng lượng tự do Gibbs, biểu đồ pha và trường ổn định, sự tạo mầm và phát triển tinh thể, chuyển đổi đa hình, tách pha (exsolution), và sự phân biệt giữa trạng thái cân bằng và trạng thái bền vững giả ổn định (metastable persistence). Nó giải thích tại sao các tập hợp khoáng vật ghi lại các điều kiện mà đá đã hình thành.

Core questions

• Năng lượng tự do Gibbs xác định khoáng vật nào ổn định trong các điều kiện nhất định như thế nào?
• Tại sao các khoáng vật giả ổn định (metastable minerals) vẫn tồn tại bên ngoài trường ổn định của chúng?
• Yếu tố nào kiểm soát tốc độ tạo mầm và phát triển tinh thể?
• Các chuyển đổi đa hình và tách pha (exsolution) ghi lại các điều kiện thay đổi như thế nào?

Key theories

Tối thiểu hóa năng lượng tự do Gibbs

Ở nhiệt độ và áp suất cố định, tập hợp có tổng năng lượng tự do Gibbs thấp nhất là ổn định, do đó các ranh giới pha trong không gian áp suất-nhiệt độ đánh dấu nơi các khoáng vật cạnh tranh có năng lượng tự do bằng nhau.

Sự tạo mầm, phát triển và tính giả ổn định (metastability)

Vì việc hình thành một pha mới đòi hỏi phải vượt qua một rào cản năng lượng tạo mầm, các khoáng vật có thể tồn tại giả ổn định bên ngoài trường ổn định của chúng, đó là lý do tại sao nhiều loại đá bảo tồn các tập hợp nhiệt độ cao hoặc áp suất cao trên bề mặt.

Clinical relevance

Việc hiểu biết về độ bền của khoáng vật cho phép các nhà địa chất sử dụng các tập hợp khoáng vật làm nhiệt kế địa chất và áp kế địa chất, tái tạo lịch sử áp suất-nhiệt độ của đá, và dự đoán các phản ứng khoáng vật trong quá trình biến chất, phong hóa và xử lý công nghiệp.

History

Công thức hóa học nhiệt động lực học của Gibbs vào thế kỷ XIX đã cung cấp cơ sở lý thuyết cho độ bền của khoáng vật; các nhà thạch học thực nghiệm vào thế kỷ XX, bắt đầu với các nghiên cứu nóng chảy của Bowen, đã lập bản đồ các mối quan hệ pha trong các hệ khoáng vật, biến nhiệt động lực học thành một công cụ thực tế để đọc lịch sử của đá.

Key figures

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

Seminal works

• putnis1992
• anderson2005

Frequently asked questions

Tại sao một số khoáng vật áp suất cao vẫn tồn tại trên bề mặt?

Sự biến đổi của chúng thành các dạng áp suất thấp hơn diễn ra chậm về mặt động học ở nhiệt độ thấp, do đó chúng tồn tại giả ổn định; kim cương, chỉ ổn định ở độ sâu lớn, là một ví dụ điển hình.

Trường ổn định là gì?

Vùng trong biểu đồ áp suất-nhiệt độ hoặc thành phần mà trong đó một khoáng vật hoặc tập hợp cụ thể có năng lượng tự do thấp nhất và do đó là pha cân bằng.