矿物形成与稳定性

矿物仅在其结构在热力学上稳定的温度、压力和成分范围内形成并存在。

Definition

研究在热力学和动力学控制下，矿物结晶、转变和保持稳定的物理和化学条件。

Scope

本主题涵盖矿物形成的热力学和动力学控制：吉布斯自由能、相图和稳定场、形核和晶体生长、多晶型转变、出溶，以及平衡与亚稳态持久性的区别。它解释了为什么矿物组合记录了岩石形成时的条件。

Core questions

• 吉布斯自由能如何决定在给定条件下哪种矿物是稳定的？
• 为什么亚稳态矿物会存在于其稳定场之外？
• 什么控制着形核和晶体生长的速率？
• 多晶型转变和出溶如何记录条件的变化？

Key theories

吉布斯自由能最小化

在固定温度和压力下，总吉布斯自由能最低的组合是稳定的，因此压力-温度空间中的相界标志着竞争矿物具有相等自由能的位置。

形核、生长和亚稳态

由于形成新相需要克服形核能垒，矿物可以在其稳定场之外亚稳态地存在，这就是为什么许多岩石在地表保留了高温或高压组合的原因。

Clinical relevance

了解矿物稳定性使地质学家能够将矿物组合用作地质温度计和地质压力计，重建岩石的压力-温度历史，并预测变质作用、风化作用和工业加工过程中的矿物反应。

History

吉布斯在19世纪提出的化学热力学为矿物稳定性提供了理论基础；20世纪的实验岩石学家，从鲍文的熔融研究开始，绘制了矿物体系中的相关系，将热力学转化为解读岩石历史的实用工具。

Key figures

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

Seminal works

• putnis1992
• anderson2005

Frequently asked questions

为什么有些高压矿物能在地表存留？

它们向低压形式的转变在低温下动力学上很慢，因此它们以亚稳态存在；金刚石，仅在深处稳定，是典型的例子。

什么是稳定场？

压力-温度或成分图中，特定矿物或组合具有最低自由能，因此是平衡相的区域。