|
В этой книге авторы старались передать студентам и молодым специалистам
собственный опыт и опыт своих коллег, накопленный за годы работы в области
экспериментальной и технической петрологии и преподавания курса. Учитывая
существенные пробелы во многих областях знаний студентов к моменту прохождения
курса (изучение петрологии, генетической минералогии, геохимии, экологии
и генезиса месторождений полезных ископаемых у них еще впереди), изложение
важнейших вопросов сделано по возможности популярно. Авторы не претендуют,
конечно, на всеобъемлющий охват экспериментальных данных и достижений
во всех областях экспериментальной петрологии и геохимии, это невозможно
сделать в учебнике, предназначенном студентам. Главное, чему хотелось
бы научить молодого читателя - это ставить вопросы природе не только "в
поле", но и в лаборатории, а также видеть аналогии природных и технологических
процессов. Основное внимание уделено принципам, положенным в основу
экспериментального решения генетических и прикладных проблем. То
же касается технического оснащения, методики проведения и обработки результатов
опытов. В этой части также изложены самые главные принципиальные моменты,
которые необходимо знать, и приемы, которыми обязательно нужно владеть.
И все же, несмотря на такой схематизм в изложении, в конце работы над
книгой авторы невольно сами поразились, как же много надо знать и уметь
экспериментатору. Если авторам в какой-то мере удалось сочетать строгость
и грамотность в изложении постановки и решения проблем с популярностью
подачи материала, они считают свою главную задачу выполненной.
Развитие любых естественных наук всегда основывалось на взаимодействии
и взаимном дополнении теории и практики, другими словами - синтезе теоретических
и экспериментальных методов исследования. В особенности ярко это взаимодействие
видно при рассмотрении истории геологических наук. Самые первые гипотезы
о строении нашей планеты и условиях образования ее важнейших составляющих
- горных пород и руд - основывались на наблюдениях: над условиями залегания
геологических тел, процессами осадконакопления, излияния лав из вулканов,
производства стекла и т.п. Уже тогда в качестве критерия правильности
моделей (практики) выступили прямые эксперименты. Как уже говорилось,
спор нептунистов и плутонистов был в значительной степени разрешен на
основе экспериментов Дж.Холла.
Развитие промышленности (с опережающей ролью горных ремесел) инициировало
развитие технологий и соответствующих отраслей инженерного и научного
знания. Поскольку практика всегда была высшим критерием истины, то экспериментальные
методы решения инженерных и научных вопросов были наиболее эффективными.
В истории человечества периоды активного развития наук
сменяли периоды "застоя". В последние 1.5-2 века большую роль (если не
определяющую) в развитии естественных наук играли потребности военной
техники. Так, в период наполеоновских войн, строительство паровых машин
привело к развитию термодинамики ("цикл Карно");
войны последней четверти XIX столетия потребовали активного развития гидродинамики;
первая мировая война - это расцвет химических и физических наук. а вторая
мировая - это электроника и ядерная энергия. И всегда с опережением развивались
горные науки, так как потребности любой отрасли промышленности всегда
упираются в добычу полезных ископаемых.
Простое рудознатство уже не могло обеспечить нужды человечества,
поверхностные месторождения быстро истощались, необходимыми становились
новые методы поиска (и не только традиционных видов сырья, но и новых
- например, урановых руд). Особенно быстро технологии стали развиваться
в двадцатом столетии. Поэтому потребность в поисках и добыче полезных
ископаемых росла небывалыми ранее темпами. Необходимость в более эффективных
методах поиска привела к развитию цикла геохимических наук и недаром все
великие ученые этого направления (В.И.Вернадский,
В.М.Гольдшмидт, П.Эскола,
А.Е.Ферсман, Д.С.Коржинский)
жили именно в нашем веке. А содержание наук геохимического цикла - наук
о веществе - это целый комплекс проблем: изучения вещественного состава
минералов, горных пород и руд, фазовых равновесий, кристаллохимии, распределения
элементов между фазами и многих других. Поэтому возникновение наук геохимического
цикла в последней трети XIX века очень быстро спровоцировало возникновение
экспериментальных методов исследования. Моделирование условий образования
в природе минералов и горных пород и изучение диаграмм состояния интересных
для минералогов и петрологов систем во многом способствовало и возникновению
новых типов производств - промышленных методов выращивания кристаллов
минералов (рубина - 1910 г, кварца - 1955 г, алмаза - 1965 г), ситаллов,
каменного литья (петрургии) и новых видов керамики.
Развитие специальных экспериментальных подразделений
(лабораторий, институтов) позволило вести исследования широким фронтом,
что привело к открытиям, которые не могли быть предсказаны на основе одних
геологических наблюдений. Сейчас можно уже говорить об опережающем
значении эксперимента, его предсказательной силе. Решению целого
ряда проблем петрологии магматических пород (изофациальности гранитов
и вмещающих метаморфических пород, источника гидротермальных растворов)
способствовало изучение казалось бы частного вопроса о растворимости воды
в силикатных расплавах. Совершенно новые аспекты получило учение о фациях
метаморфизма после экспериментального исследования реакций гидратации
и карбонатизации. Открытие ограниченной растворимости солей в силикатных
расплавах и связанных с ними явлений несмесимости в расплавах и высокотемпературных
водно-солевых растворах позволило наметить пути решения "вечных" для геологии
проблем источника рудного вещества и связи эндогенного оруденения с интрузиями,
а также дало новое содержание теории опережающей волны кислотных компонентов.
Экспериментально установленная несмесимость расплавов в системе K2O-FeO-Al2O3-SiO2
была позже обнаружена при изучении лунных базальтов.
Кроме этих проблем, рассмотренных в разных главах книги, приведем еще
два примера. Высокобарная фаза стишовит была вначале синтезирована, а
затем найдена в природных условиях в результате целенаправленных поисков
в ударных структурах. Через 35 лет после синтеза Ga- полевых шпатов они
были найдены во включениях в сфалерите - природном концентраторе галлия.
Петрологический и минералогический эксперимент часто приходит на помощь
другим отраслям науки и техники. Оказалось, что отдельные стороны их проблем
геохимики и петрологи понимают лучше и исследовали гораздо глубже, чем
сами специалисты этих отраслей (речь, разумеется не идет о подмене труда
таких специалистов и ни в коем случае не принижает их определяющей роли).
Развитие исследований в области теории фазового соответствия и кристаллохимии
позволило по-новому подойти к решению проблем радиоэкологии. Так, в последние
15-20 лет были созданы синтетические горные породы для иммобилизации радионуклидов,
которые отличаются от других матричных материалов своей высокой стабильностью
и совместимостью с окружающими породами.
Экспериментальные исследования в гидротермальных системах при повышенных
давлениях, изучение растворимости минералов и форм существования компонентов
в этих условиях с самого начала были почти монополизированы специалистами
геохимического профиля. Естественно поэтому, что их результаты были востребованы
для создания теории гидрометаллургических автоклавных процессов.
Использование термодинамических потенциалов Д.С.Коржинского открытых
систем с вполне подвижными компонентами оказалось полезно для более глубокого
понимания большинства пирометаллургических процессов и принято на вооружение
металлургами при термодинамических расчетах.
Развитие теории и методов моделирования реакционного взаимодействия двух
химически неравновесных сред также наиболее активно развивалось в петрологии
для описания процессов метасоматоза. Независимо развивалась во многих
чертах аналогичная теория окисления (по нашей, петрологической терминологии
- "кислородного метасоматоза") сплавов. Эта же модель оказалась приложима
и к процессам коррозии огнеупоров высокотемпературными агрессивными расплавами
при стекловарении, в пирометаллургическом и других типах производств.
В рассмотренных примерах петрологический подход позволяет глубже понять
и описать технологические процессы. А ведь давно известно, что нет ничего
более практичного, чем хорошая теория (А.Эйнштейн). Петрология и другие
науки геохимического цикла, основываясь на собственных экспериментальных
исследованиях, помогают создавать наукоемкие высокие технологии.
Академик П.Л.Капица делил эксперименты
на две категории: опыты на "закрытие" и опыты на "открытие". Первые подтверждают
теорию и закрывают данный вопрос (Капица считал их неинтересными экспериментами);
вторые - это те, которые не укладываются в рамки существующих теорий и
порождают новые (например, в физике - открытия сверхпроводимости, сверхтекучести
жидкого гелия, свечения Черенкова, деления ядер урана; в геохимии - это
плавление горных пород под давлением воды, растворимость летучих в расплавах,
явления флюидной и расплавной несмесимости, синтез минеральных фаз при
высоких РТ- параметрах и др.). Зачастую, те явления, которые первоначально
осложняют работу экспериментатора, дают новые подходы и открытия. Так
было, например, с флюидной несмесимостью в водно-силикатно-солевых системах.
Такие опыты "на открытие" практически малопредсказуемы и не могут быть
выведены из предыдущих знаний.
В принципе невозможно заменить опытные данные численным (компьютерным)
экспериментом. Можно строить различные умозрительные гипотезы, но наполняться
реальным содержанием они будут только с помощью опытов. В конце концов
ни одно теоретическое моделирование природных процессов не может обойтись
без эксперимента: это и базы термодинамических данных (расплавов, минералов
и флюидов, в том числе фаз переменного состава - растворов), и данные
по коэффициентам диффузии, и коэффициенты распределения элементов между
сосуществующими фазами, это и кристаллохимические исследования . Еще раз
повторим, что эксперимент является в конечном итоге единственным источником
количественной информации.
Заниматься экспериментами могут только ученые определенного типа - от
них требуется не только стремление к новым знаниям, но и определенные
морально-волевые качества. Экспериментатор должен быть очень упорным и
целеустремленным человеком - зачастую, чтобы добиться нужного результата,
разработать новые методы, отстроиться от "мешающих шумов" требуются годы
жизни. Поскольку практика - высший критерий истины, экспериментатор отличается
прямотой и честностью. Врать - себе во вред. Кроме того, нужно уметь сопротивляться
мнению научных коллективов и авторитетов. Поскольку по-настоящему оригинальные
данные появляются в результате опытов, не стоит рассчитывать на их скорое
научное признание. По-настоящему новые данные неизбежно влекут за собой
ломку старых теорий и подходов. Далеко не все ученые способны пересматривать
свои воззрения перед суровым лицом Истины, данной нам в экспериментах.
Поэтому следует ожидать неприятия новых данных и уметь их отстаивать.
"Геолог должен верить только себе и природе" (О.Куваев "Территория") -
это высказывание можно в равной мере отнести и к экспериментаторам. Теоретик
может выдвигать не подтверждающиеся потом теории (то есть - допускать
ошибки). Как говорил академик Леонтович, экспериментатор (как и сапер)
ошибается только один раз в жизни - потом ему не верят (то-есть он перестает
быть экспериментатором). В тоже время экспериментатор должен обладать
богатым воображением (как говорил Э.Резерфорд, "этому парню всегда не
хватало воображения - и он ушел в теоретики"). И, как это не звучит парадоксально,
иногда необходимо ставить и совершенно невообразимые опыты. "Самые интересные
результаты получаются в стравивших автоклавах" (выражение А.А.Штернберга
- основоположника методов выращивания кварца). А что будет, если сжать
кварц до 10 кбар?... А до 100 кбар?... - и получился стишовит. Иногда
приятно чувствовать себя творцом и делать то, что до тебя не делал никто
- и даже природа. Правда, в конце концов все новые фазы находили в природных
объектах. Видимо природа имела самые разнообразные условия, 92 элемента
и 4.5 млрд. лет на проведение опытов.
Экспериментальные исследования - трудная и часто неблагодарная работа
(работа для "настоящего человека", "несите бремя белых..., старайтесь
все суметь.."- как говорил Р.Киплинг), но она по-настоящему разнообразна
и неожиданна как сама наша жизнь - здесь можно проявить свой талант в
оригинальной постановке опыта, или в тонкой аналитической работе, в теоретической
обработке данных опытов и построении новых моделей природных объектов,
эта работа дает возможность самому разрабатывать и испытывать новую аппаратуру.
И, самое главное, - полный простор творчества в решении интереснейших
петрологических проблем.
Авторы писали эту книгу с верой в возможности и будущее экспериментальной
петрологии. Наша уверенность базируется на расширении круга научных проблем,
которые петрология не может решить без экспериментальных исследований,
а также на возникновении новых направлений, тесно связанных с экспериментальной
петрологией. Все временные спады в науке преходящи, и история показывает,
что они неизменно сменяются подъемом на новые небывалые высоты. Поэтому
будем готовиться к новым открытиям и новому витку развития эксперимента.
|
