吉布斯相律-正文
簡稱相律,或相平衡定律。它描述非均勻復(fù)相系(見相和相變）處于平衡時(shí)的性質(zhì)：一個(gè)復(fù)相系在完全平衡時(shí)的自由度數(shù)F 等于其獨(dú)立組元數(shù)C 減去相數(shù)P 再加2。數(shù)學(xué)表達(dá)式為
F =C-P＋2。 (1)
數(shù)字 2可認(rèn)為是代表溫度和壓強(qiáng)兩個(gè)變量的數(shù)目。對于單元單相系,例如水，自由度數(shù)為2，故溫度和壓強(qiáng)可在合理的范圍內(nèi)獨(dú)立地改變。對于單元二相系，例如水和水蒸氣的混合體,自由度數(shù)為1，表明溫度和壓強(qiáng)兩個(gè)變量中只有一個(gè)可以獨(dú)立地改變,故此時(shí)平衡態(tài)可在(T,p)相圖（見相和相變）上用一條曲線來表示。對于單元三相系,例如冰、水、水蒸氣的混合體,自由度數(shù)為0,表明溫度和壓強(qiáng)都有固定值而不能改變,此時(shí)平衡態(tài)在(T,p)相圖上就用一個(gè)點(diǎn)（通常稱為三相點(diǎn)）來表示。
式(1)只適用于壓強(qiáng)均勻的情況。當(dāng)固體受到扭力作用時(shí)，最多可能有六個(gè)脅強(qiáng)，故應(yīng)將式(1)中的數(shù)字2改為7。如再考慮電場、磁場和重力場等因素，式(1)中的數(shù)字2還要相應(yīng)地增大。此時(shí)，可將式(1)改寫為更加普遍的形式
F＋P =C＋n。 (2)
即復(fù)相系的自由度數(shù)與相數(shù)之和，等于其獨(dú)立組元數(shù)加上影響該系統(tǒng)平衡的外界因素的數(shù)目n。
相律是由美國物理學(xué)家J.W.吉布斯在1875～1878年間發(fā)表的關(guān)于熱力學(xué)的論文中首先提出的。它是物理化學(xué)中最具普遍性的定律之一，適用于平衡態(tài)下的任何系統(tǒng)。它在討論復(fù)相平衡問題中起著一定的指導(dǎo)作用，在化工、冶金和其他工業(yè)方面都有廣泛的應(yīng)用。
相律是表達(dá)平衡體系中組分?jǐn)?shù)、相數(shù)和自由度數(shù)之間關(guān)系的規(guī)律。它是1876年由吉布斯 (J.W.Gibbs)首先導(dǎo)出的，故又稱Gibbs相律。
組分?jǐn)?shù) 在平衡體系中，為了表達(dá)體系內(nèi)各相的成分,所需要的最少的物質(zhì)數(shù)，稱為組分?jǐn)?shù)(用C表示)。組分?jǐn)?shù)可小于組成該體系的物質(zhì)數(shù)（用S表示）,這是因?yàn)轶w系內(nèi)各物質(zhì)之間可能存在相互約束的條件。這些約束條件是物質(zhì)間可能存在的獨(dú)立的化學(xué)反應(yīng)（其反應(yīng)式的數(shù)目用R表示）和可能存在的獨(dú)立的濃度比例關(guān)系(其關(guān)系式的數(shù)目用m表示)。這樣，組分?jǐn)?shù)由下式確定
C=S-R-м
當(dāng)體系中不存在獨(dú)立的化學(xué)反應(yīng)，也不存在濃度比例關(guān)系時(shí)，組分?jǐn)?shù)等于該體系的物質(zhì)數(shù)。
相數(shù) 體系中成分均勻，聚集狀態(tài)相同，如為固態(tài)，且具有同樣結(jié)構(gòu)的組成部分稱為相。不同相之間具有明顯界面。體系中相的數(shù)目用P 表示。
自由度數(shù) 一個(gè)體系的狀態(tài)，由該狀態(tài)下體系的熱力學(xué)強(qiáng)度變量表示。強(qiáng)度變量的數(shù)目很多，但不是完全獨(dú)立的。為了表示一個(gè)體系的狀態(tài)，需要指定的最少的強(qiáng)度變量的數(shù)目，稱為該體系的自由度數(shù)（用F 表示）。
相律 當(dāng)外界影響因素只有溫度和壓強(qiáng)二個(gè)變量時(shí)，相律指出：自由度數(shù)、組分?jǐn)?shù)和相數(shù)之間存在如下關(guān)系：
F＝C－P＋2
當(dāng)研究凝聚態(tài)時(shí)，壓強(qiáng)影響甚微，這時(shí)相律表達(dá)為：
F＝C－P＋1
相律在分析相平衡時(shí)具有重要作用。當(dāng)組分?jǐn)?shù)已知時(shí)，體系的自由度僅決定于存在的相數(shù)。此時(shí)，自由度數(shù)的涵義體現(xiàn)為在體系相數(shù)一定條件下，可以獨(dú)立改變的強(qiáng)度變量數(shù)。自由度數(shù)小于零在這里沒有意義。這樣，可根據(jù)自由度數(shù)為零的條件，求出該體系可以共
存的最多相數(shù)。例如，對于二元系，在不考慮壓強(qiáng)影響時(shí),F＝3-P。當(dāng)相數(shù)分別為1或2時(shí)，其自由度數(shù)相應(yīng)為2或1,對于前者，溫度和相的成分皆可在一定范圍內(nèi)改變而不影響相數(shù)；而對于后者，可改變的因素，則只能是溫度或相成分中的一個(gè)。如果三相共存，則所有影響平衡的因素都不能改變。根據(jù)相律，可預(yù)言二元系中同時(shí)存在的相數(shù)最多為 3。上述相律在分析二元系相平衡時(shí)得到的結(jié)論，可在實(shí)際測定的二元系相圖中得到驗(yàn)證(見相圖)。
以一定的變質(zhì)礦物組合和巖石類型特征反映的變質(zhì)強(qiáng)度帶。在某些變質(zhì)地區(qū)內(nèi)，不同溫度和壓力條件下形成的變質(zhì)巖在空間上常呈有規(guī)律的帶狀分布，可根據(jù)成分相同的變質(zhì)巖中某些特征變質(zhì)礦物或礦物組合的開始出現(xiàn)或消失為標(biāo)志劃分出不同的變質(zhì)帶。英國地質(zhì)學(xué)家G.巴羅1893年在對蘇格蘭高地變質(zhì)巖系的研究中，首次根據(jù)變質(zhì)泥質(zhì)巖中隨溫度增高而出現(xiàn)的變質(zhì)礦物組合的變化,從低溫到高溫劃分出6個(gè)變質(zhì)帶：綠泥石帶、黑云母帶、鐵鋁榴石帶、 十字石帶、 藍(lán)晶石帶和夕線石帶（十字石帶有時(shí)缺失）。各個(gè)帶之間的界線是以這些標(biāo)志礦物的第一次出現(xiàn)進(jìn)行劃分，并以這些標(biāo)志礦物作為每個(gè)變質(zhì)帶的名稱。各變質(zhì)帶之間的界線，即某一標(biāo)志礦物首次出現(xiàn)的各個(gè)點(diǎn)的連線，稱為等變度，又稱等變線或等變質(zhì)級，它們具有等溫線的意義（圖1）。
變質(zhì)帶
在同一變質(zhì)帶內(nèi)所有的變質(zhì)巖形成的溫度和壓力條件相似，表現(xiàn)在由相同成分的原巖形成的變質(zhì)巖具有相同的礦物組合。在不同的變質(zhì)帶內(nèi)，由于溫度和壓力條件不同，形成的變質(zhì)巖類型及礦物組合也不相同。這種從低級到高級的變質(zhì)帶系列稱為遞增變質(zhì)帶或前進(jìn)變質(zhì)帶，它反映了變質(zhì)作用當(dāng)時(shí)溫度的梯度變化。
一般把與上述類似的在中壓條件下形成的變質(zhì)帶稱為巴羅式變質(zhì)帶。過去許多人認(rèn)為巴羅式變質(zhì)帶是典型的變質(zhì)帶，但實(shí)際工作證明，由于每個(gè)變質(zhì)地區(qū)的地?zé)崽荻群推渌刭|(zhì)條件的差別，出現(xiàn)的變質(zhì)帶可以有不同的類型，它們的變質(zhì)礦物組合、帶的數(shù)目及各帶的標(biāo)志礦物也不盡相同。因此，變質(zhì)帶的劃分往往是研究變質(zhì)相和變質(zhì)相系的基礎(chǔ)。
因?yàn)椴簧贅?biāo)志礦物（如綠泥石、黑云母、石榴子石、堇青石等）屬于成分變化較大的類質(zhì)
同象礦物，它們可在不同的溫度和壓力條件下通過不同的變質(zhì)反應(yīng)形成。如果只根據(jù)單個(gè)標(biāo)志礦物劃分變質(zhì)帶，其溫度和壓力范圍是相對的不確定的，在不同變質(zhì)地區(qū)之間不易進(jìn)行對比，因此最好是根據(jù)變質(zhì)礦物組合的變化特征進(jìn)行變質(zhì)帶的劃分。在一些缺少變質(zhì)泥質(zhì)巖的地區(qū)也可以用變質(zhì)基性巖或變質(zhì)碳酸鹽巖中礦物組合的變化進(jìn)行變質(zhì)帶的劃分。
在某些區(qū)域變質(zhì)地區(qū)，從各個(gè)變質(zhì)帶在空間上的分布情況可以了解變質(zhì)作用時(shí)期該變質(zhì)地區(qū)內(nèi)熱流的分布狀況即熱構(gòu)造，從熱構(gòu)造與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系，可以研究變質(zhì)作用與構(gòu)造運(yùn)動之間的相互關(guān)系。在某些侵入體周圍，由不同溫度條件下形成的接觸變質(zhì)巖石，常圍繞侵入體呈環(huán)帶狀分布，稱為變質(zhì)暈或變質(zhì)圈，它表明引起巖石變質(zhì)的熱流主要與巖漿的侵入作用有關(guān)。
變質(zhì)級 指變質(zhì)作用的程度或等級，又稱變質(zhì)程度，它大致反映了變質(zhì)作用當(dāng)時(shí)的溫度條件，表現(xiàn)在變質(zhì)巖礦物組合的變化上。變質(zhì)級是一個(gè)相對的概念，通常是按區(qū)域變質(zhì)作用過程中溫度的相對高低，將變質(zhì)作用大致分為三個(gè)等級：低級、中級和高級。不同變質(zhì)級所代表的溫度范圍不同，它們明顯地反映出由相同原巖所形成的不同變質(zhì)礦物組合上。例如,泥質(zhì)巖石在低級變質(zhì)作用時(shí)形成由絹云母、綠泥石等組成的板巖和千枚巖，在中級變質(zhì)作用時(shí)形成含石榴子石、十字石、藍(lán)晶石、紅柱石或堇青石的云母片巖，在高級變質(zhì)作
用時(shí)形成含石榴子石和夕線石的片麻巖。
變質(zhì)反應(yīng)帶 根據(jù)特定變質(zhì)反應(yīng)形成的礦物組合劃分的變質(zhì)帶。這個(gè)概念是聯(lián)邦德國巖石學(xué)家H.G.F.溫克勒1965年提出來的。他主張用不同巖石中由特定變質(zhì)反應(yīng)所產(chǎn)生的礦物組合代替原來劃分變質(zhì)帶的標(biāo)志礦物，把以特定變質(zhì)反應(yīng)為基礎(chǔ)的等變度稱為等反應(yīng)度或等變質(zhì)反應(yīng)度，又稱等變質(zhì)反應(yīng)級。它在地質(zhì)圖上是由相同特定變質(zhì)反應(yīng)的點(diǎn)連接起來的一條線或一個(gè)帶。在一個(gè)變質(zhì)地區(qū)內(nèi)，只要有相應(yīng)的巖石類型及由特定變質(zhì)反應(yīng)形成的礦物組合，就可以確定巖石變質(zhì)時(shí)的具體溫度和壓力條件，并可進(jìn)行不同地區(qū)之間的對比。溫克勒還根據(jù)一些典型的變質(zhì)反應(yīng)把變質(zhì)作用分為4級:很低級、低級、中級和高級（圖2）,
變質(zhì)帶
并用它代替不同的變質(zhì)相。這四個(gè)變質(zhì)級的劃分基本上是以溫度為主，在每個(gè)級內(nèi)又可根據(jù)特定的變質(zhì)反應(yīng)（主要是壓力的變化）作進(jìn)一步的劃分。關(guān)于變質(zhì)反應(yīng)帶的研究雖處于開始階段，但由于它不受泥質(zhì)巖石的限制，并能具體確定變質(zhì)巖形成時(shí)的溫度和壓力條件，因此有可能代替用標(biāo)志礦物劃分的變質(zhì)帶。
深度帶 以變質(zhì)作用所處的深度為標(biāo)準(zhǔn)劃分的變質(zhì)帶稱深度帶。這個(gè)概念是芬蘭巖石學(xué)家J.J.塞德霍姆在1891年首先提出來的，他認(rèn)為變質(zhì)作用是在一定深度下進(jìn)行的,巖石的變質(zhì)程度主要和它們的埋藏深度有關(guān),因?yàn)樽冑|(zhì)作用的溫度、壓力和應(yīng)力隨深度而發(fā)生變化，因此變質(zhì)作用強(qiáng)度受深度的直接控制，變質(zhì)帶也就是深度帶,并按深度把變質(zhì)作用劃分為3個(gè)帶：淺帶、中帶和深帶。淺帶的特點(diǎn)是低溫、低壓和強(qiáng)應(yīng)力，出現(xiàn)的礦物以低溫含水的變質(zhì)礦物為主；深帶的特點(diǎn)是高溫、高壓和弱應(yīng)力，出現(xiàn)的礦物以高溫不含水的礦物為主；中帶的特點(diǎn)介于兩者之間。
深度對區(qū)域變質(zhì)作用的影響是存在的，但每個(gè)變質(zhì)地區(qū)的大地構(gòu)造位置及地?zé)崽荻仁遣幌嗤模簿褪钦f同一深度的溫度在各個(gè)地區(qū)是不一致的，在有些變質(zhì)地區(qū)內(nèi)，甚至出現(xiàn)高級變質(zhì)帶位于低級變質(zhì)帶之上的情況。因此不能把深度與溫度、壓力之間的關(guān)系看成是固定不變的，只有從變質(zhì)地質(zhì)學(xué)的觀點(diǎn)研究深度與溫度、壓力的關(guān)系，才能正確了解每個(gè)變質(zhì)地區(qū)內(nèi)深度對變質(zhì)作用的不同影響。
參考書目
都城秋穗著，周云生譯：《變質(zhì)作用與變質(zhì)帶》，地質(zhì)出版社，北京，1979。(A.Miyashiro,Metamor phism and Metamor phic Belts,George Allen and Unwin,London,
1973.)
溫克勒著，張旗、周云生譯：《變質(zhì)巖成因》，科學(xué)出版社，北京，1980。(H.G.F.Winkler, Petrogenesis of Metamorphic Rocks, 4th ed., Springer-Verlag, New York, 1976.)
