Лаборатория эспериментальной и технической петрологии МГУ,
к. A-607, тел. 939-20-40

Прикладное направление в петрологии появилось практически одновременно с экспериментальным. Совместное развитие было обусловлено взаимным перекрытием их интересов. С одной стороны, в петрологии широко использовались данные технических наук, включая масштабные заводские эксперименты, а с другой - применение традиционных петрологических методов и моделирующих экспериментов открывало новые возможности совершенствования технологических процессов.

Уже в середине XIX века А.Добрэ и Г.Сенармоном были начаты эксперименты по синтезу минералов, продолженные в дальнейшем во Франции, Германии и России Г.Сен-Клер-Девилем, К.Хрущовым и К.Дельтером. Большинство опытов проводилось при атмосферном давлении, но часть - в автоклавах, сделанных из орудийных стволов (под давлением летучих компонентов до нескольких сотен атмосфер), или в условиях сжимающих усилий пресса (давления до 5-6 тысяч атмосфер). В то время это был метод изучения истинного химического состава минералов, законов изоморфизма в них и воспроизведения способа образования их в природе. Тогда впервые появляется самостоятельная прикладная задача экспериментальной минералогии и петрологии: синтез кристаллов, имеющих практическое применение, в то время драгоценных камней рубина и бирюзы. В тот же период значительное развитие получило изучение физико-химических свойств силикатных расплавов и минералообразования в них в связи с пирометаллургическими процессами. Эти данные были обобщены в работах В.Фогта и использованы для объяснения магматической и кристаллизационной дифференциации в природе. Таким образом, к началу ХХ века наметились тесные контакты петрологии с металлургией и силикатными технологиями.

Основателем и активным пропагандистом технической петрологии по праву считается Д.С.Белянкин, выполнивший вместе со своими учениками В.В.Лапиным и Б.В. Ивановым важные исследования разнообразных технических продуктов и впервые организовавший еще в 1926 году курс лекций в Политехническом и Технологическом институтах Ленинграда. В Московском университете учебно - научная лаборатория экспериментальной и технической петрографии основана в 1953 г. С.Д.Четвериковым, который долгие годы вел курсы физико-химической петрологии и технической петрографии.

Совершенно новые задачи, определяемые экологическими проблемами, возникли в 80-е годы. Такими задачами явились обезвреживание отходов техногенной деятельности цивилизации. Во многих отношениях наиболее подготовленными к их решению оказались специалисты в области экспериментальной минералогии и петрологии.

Объекты исследования рассматриваемого научного направления принято разделять на три группы: синтетические минералы, искусственные неорганические соединения и технические камни.

Среди 3000 природных минералов около одной трети воспроизведены в лабораторных и производственных условиях, некоторые из них (алмаз, кварц, флогопит, шпинель, корунд и др.) выпускаются в промышленном масштабе. Количество искусственных соединений второй группы около 30000. По мере открытия новых природных минералов и изменения технологических процессов граница между двумя первыми группами постоянно меняется. К техническим камням относят поликристаллические материалы, аналогичные природным горным породам. Это синтезированное рудное сырье (железорудные агломераты, окатыши, штейны и файнштейны цветной металлургии), металлургические шлаки, огнеупоры, керамика, стекло, ситаллы, каменное литье, цемент, бетоны, абразивы, различные строительные, композиционные и другие материалы.

Общие задачи прикладного направления определяются необходимостью проникновения в сущность технологического процесса и выработки рекомендаций по его улучшению. Это достигается контролем за фазовым составом, структурами и текстурами технических камней на разных стадиях процесса, начиная с подбора исходных материалов, проведением экспериментов, моделирующих различные стадии процесса, а также экспериментальным изучением химических систем, имеющих отношение к технологическому процессу.

Технические каменные материалы в большинстве являются, как и горные породы, силикатными образованиями и часто имеют сходство с ними в химическом и минеральном составе. Некоторые из них являются близкими аналогами пород, на основе которых получены: петрургические материалы - базальтов и диабазов, форстеритовые огнеупоры - оливинитов и дунитов, петроситаллы - гранитов. Составы некоторых высокоглиноземистых шлаков аналогичны базальтам. Вместе с тем в большинстве технических материалов соотношения главных породообразующих окислов совсем иные, чем в природных горных породах. Кроме того, существенными составными частями ряда технических материалов являются PbO, ZnO, BaO, B₂O₃, P₂O₅, ZrO₂, которые в горных породах присутствуют как второстепенные компоненты.

Минеральный состав технических каменных материалов, как и горных пород, включает в основном силикаты и окислы. Однако, из-за специфики химического состава в технических камнях образуются искусственные фазы, редкие или совсем не встречающиеся в породах: силикаты и алюмосиликаты бария, простые и сложные оксиды титана и циркония, алюминаты щелочных металлов, нитриды, карбиды и многие другие. На специфику минерального состава влияют также условия образования.

В технических материалах, полученных при более высоких температурах по сравнению с горными породами, тридимит и кристобалит образуются вместо кварца, псевдоволластонит - вместо волластонита, карнегиит вместо нефелина. Составной частью многих из них является стекло. При атмосферном давлении не образуются гидроксилсодержащие минералы, вместе с тем в случае избытка фтора синтезируются их аналоги: фторфлогопит, фторамфиболы. Неравновесные условия, в частности кристаллизация в условиях значительных переохлаждений, способствуют расширению границ изоморфных замещений в искусственных минералах, вследствие чего меняются соотношения соответствия химического и минерального состава.

Для характеристики структуры и текстуры технических камней используется терминология, разработанная в петрографии. Для материалов, произведенных из расплавов, применяются термины магматических пород, а для полученных в результате твердофазовых реакций - метаморфических.

Большое значение при характеристике структур технических материалов имеет форма (морфология) минералов, ибо она оказывает существенное влияние на свойства изделий. В технических материалах в отличие от горных пород редко встречаются идиоморфные кристаллы, чаще они имеют искаженную форму. Среди них широко распространены скелетные, дендритные, игольчатые кристаллы, часто слагающие сферолиты, что имеет значение при диагностике искусственных минералов.

Дендриты представляют собой кристаллические образования, имеющие древовидную форму. Ветви дендрита искривлены и поэтому не представляют монокристальной постройки или параллельного сростка. Возникающие часто при затвердевании вязких силикатных расплавов дендриты в процессе последующего роста постепенно преобразуются в поликристаллы. Скелетными называют пустотелые образования, являющиеся как бы остовом (каркасом) кристалла, выросшего параллельно ребрам или вершинам правильного многогранника. В результате резкой разницы скоростей роста по различным направлениям вещество заполняет только часть тела многогранника. Различают пучковидные (звездообразные), каркасные, кристаллические воронки, трубчатые или футлярообразные, коробчатые, рамочные и др. скелетные кристаллы. Сферолиты представляют собой радиально-лучистые минеральные агрегаты, состоящие из игольчатых кристаллов (волокон). Характерные формы связаны либо с вязкостью среды, либо с примесями, либо с ростом зародышей кристаллов по плоским стенкам, либо с процессами перекристаллизации.

Традиционно классификация технических камней ведется по сложившимся типам технологий. Для сохранения единства плана книги последние удобно разделить по аналогии с условиями образования горных пород на процессы получения их (1) из расплава, (2) путем твердофазовых реакций (спекания) и (3) с участием растворов.