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3.4 Der Begriff des
Gleichgewichts in der Petrologie
eines Systems mit einem Minimum an freier
Energie heißt Gleichgewichtszustand oder
thermodynamisches Gleichgewicht . Instabil ist
ein Zustand, der durch Energieabgabe in einen
stabilen Zustand übergehen kann. Metastabil
sind Zustände, die erst nach Energiezufuhr
( Aktivierungsenergie )inden stabilen Zustand
übergehen (Abb. 3.2). Fast alle metamorphen
Gesteine an der Erdoberfläche sind metastabil
- warum dies so ist, wird unten erläutert wer-
den.
Eine Gesamtgesteinszusammensetzung kann
durch verschiedene Minerale ausgedrückt wer-
den. Zum Beispiel besteht ein Quarzit (reines
SiO 2 ) unter Bedingungen der Erdoberfläche
aus Quarz, in 90 km Tiefe bei einigen 100 °C
aber aus Coesit. Irgendwo dazwischen müssen
sich Quarz und Coesit ablösen und dort an ei-
ner Stelle beide nebeneinander an einer Reihe
von p-T-Punkten, einer Reaktionskurve, stabil
sein. Man sagt, an diesen p-T-Punkten befin-
den sie sich im Gleichgewicht.
Wennmannuneinkompliziertereschemisches
System hat, wird man mehr Minerale brau-
chen,umesdarzustellen.ZumBeispielbesteht
einnormalerTonstein,derausderKompak-
tion von Tonschlamm hervorgeht, mineralo-
gisch aus Kaolinit, Illit, Chlorit und Quarz und
damit chemisch hauptsächlich aus Al 2 O 3 ,FeO,
MgO, K 2 O, H 2 OundSiO 2 . Diese Minerale ste-
hen im Gleichgewicht miteinander, sind eine
Wenn ein Gestein einer gegebenen chemischen
Zusammensetzung unter veränderte äußere Be-
dingungen gerät (z. B. Druck, Temperatur, Re-
doxbedingungen...), so wird sich seine Mineral-
vergesellschaftung unter Umständen ändern,
um sich den neuen äußeren Bedingungen anzu-
passen. Einfachstes Beispiel: ein magnetithalti-
ges Gestein kann, wenn es mit oxidierenden
FluideninBerührungkommt,Hämatitbilden:
2Fe 3 O 4 +0,5O 2 =3Fe 2 O 3
2Magnetit+0,5Sauerstoff=3Hämatit
Von größter geologischer Bedeutung sind Än-
derungen von Druck und Temperatur (p und
T), die z. B. durch tektonische Prozesse verur-
sacht werden. Die dabei entstehenden meta-
morphen Gesteine können dazu dienen, diese
Prozesse zu entschlüsseln, die über viele Milli-
onen oder gar Milliarden Jahre hinweg abge-
laufen sind. Dies geschieht, indem man die ab-
gelaufenen Mineralreaktionen rekonstruiert.
Chemische Reaktionen, zu denen Mineralreak-
tionen natürlich gehören, laufen nur dann frei-
willig ab, wenn sie in ihrem Verlauf Energie an
die Umgebung abgeben können. Die Produkte
erreichen so ein niedrigeres Energieniveau als
die vorherigen Edukte. Dieser stabile Zustand
3.2 Stabile, metastabile und instabile Zustände. Das Relief kann man als Energiekurve deuten. Aus
metastabilen Zuständen kann ein Ball (oder, allgemeiner, ein System) durch geringen Energieaufwand
(Aktivierungsenergie, die ihn über das kleine Hügelchen hebt) in stabile und energetisch günstigere
Zustände überführt werden.
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