矿物相律

2024-12-01 07:37:14

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回答1：

1.共生分析的基本思路

从热力学角度看，一个天然结晶岩石就是一个复杂的非均匀系统。对绝大多数变质岩而言，其热峰条件下形成的矿物组合往往非常接近化学平衡，这使得岩石矿物组合（相）与岩石化学成分（组分）和物理化学条件（自由度）之间的关系应服从 Gibbs 相律：

岩石学

因此，从研究变质岩矿物共生组合特征及其变化规律出发，应用相律，可以分析矿物组合与岩石化学成分和物化条件的关系。这是变质岩石学研究的基本方法，称为共生分析（paragenesis analysis）。

V.M.Goldschmidt和D.S.Korzhenskii（Д.С.Коржинский）是两位在岩石学领域应用物理化学基本原理的先驱，前者将相律应用于封闭的岩石系统，创立了封闭系统共生分析方法；后者将相律应用于开放的岩石系统，创立了开放系统共生分析方法。他们的工作奠定了现代岩石学基础。

2.封闭系统的Goldschmidt矿物相律

1911年，Goldschmidt 在研究挪威 Oslo 地区辉长岩体接触变质晕时，将Gibbs相律应用于自然变质岩石。他认为，在封闭条件下岩石系统达平衡时服从Gibbs相律。由于变质作用常常是在一定温度和压力区间内进行并达平衡的，必定至少有两个自由度，即f≥2。由Gibbs相律公式可得：f=c+2-p≥2。因此，

岩石学

如果系统没有流体相，p就代表矿物相数；如果有一个流体相，矿物相数就等于p-1。因此在一定温度、压力范围内平衡的矿物相数不大于该岩石系统的独立组分数。这就是Goldschmidt矿物相律（mineralogical phase rule），是Gibbs相律的地质学形式。

例如Al₂O₃-SiO₂二元系，可出现的矿物很多：刚玉、多铝红柱石（莫来石）、红柱石、蓝晶石、夕线石、α-石英、β-石英、鳞石英、方石英、柯石英、斯石英等。但由于c=2，所以p≤2，即在平衡条件下，不太可能有3、4种矿物组合，更不可能有4个以上的矿物共生。

必须指出的是，Goldschmidt矿物相律描述的是P-T图解上双变区内或变质地体的变质带内的矿物共生规律。而P-T图解的单变线上或变质地体等变线上出现的矿物相数要比矿物相律允许的相数多1。

3.开放系统的Korzhenskii矿物相律

Korzhenskii以前，人们仅把相律应用于封闭系统。Korzhenskii（1936、1942、1973）认为，虽然交代系统就其整体来说各部分温度、压力、组分化学位等热力学强度变量数值不等，是一种不平衡系统，但在每一个极小局部，这些数值是固定的。当这些数值不随时间变化时，可以建立平衡状态。而当这些数值随时间而变化时，只要其变化速度不超过这一小范围建立平衡所需的速度，则局部平衡（local equilibrium）仍能建立。因此，热力学的多相平衡原理能有效地应用于研究交代作用过程。在此基础上，Korzhenskii提出组分差异活动性（differential mobility of components）的思想，拟定开放系统矿物相律和开放系统的矿物共生分析方法。

按照Korzhenskii组分差异活动性原理，在开放系统情况下，各组分的活动性不同，可分为完全活动组分（perfectly mobile components）和惰性组分（inert components）两类。即：

岩石学

式中：c为组分数，c_i为惰性组分数，c_m为活动组分数。

所谓惰性组分是扩散能力很差，难于与外部环境发生物质交换的组分。系统对它们来说是封闭的，在平衡过程中保持质量固定不变，因而又称为固定组分（fixed components）。完全活动组分则与之相反，是扩散能力极强，可以在可忽略的瞬间通过粒间流体与外部环境发生物质交换，以使其化学位（或浓度）与外部环境中该组分化学位（或浓度）相等。在平衡过程中，完全活动组分保持化学位（或浓度）不变，外部环境在该过程中起缓冲作用，因而又称为外缓冲组分（externally buffered components）。由于完全活动组分化学位（或浓度）与T、P一样受外部环境控制，因而，Korzhenskii提出将活动组分的浓度或相应的化学位与温度、压力一样，看作控制交代反应的外部条件。这样，对开放系统，自由度

岩石学

将式（20-3）、式（20-4）代入相律公式p+f=c+2中可得

岩石学

因此，在温度、压力和活动组分化学位的一定范围内，能稳定平衡共存于一开放系统的矿物相数等于或小于惰性组分数，而与活动组分无关。这就是Korzhenskii矿物相律。

Korzhenskii矿物相律使交代分带现象变得容易理解，即越接近热液活动中心，活动组分越多，惰性组分越少，因而共生矿物数目也越少。在热液活动中心，甚至只剩下一二个惰性组分，因而可出现单矿物岩。

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