광물학 4: 광물 결정 및 결정화 4.3: 광물의 안정성과 다형성
출처 덱스터 퍼킨스 노스다코타 대학교 소스: EK 이페어케이 플러스
4.3: 광물의 안정성과 다형성
알려진 수천 개의 광물들 중에서, 상대적으로 소수의 광물들이 매우 흔합니다.
핵심적인 이유는 많은 광물들이 특정한 조건에서만 안정적이기 때문입니다.
1878년에 J. 윌러드 깁스는 화합물의 안정성을 결정하는 에너지의 한 형태를 정의했습니다. 우리는 이제 그것을 깁스 자유 에너지라고 부르고 변수 G로 표시합니다.
깁스 자유 에너지를 포함하는 개념들은 열역학 분야의 기초를 형성합니다.
깁스가 지적한 바와 같이, 자연적인 화학 체계는 에너지가 최소화될 때 가장 안정적입니다.
따라서 깁스 에너지가 낮은 광물과 광물 집합체는 높은 에너지를 가진 광물보다 더 안정적입니다.
결과적으로 불안정한 광물들은 분해되어 시간이 지남에 따라 더 낮은 깁스 자유 에너지를 가진 다른 광물들을 형성합니다.
따라서 상대적으로 낮은 깁스 에너지를 가진 광물들은 다른 광물들보다 더 흔합니다.
원소는 여러 가지 방법으로 결합하여 결정을 만들 수 있지만 원자가 결합함에 따라 자연스럽게 깁스 자유 에너지를 최소화하는 방식으로 배열되는 경향이 있습니다.
예를 들어, 광물학자들은 자연적으로 발생하는 실리카의 다형성을 대여섯 개 이상 확인했습니다.
다형성은 구성은 동일하지만 원자와 결합의 배열이 다른 광물입니다.
가장 낮은 화학적 에너지를 갖는 다형성은 SiO2의 안정한 형태입니다.
다른 다형성은 다른 압력-온도 조건에서 가장 낮은 에너지를 갖습니다.
실온 및 압력에서 α-쿼츠는 가장 낮은 에너지를 가지며 안정합니다.
다른 다형성은 열역학적으로 불안정합니다.
일반적인 지구 표면 조건에서는 α-쿼츠가 안정적이기 때문에, 우리는 α-쿼츠가 다른 것들을 제외하고 형성될 것으로 예상합니다.
일반적으로 이러한 경우가 있지만, 예외도 있습니다.
운동 및 기타 요인의 경우, 자연계가 항상 가장 낮은 (안정적인) 에너지 조건에 도달하지 않을 수 있습니다.
그래서 특히 낮은 온도에서 우리는 때때로 준안정적인 SiO2 다형성의 예를 발견합니다.
이것들은 원칙적으로 충분히 기다리면 α-쿼츠가 되기 위해 반응해야 하는 광물입니다.
높은 온도와 압력에서는 준안정적인 α-쿼츠가 지속될 수 없습니다.
이것은 화학 에너지가 낮은 다른 SiO2 광물 (크리스토발라이트, 코사이트, 트리디마이트 또는 스티쇼바이트)로 바뀝니다 (박스 4-2).
4.25 α-quartz와 β-quartz의 차이
한 다형체에서 다른 다형체로의 변화는 원자와 결합의 주요 재배열을 포함하는 재구성적 변환일 수 있습니다.
또는 한 광물이 다른 광물로 변하면서 결합이 늘어나거나 줄어들거나(깨지지 않는), 결합 사이의 각도가 변하는 것을 포함하는 변위 변환일 수 있습니다.
변위 변환의 예는 고온의 SiO2, β-quartz가 냉각에 따라 α-quartz로 변할 때 다형체 변화입니다.
매우 미묘하지만, 그림 4.25에서 볼 수 있듯이, 두 다형체의 차이점은 구조가 완벽하게 육각형 대칭과 개구를 포함하는지 여부입니다.
β-quartz는 그렇게 하고(오른쪽에 그림), α-quartz는 그렇지 않습니다(왼쪽에 그림). 아래 비디오는 α-quartz의 구조를 보여줍니다. 자세히 보면 위의 그림 4.25의 왼쪽 사진과 유사한 채널 아래를 보는 것으로 시작한다는 것을 알 수 있습니다.
세 번째 종류의 변환은 순서-무질서 변환입니다.
이것들은 원자들이 약간 다른 방식으로 순서를 정하고 배열하는 것을 포함하며, 압력이나 온도의 범위에서 일어나는 점진적인 변화입니다.
어떤 종류의 변환이든 빨리 일어날 수도 있고 매우 느릴 수도 있습니다.
재건적인 변환은 일반적으로 느리고, 그렇게 해야 한다고 해도 일어나지 않을 수도 있습니다. 예를 들어 모든 다이아몬드는 지구 표면에서 흑연으로 변해야 하지만 그렇지 않습니다.
이에 반해 α-쿼츠가 β-쿼츠로 변하는 것과 같은 변위 변환은 순간적이고 가역적입니다.
석영 결정을 573°C가 조금 넘는 온도로 가열하면 β-쿼츠로 변합니다.
같은 결정을 식히면 다시 α-쿼츠로 변합니다. 세 번째 종류의 변환인 질서 없는 변환은 온도, 때로는 압력이 얼마나 빨리 변하느냐에 따라 다른 속도로 발생합니다.
변화 속도가 빠르면 변환이 일어나지 않을 수 있습니다.
실리카 다형성
4.26 코세이트의 작은 결정 파편
많은 알려진 광물들은 SiO2를 가지고 있습니다. 가장 중요한 것들 중 일부는 석영, 트리디마이트, 크리스토발라이트, 코즈사이트, 그리고 스티쇼바이트를 포함합니다.
이 사진은 코즈사이트의 알갱이들을 보여줍니다; 가장 큰 것은 폭이 약 0.4mm입니다.
코즈사이트는 석영과 매우 비슷하게 생겼지만, 실리콘과 산소 원자의 다른 내부 배열을 가지고 있습니다.
실리카 다형체의 화려한 주사 전자 현미경 이미지를 보려면 12장의 그림 12.35를 참조하십시오.
가장 중요한 다형성 중 두 가지인 α-quartz와 β-quartz는 낮은 압력에서 안정합니다.
α-quartz는 실온과 압력 조건에서 안정하기 때문에 실리카 다형성 중에서 단연코 가장 일반적입니다.
α-quartz는 β-quartz보다 낮은 온도에서 안정하기 때문에 낮은 석영이라고 부르기도 하고, β-quartz는 높은 석영이라고 부르기도 합니다.
1기압에서 β-quartz는 높은 온도에서만 존재합니다. 냉각시키면 573℃에서 α-quartz로 변하기 때문에 β-quartz의 상온 샘플은 없습니다.
트리디마이트와 크리스토바라이트는 β-quartz와 같이 고온의 암석에서 발견되는 실리카 다형체입니다 – 대부분 실리카가 풍부한 화산암에서만 발견됩니다. 그것들은 실온에서 불안정하므로 α-quartz가 되어야 합니다.
그러나 이 두 광물의 일부 샘플은 준안정성 광물로 지속됩니다.
예를 들어 화산 유리에서 형성되는 눈송이(그림 4.5 참조)는 준안정성 크리스토바라이트 결정으로 구성됩니다.
코즈사이트와 스티쇼바이트는 매우 높은 압력에서 형성되는 치밀한 실리카 다형성입니다.
그것들은 지구 표면에서 불안정합니다.
25Kbar (지구의 75km 깊이에 해당) 이상의 압력에서 형성되는 코즈사이트는 운석 충돌 화구에서 처음 발견되었고, 나중에 맨틀에서 몇 개의 에콜라이트 제노리스에서 발견되었으며, 최근에는 초고압(UHP) 지각 암석에서 발견되었습니다.
스티쇼바이트는 코즈사이트보다 훨씬 더 큰 압력(및 깊이)에서 형성됩니다.
오늘날 우리는 그것을 운석 충돌 화구와 일부 희귀한 초고압 암석에서 미세한 알갱이로 보고 있습니다.
비록 반응이 항상 완료되는 것은 아니지만, 충돌 화구, 제노리스 또는 UHP 암석에서, 코즈사이트와 스티쇼바이트는 모두 종종 α-쿼츠가 되는 반응 징후를 보입니다.
열역학 법칙의 중요한 결과인 상 법칙은 어떤 화학계에서도 공존할 수 있는 안정한 화합물의 수는 작아야 한다는 것입니다.
따라서 안정한 광물은 예측 가능할 뿐만 아니라 소수로도 제한됩니다.
주어진 암석에 대해 안정한 광물은 모든 조건에서 동일하지 않을 수 있습니다.
압력이나 온도 변화로 암석이 변성되면 광물이 반응하여 깁스 자유 에너지가 낮은 새로운 광물이 생성될 수 있습니다.
그들이 반응을 멈추면 평형 상태에 도달합니다. 깁스 자유 에너지가 최소화되면 계는 안정한 평형 상태에 있게 됩니다.
4.27 볼리비아산 자철석의 검은 결정체
Fe-금속과 O2를 포함하는 화학계를 생각해 보세요. 이러한 원소들은 순수한 형태로 존재할 수 있지만 (금속 철과 기체 산소로) 혼합되면 자철석 (Fe3O4) 또는 헤마타이트 (Fe2O3)를 생성하는 경향이 있으며, 아마도 여기 두 사진에서 볼 수 있는 것과 같은 광물을 생성합니다 (그림 4.27과 4.28).
두 광물은 Fe와 O2의 혼합물보다 깁스 자유 에너지가 낮습니다.
이 같은 원리는 많은 원소를 포함하는 더 복잡한 시스템, 예를 들어 암석에 적용됩니다.
임의의 조성 암석에 대해 하나의 (안정적인) 광물 집합체가 가장 낮은 에너지를 갖습니다.
암석이 안정적인 평형에 도달하면 안정적인 집합체가 우세합니다.
4.28 체코산 헤마타이트
열역학 법칙은 가장 안정적인 광물이 무엇이어야 하는지 알려주지만, 안정적인 평형에 도달하는 데 얼마나 걸릴지는 알려주지 않습니다.
예를 들어, 우리 모두는 자동차 경험을 통해, 비록 녹슬지 않은 철이 지구 표면에서 불안정하지만, 강철의 철이 녹슬 때까지 시간이 걸릴 수도 있다는 것을 알고 있습니다.
광물과 관련된 반응도 마찬가지입니다.
일부 저온 시스템은 결코 안정적인 평형에 도달하지 못하고, 반응이 중단되면 준안정 평형이라고 불리는 중간 단계에 남아 있습니다.
예를 들어, 흑연이 더 안정적인 형태의 탄소이지만, 지구 표면에는 무수히 많은 다이아몬드가 존재합니다.
다이아몬드가 가열되지 않는 한, 우리가 아무리 기다려도 그것들은 준안정 상태를 유지하고 흑연으로 변하지 않습니다.
지구 표면의 다이아몬드와 같은 저온 시스템과 대조적으로, 대부분의 고온의 자연 시스템은 충분한 시간이 주어지면 안정적인 평형에 접근합니다.