ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ И ТЕХНИЧЕСКАЯ ПЕТРОЛОГИЯ

Авторы: Е.Н.Граменицкий, А.Р.Котельников, А.М.Батанова, Т.И.Щекина, П.Ю.Плечов

I. ЭКСПЕРИМЕНТ И ЕГО МЕСТО В ПЕТРОЛОГИИ.

В современной петрологии имеются два главных направления, которые условно можно обозначить как геологическое и физико-химическое. Второе из них является относительно более новым и особенно интенсивно развивается в последние десятилетия. По образному выражению Лейбница, это подход к природе как к большой лаборатории, в которой действуют те же законы физики и химии. Наиболее общим методом данного направления служит физико-химическое моделирование эндогенных процессов. Исходными для него могут быть наблюдения над природными объектами, т.е. данные по геологическим отношениям, структурным и текстурным особенностям горных пород, изменениям их минерального и валового химического состава, а также состава отдельных фаз. На их основе создаются модели природных процессов, которые по меньшей мере не должны противоречить известным законам физики и химии. Чем глубже продумано такое соответствие, тем "жестче" становится модель, т.е. появляется возможность ее строгого анализа и получения неочевидных выводов, которые могут быть проверены путем повторного целеустремленного изучения природного объекта или сравнением с результатами, полученными экспериментально.

В настоящее время петрологам уже недостаточно экспериментов, просто воспроизводящих какой-либо процесс и показывающих качественно, что так могло происходить в природе. Часто требуется количественная информация о параметрах (температуре, давлении и др.), делающая модель особенно жесткой. В случае успешной проверки ее неочевидных выводов модель приобретает особую убедительность. Единственным источником количественной информации в петрологии является эксперимент. Даже широко используемые для оценки условий минералообразования термодинамические расчеты основаны в конечном счете на исходных численных характеристиках (теплоемкостях, теплотах образования и т.д.),

полученных экспериментально.

Во многих петрологических работах использовались и используются экспериментальные данные, полученные в неорганической и физической химии, а также в прикладных науках, обслуживающих производство (металлургию, силикатную технологию и др.). Однако эти результаты имеют ограниченное применение, поскольку эксперименты преследовали совсем иные цели, и многие петрологически важные системы остались не изученными. Мало того, развитие петрологии показало, что прямое перенесение принципов и законов физической химии на процессы, протекающие в земной коре, дает недостаточную и упрощенную картину. Потребовалось расширение многих укоренившихся понятий физической химии, развитие целого особого раздела термодинамики открытых систем с вполне подвижными компонентами, введение ряда новых представлений: о дифференциальной подвижности компонентов, о мозаичном (локальном) равновесии и др. Соответственно возникла необходимость и в изменении методов экспериментального изучения подобных систем.

Все сказанное свидетельствует о необходимости собственного экспериментального направления в петрологии, хотя для нее, так же как и для всех других геологических наук, моделирующие эксперименты в целом не характерны. Невозможно достигнуть полной аналогии по масштабам, времени протекания, а главное, сложности процессов между явлениями, происходящими в земной коре - с одной стороны - и воспроизводимыми в лаборатории - с другой.

Экспериментальные исследования в петрологии преследуют две главные цели.

I. Изучение физико-химических закономерностей образования минералов, горных пород и руд.

II. Выявление возможностей приложения петрологических методов в производстве промышленно ценных минералов и материалов, утилизации отходов и в охране окружающей среды.

Две цели определяют предметы соответственно экспериментальной и технической петрологии. Они являются очень важными ее разделами. Их можно рассматривать также как методы петрологии. У этих двух разделов общая техническая база, частично заимствованная у физических, химических и технологических лабораторий, общие методы исследований, требования к чистоте экспериментов, подходы к изучению продуктов опытов и др. Различие целей экспериментальной и технической петрологии тоже не так уж контрастно. Известно, что практически все изобретения человечества имели аналоги в природе. Поэтому всегда следует иметь в виду, что даже оторванные на первый взгляд от практических задач фундаментальные исследования могут иметь прикладное значение. С другой стороны, многие производственные процессы помогают понять отдельные стороны явлений, происходящих в глубинах земной коры.

Большинство задач экспериментальной и технической петрологии, конечно, различаются.

Экспериментальная петрология решает четыре главные задачи.

Широко известны примеры экспериментов, решающих первые две задачи. Третья и четвертая являются относительно новыми. При их разработке изучается не только то, что образуется в тех или иных условиях, но и каким образом, через какие промежуточные состояния и с какой скоростью.

Эксперименты, которые проводятся в петрологии, классифицируют по разным принципам.

Часто их делят, с одной стороны, на моделирующие, т.е. воспроизводящие процесс (не важно, природный или технологический) напрямую во всей его сложности, и, с другой, на строгие физико-химические эксперименты в системах, которые упрощают и схематизируют процесс, но результаты которых применимы к более широкому кругу объектов. Оба подхода имеют право на существование, у каждого из них есть свои последователи среди экспериментаторов.

Другая распространенная классификация - по используемой аппаратуре, ограничивающей параметры опытов и потому круг решаемых задач. Пределы температур и давлений, которые могут быть заданы на современных экспериментальных установках, показаны на рис.1. По этому принципу можно выделить эксперименты в высокотемпературных печах, в гидротермальной аппаратуре, в газовых бомбах, в твердофазовых аппаратах и на импульсных установках.

Рис. 1. Параметры экспериментальных установок и природного петрогенезиса.

В высокотемпературных печах изучаются конденсированные системы при атмосферном давлении или в вакууме. Наибольшая температура распространенных типов печей показана на рисунке 1 точками с номерами от 8 до 13. Они позволяют моделировать кристаллизацию лав на поверхности земли, а из технологических процессов - производство огнеупоров, стекла, фарфора, цементного клинкера, пирометаллургические и петрургические процессы, выращивание некоторых кристаллов (например, иттрий-алюминиевых гранатов). В ряде случаев в качестве приближенных моделей систем с летучими компонентами использовались системы с фторидами. Из технологических процессов к последним относится производство фторфлогопита, каменного литья и керамик на его основе.

Гидротермальная аппаратура (автоклавы, экзоклавы - контуры 1, 2, 3 на рис.1) позволяет экспериментально воспроизводить процессы метаморфизма, метасоматоза и частично магматизма в условиях, характерных для большей части земной коры. В технологических целях она применяется в автоклавной гидрометаллургии для интенсификации процессов выщелачивания при производстве глинозема, переработке вольфрамовых концентратов, урановых руд, сульфидных медно-никелевых материалов и т.д. Кроме того, сюда относится синтез пьезокварца и некоторых других кристаллов.

Аппаратура с внутренним нагревом и газовой средой, передающей давление (контур 4 на рис.1), довольно сложна и требует особой осторожности в обращении из-за большой сжимаемости газов. Поэтому она имеет только исследовательское значение и не применяется в промышленности. Для моделирования большинства магматических процессов газовые бомбы незаменимы. Диапазон создаваемых в них параметров: высокие температуры при умеренных давлениях - не перекрываются доступными и сравнительно простыми установками.

Установки с твердой передающей давление средой (твердофазовые - контуры 5 и 6 на рис.1) позволяют моделировать процессы в нижней части коры и в мантии Земли при сверхвысоких давлениях и в широком диапазоне температур. В прикладных целях они используются для синтеза алмаза.

Наконец, на импульсных установках (контур 7), создающих кратковременные условия экстремальных давлений и температур,

возможно воспроизводить природные явления шокового метаморфизма,

образования импактитов. Эти методы имеют большие прикладные возможности. В частности, разработан способ прессования металлических деталей, не требующий их последующей механической обработки.

Учитывая место экспериментальных исследований как одного из

разделов петрологии, логически наиболее правильной кажется их классификация по тем проблемам, которые с их помощью решаются, т.е. по главным типам эндогенных процессов: магматизма, метаморфизма, метасоматоза и рудообразования. Изучение состояния вещества в глубинах земли, кристаллохимических особенностей минеральных фаз, а также определение термохимических констант веществ имеют значение для решения всех указанных проблем и потому должны рассматриваться особо.

Точно так же следует классифицировать прикладные исследования по решаемым задачам, т.е. вопросам, актуальным для понимания и совершенствования конкретного типа производства. Отдельно следует выделить проблемы, связанные с охраной окружающей среды.

Несмотря на разнообразие задач и применяемой аппаратуры любые экспериментальные исследования имеют общие черты, которые могут быть схематически представлены как их обобщенное содержание. В каждой экспериментальной работе обычно прослеживается следующий план.

Начиная работу, экспериментатор обычно мысленно продумывает ее всю в целом, включая каждую ее стадию. Целесообразно начать это делать с конца, пытаясь предсказать результат и его петрологическую (или прикладную) значимость, а далее оценить технические и методические возможности его достижения. Этим вопросам посвящены последующие главы книги. Наименее полно рассмотрены методы, упомянутые в пп. 5 и 7, которые сами по себе составляют содержание целых учебных курсов и соответствующих пособий. Форма публикации (отчета) по результатам экспериментального исследования обязательно включает все 8 пунктов, хотя раскрыты они могут быть с разной полнотой:

а) постановка задачи (пп. 1 и 2);

б) описание эксперимента (пп. 3-6);

в) результаты (п. 7);

г) обсуждение результатов и выводы (п. 8).

Главное содержание составляет, очевидно, вторая половина плана, а первые 6 пунктов подробно излагаются в случаях оригинальности постановки и (или) новизны методического подхода.

Дополнительная литература.

Жариков В.А. Некоторые актуальные проблемы экспериментальной минералогии. - "Записки Всесоюзного минералог. общества", 1976, ч. 105, вып. 5, с. 543-561.

Yoder H.S. Experimental mineralogy: achievements and prospects. - "Bulletin de mineralogie", 1980, vol. 103, N 1, pp. 5-26.