Любое научное исследование состоит в изучении содержания и происхождения (генезиса) того или иного объекта и в выявлении возможности его использования человеком. Цель геологического исследования - установление содержания и генезиса геологических явлений или объектов и их практической значимости. Это относится как к геологии в целом, так и к тем ее разделам, которые будут преимущественно интересовать нас в дальнейшем, - к процессам образования минералов, горных пород или руд. Но что значит установить генезис минералов, горных пород и руд? Это значит, во-первых, выявить историческую последовательность процесса формирования горной породы, или руды либо ассоциации минералов, и, во-вторых, установить механизм этого процесса, построив его физико-химическую модель. Эти две разные и тесно связанные стороны исследования, осуществляемые двумя различными методическими подходами - историческим и моделированием - составляют сущность познания генезиса геологических явлений. В этом отношении геология отличается от таких естественных наук, как, например, физика и химия, имеющих <внеисторический> характер и направленных на изучение содержания и моделей (законов) физических и химических явлений. Отмеченные особенности познания геологических процессов вызывают определенные трудности, что привело к неравномерному развитию этих направлений.
Как известно, что вопросы истории геологических явлений и истории формирования геологических объектов с самого начала были в центре внимания научной геологической мысли. Главная причина этого заключается в том, что выявление содержания и исторической последовательности геологических процессов составляет существо собственно геологических наук и решается комплексом геологических методов исследования. Более того, с помощью этих методов (включая всю совокупность методов полевых и камеральных исследований) мы получаем полный ответ на вопрос о содержании и исторической последовательности геологических явлений. Точные методы, будь то традиционные оптические и химические методы или новые - изотопный анализ, ядерный магнитный резонанс и многие другие - играют хотя и важную, но вспомогательную роль, уточняя, дополняя, развивая собственно геологические наблюдения, и входят, таким образом, в арсенал геологических методов исследования. Следует отметить, что примат историзма в развитии геологии до последнего времени находил отражение и в определении предмета геологических наук, - например: <Геохимия - история элементов земной коры> (Вернадский, 1927), <Геохимия изучает историю химических элементов - атомов в земной коре и их поведение при различных термодинамических и физико-химических условиях природы> (Ферсман, 1934). И только в последних определениях историзм отходит на второй план: <Геохимия - наука о химическом составе, законах распространения, распределения, сочетания и миграции химических элементов на Земле> (Виноградов, 1952). Геохимия - наука, которая изучает химический состав вещества Земли, распространение, распределение химических элементов (и их изотопов) в веществе Земли, физико-химические процессы формирования вещества Земли с целью установления его генезиса и выявления условий, причин и признаков концентрации и рассеяния элементов (Жариков, 1995).
Успехи в исторических разделах геологии велики и широко известны. Значительно сложнее положение с познанием физико-химической сущности геологических процессов. Объективные затруднения заключаются в том, что большинство геологических явлений - во всяком случае процессы образования минералов, горных пород и руд, которыми мы и будем заниматься в дальнейшем, - представляют собой физико-химические процессы, т. е. процессы взаимосвязанных физических и химических превращений. Поэтому для их познания необходимо прежде всего перевести геологические наблюдения и факты на физико-химический язык, выразить в виде определенных строгих соотношений физико-химических параметров, а это представляет немалые трудности в связи со значительной сложностью природных процессов. Трудности усугубляются также тем, что анализ этих соотношений с позиций традиционной физической химии и термодинамики во многих случаях оказывается безуспешным вследствие значительной сложности и своеобразия природных процессов, существенно отличающихся от тех упрощенных опытных технологических моделей, на которых выросла классическая термодинамика. Задача состояла в том, чтобы вскрыть главные физико-химические закономерности и особенности природных процессов и, основываясь на них, разработать новые теоретические и методические пути исследования. Решение этой задачи потребовало и больших усилий, и больших затрат времени. Сошлёмся только на один пример. Используемый в настоящее время термодинамический аппарат создан в основном в 60-70-х г.г. XIX в. Ф. Масье и Дж. В. Гиббсом. Но только в 50-60-х г.г. прошлого столетия, после открытия Д. С. Коржинским термодинамической сущности природных систем, была разработана необходимая основа приложения аппарата и методов термодинамики к анализу природных процессов.
Определенные трудности связаны с двойственностью геологического познания. Методы физико-химического моделирования, особенно метод теоретического или абстрактного моделирования, в крайнем проявлении противоположен общеупотребительному историческому методу. Это выражается в том, что для теоретических физико-химических моделей безразлична конкретная форма явлений и ее второстепенные черты, выступающие как раз на первый план при изучении истории формирования объектов. Кроме того, физико-химическое моделирование требует владения определенным математическим и физико-химическим аппаратом, неприменяемым при обычных геологических исследованиях. Все это, конечно, создавало дополнительные трудности для развития физико-химических исследований в геологии.
Отнюдь не претендуя на полноту, охарактеризуем некоторые главные вехи развития физико-химических идей и методов в интересующих нас разделах геологии.
Первые работы в этом направлении принадлежат И. Фогту, Ф. Бекке и В. Гольдшмидту. И. Фогт (Fogt 1903, 1904) впервые рассмотрел образование интрузивных пород с позиций эвтектической кристаллизации расплавов. Ф. Бекке (Becke, 1913) и В. Гольдшмидт (Goldschmidt, 1911, 1912) сделали первые попытки физико-химической интерпретации условий образования метаморфических пород, причем В. Гольдшмидт впервые применил правило фаз к анализу природных парагенезисов и произвел термодинамический расчет реакции равновесия (волластонит + СO2 = кварц + кальцит). Любопытно отметить, что попытки искусственного, экспериментального, воспроизведения горных пород и минералов были начаты еще раньше. Большое впечатление в свое время произвели известные опыты Ф. Фуке и А. Мишель-Леви (Fouque et Michel-Levy, 1882) и И. А. Морозевича (1897).
Для формирования физико-химического направления в нашей стране большое значение имели работы Е. С. Федорова и Н. С. Курнакова. Е. С. Федорову принадлежит одна из первых работ по графическому изображению минералов и пород (Федоров, 1918). И хотя основные достижения Е. С. Федорова лежат в области кристаллографии, его работы, насыщенные математикой, отличающиеся строгим подходом, оказали большое влияние на умы последователей. <Без математики я научности вовсе не понимаю>, - писал исследователь.
Н. С. Курнаков является родоначальником физико-химического анализа - самостоятельного раздела физической химии, изучающего зависимость различных свойств систем от их состава и параметров состояния путем применения разных физических методов и графического выявления зависимостей. Разработанные в начале прошлого века Н. С. Курнаковым (1898-1916) и его учениками общие методы анализа, успешное приложение их к исследованию металлических и солевых систем создали все предпосылки для проникновения физико-химического анализа в геологию. Касаясь работ по физико-химическому анализу, следует указать на теоретические исследования диаграмм состояния систем, проведенные Б. Розебомом (Roozebom, 1904), оказавшие, по-видимому, заметное влияние на западных исследователей.
Если же придерживаться хронологического порядка, то следующий этап в развитии физико-химических идей в петрологии связан с работами Н. Боуэна и его школы, положивших, по существу, начало экспериментальному направлению. Н. Боуэном и его сподвижниками, преимущественно в Геофизической лаборатории в Вашингтоне, была выполнена серия работ по экспериментальному исследованию силикатных систем, результаты которых были использованы Боуэном (Bowen, 1928) для построения физико-химической модели кристаллизации магмы. Схема этой модели широко известна как <реакционный принцип> или <реакционный ряд> Боуэна. Крупным событием явилась книга П. Ниггли (Niggli, 1920) <Магма и ее продукты>, в которой впервые в петрологической литературе обстоятельно изложена теория силикатных систем с летучими компонентами. В 1926 г. выходят в свет <Физико-химические основы петрографии изверженных пород> А. Н. Заварицкого - не только первый систематический учебник в этой области в мировой литературе, но и оригинальное обобщение и развитие физико-химических идей в магматической петрологии. В это же время в метаморфической петрологии П. Эскола (Escola, 1920) и С. Тилли (Tilley, 1923) разрабатывают концепцию метаморфических фаций. Усилиями главным образом этих исследователей внедряется способ графического представления (ACF и другие диаграммы) минеральных ассоциаций метаморфических пород. Освещение физико-химических вопросов рудоотложения в этот период тесно связано с физико-химическими проблемами магматизма. Они рассматривались в свете эволюции магматического очага, возможности и способа отделения летучих и т. д.
Кроме того, обсуждались предполагаемый состав и свойства рудообразующих флюидов, значение температуры как главного фактора рудоотложения (В. Линдгрен, Дж. Кемпебл, В. Гудчайлд, позднее Н. Боуэн, К. Феннер, Н. Шмедеманн, Л. Грейтон и др.). Таковы, очень схематично, истоки физико-химического направления в эндогенной геологии и состояние исследований к середине 30-х г.г. прошлого столетия. Отметим, что в 30-40-х г.г., когда объем геологических и особенно петрографических и минералогических работ сильно вырос и у нас, и за границей, наметился определенный кризис физико-химического направления. Кризис выражался в том, что выдвинутые первые физико-химические схемы процессов и пути приложения физико-химических методов пришли в серьезное противоречие с обширным геологическим материалом. Так было с <реакционным принципом Боуэна>, когда оказалось, что последовательность кристаллизации многих магматических пород отличается от схемы Боуэна. Так было с попытками приложения к анализу метаморфических ассоциаций <правила фаз Гольдшмидта>, когда выяснилось, что большинство минеральных ассоциаций метаморфических пород не соответствует ему. Так было и в области учения о минеральных месторождениях. Все это породило известный скепсис и неверие в возможность успешного применения физико-химических методов в геологии.
Главная причина кризиса - сейчас, конечно, легко судить об этом - состояла в том, что для физико-химического истолкования природных процессов исследователи привлекали уже сложившийся готовый аппарат физической химии и термодинамики. Природные же процессы настолько сложны, что простое перенесение термодинамических и физико-химических методов и понятий, полученных на основании опыта применения в теплотехнике, в химической технологии и экспериментального изучения упрощенных систем, оказалось явно недостаточным. Выход из кризиса состоял только в том, чтобы вскрыть основные физико-химические закономерности природных процессов и найти общие методы исследования, базирующиеся на этих закономерностях. В преодолении этого рубежа решающую роль сыграли работы Д. С. Коржинского. Три крупные, коренные, теоретические проблемы были выдвинуты и разработаны Д. С. Коржинским в 40-50-х г.г.: 1) принцип дифференциальной подвижности компонентов и термодинамическая теория природных систем; 2) теория метасоматической зональности; 3) режим кислотности-основности эндогенных процессов. При решении этих проблем был разработан и самый общий метод физико-химического исследования природных процессов - метод теоретического физико-химического моделирования. Эти исследования положили начало новой отрасли знания - физической химии процессов образования минералов, горных пород и руд, или, кратко, физической геохимии.
Они послужили толчком тому бурному развитию физико-химического направления в геологии, которое наблюдается в настоящее время. Другая причина прогресса физико-химических исследований кроется в больших возможностях, появившихся в последние годы благодаря резкому повышению уровня технической и аналитической оснащенности работ и особенно широкому внедрению компьютерной техники.
Охарактеризуем очень кратко самые главные направления современных исследований в области физической геохимии:
1. Термодинамика природных систем, ее теоретические аспекты, термодинамика минералов - твердых растворов, термодинамическое описание магматических систем, термодинамика водных растворов (от простых, разбавленных к сложным и концентрированным), термодинамика растворов в надкритическом состоянии, термодинамика систем с учетом поверхностных явлений.
2. Компьютерные расчеты минеральных и вообще гетерофазных равновесий с растворами и расплавами различного состава (от простых к сложным).
3. Физико-химический анализ парагенезисов, его теория и топология диаграмм, парагенетический анализ различных магматических, метаморфических и метасоматических пород (особенно метаморфических пород докембрия, скарнов и других околорудных метасоматитов).
4. Использование закономерностей состава сосуществующих минералов как индикаторов условий минералообразования (температуры, давления, активностей компонентов, окислительно-восстановительных условий) и эволюция их во времени и пространстве.
5. Необратимая термодинамика природных систем, ее теоретические аспекты, приложение ее к природным динамическим задачам.
6. Теоретическое и компьютерное решение динамических задач магматических и гидротермальных систем.
7. Теория метасоматизма, анализ условий и механизма образования метасоматических пород, особенно рудоносных.
8. Физико-химические процессы в мантии: минеральные равновесия, условия плавления, роль флюидов, реология мантии.
9. Экспериментальные исследования состояния и свойств веществ, фазовых равновесий и всех других термодинамических и динамических параметров необходимых для количественного решения перечисленных проблем; экспериментальное моделирование метасоматизма.
Хотя выше обозначены лишь главные направления, видно сколь широк размах уже ведущихся исследований. Но начинающий геохимик может быть уверен в будущем: сделано так мало по сравнению с огромными задачами, которые стоят перед физической геохимией - физической химией процессов образования минералов, горных пород и руд, перед физической химией процессов образования геосфер Земли.
Любая отрасль знаний становится самостоятельной наукой в том случае, если она имеет свой предмет и свои методы исследования. В настоящее время в пределах геохимии как общей науки о распространении, распределении, сочетании и миграции элементов на Земле, в пределах минералогии, петрологии и учения о минеральных месторождениях как наук о составе, строении, свойствах и условиях образования соответственно минералов, пород и месторождений выделяется область знаний, охватывающая физико-химические закономерности природных процессов. Она известна как физическая химия процессов минералообразования, как физико-химическая петрология - хотя ни одно из этих наименований не отражает в полном объеме современного содержания этой области знания. Вместе с тем эта область знаний, несомненно, является самостоятельной наукой, поскольку она имеет свой особый предмет, свои специфические, отличные от других геологических наук методы исследования. Предметом изучения этой науки являются физико-химические процессы формирования минералов, горных пород и руд, физико-химические процессы формирования геосфер Земли. Обозначить ее целесообразно как физическую геохимию. Тогда можно дать общее определение: "Физическая геохимия - наука о физико-химических процессах формирования минералов, горных пород и руд, наука о физико-химических процессах формирования геосфер Земли. Рассматривая соотношения физической геохимии с другими науками, можно заметить следующее. Физическая геохимия в виде отдельных, частных разделов входит в другие геологические науки: в минералогию как физико-химическая минералогия, в петрологию - как физико-химическая петрология и т. д. Но в то же время это, несомненно, самостоятельная наука, поскольку она характеризуется единством методов: методы физико-химической минералогии, методы физико-химической петрологии, физико-химические методы познания процессов оруденения одинаковы, это суть методы физической геохимии. Физическая геохимия, как показывает название, может рассматриваться как раздел геохимии при широком понимании геохимии как науки. В таком случае традиционные направления геохимии (содержание и распределение элементов, изотопия и т. д.) можно обозначить как аналитическую геохимию. Тогда задачи физической геохимии определяются изучением таких процессов в земной коре и мантии, которые имеют физико-химическую сущность, т. е. характеризуются совместным и взаимосвязанным проявлением физических и химических процессов. Физическая геохимия - раздел физической химии, та ее часть, которая изучает природные физико-химические процессы. Наряду с термином "физическая геохимия" мы широко будем использовать, почти как синоним, термин "физико-химическая петрология". Этим мы отдаем признательную дань возникновению физико-химического направления в недрах петрологии, это отражает общепринятое широкое понимание петрологии (ведь граница между породой и рудой - понятие не генетическое, а только экономическое).
Появилось и более широкое определение - "физико-химическая геология", которая охватывает изучение физико-химических закономерностей любых геологических процессов. Главные цели физико-химической геологии состоят в создании количественной фундаментальной основы геологических наук, в создании прочной базы для поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, в создании основы для поиска новых технологий синтеза и улучшения свойств промышленно важных минералов и материалов. Значение физико-химической геологии и физической геохимии как части ее - определяется тем, что она является базой для перехода геологических наук на принципиально новый уровень - от наук существенно эмпирических и описательных к точным количественным знаниям и критериям. Без глубокого понимания существа физико-химических процессов формирования минералов, горных пород и руд, основных физико-химических причин и условий мобилизации, переноса и концентрации полезных ископаемых окажутся неэффективными в дальнейшем прогноз и поиск скрытых в глубинах Земли полезных ископаемых, невозможным поиск новых нетрадиционных видов полезных ископаемых и способов их извлечения.
Физическая геохимия базируется на общем знании о строении, физических и химических свойствах элементов и их соединений. Вместе с тем, физическая геохимия наряду с обычными, присущими другим геологическим наукам методами изучения природных объектов и их соотношений для своих целей познания физико-химической сущности геологических процессов использует свои, специфические, методы исследования. Можно указать на четыре главных метода: физико-химического анализа парагенезисов; экспериментального моделирования; физико-химических расчетов; теоретического физико-химического моделирования. Раскроем кратко сущность этих методов.
Физико-химический анализ парагенезисов - это метод анализа природных парагенезисов и эмпирических парагенетических закономерностей путем применения различных диаграмм с целью выявления зависимости минерального состава и парагенезисов пород и руд от физико-химических условий их формирования, т. е. от химического состава породы, руды или магмы, от температуры, давления, от активностей компонентов в растворах или магме и т. д. Физико-химический анализ парагенезисов представляет собой наиболее распространенный и широко используемый метод физико-химической петрологии. Этот метод теснее других соприкасается с собственно геологическими науками: данные петрографических, минералогических и других геологических наблюдений над минеральным и химическим составом пород и руд служат непосредственной основой для парагенетического анализа. Метод физико-химического анализа парагенезисов преследует цель путем графического анализа нащупать главные физико-химические закономерности ассоциаций минералов исходя из природных эмпирических парагенетических соотношений. Это первый почти во всех случаях обязательный этап познания физико-химической сущности природных процессов. Классическим примером приложения метода физико-химического анализа парагенезисов может служить широко известная диаграмма зависимости парагенезисов гранитоидных пород от химических потенциалов калия и натрия, построенная Д. С. Коржинским (см. ниже). Эта диаграмма позволила путем графического анализа эмпирических парагенезисов выявить, что главной причиной разнообразия парагенезисов и различной последовательности кристаллизации гранитоидов является различная активность (точнее, различные химические потенциалы) калия и натрия в магматических расплавах. Другие примеры успешного применения метода физико-химического анализа парагенезисов магматических, метаморфических и метасоматических пород можно найти во многих работах.
В последующих главах метод физико-химического анализа минеральных и фазовых равновесий будет изложен подробно, будут рассмотрены построение и анализ всех главных типов диаграмм, используемых в физической геохимии.
>Экспериментальное моделирование преследует цель искусственно воспроизвести и изучить природные процессы и их продукты (минералы, горные породы, руды, растворы, расплавы и т. д.). Конечно, не может быть и речи о воспроизведении природных явлений в геологических масштабах и времени. Но можно и должно экспериментально изучить строение, свойства, пределы устойчивости различных веществ при параметрах, отвечающих геосферам Земли, выявить условия существования тех или иных минеральных равновесий, охарактеризовать кинетические и динамические свойства природных объектов.
Важнейшее значение экспериментальных исследований для геологии состоит в том, что они являются единственным источником количественной информации о физико-химических условиях процессов, протекавших многие миллионы лет назад. Особенность природных систем состоит в том, что все данные о физико-химических параметрах тепловых процессов, таких как температура, давление, состав флюида, и активности различных компонентов, скорости протекания процессов и т. д. закодированы в особенностях фазового (минерального) состава, фазовых равновесий (парагенезисов минералов), в распределении компонентов между фазами, в тонких свойствах макроструктуры и микроструктуры природных объектов. Выявить значения этих физико-химических параметров можно лишь экспериментально воспроизведя эти минеральные равновесия или распределения компонентов, или особенности строения тех или иных объектов и изучив влияние выявленных параметров на граничные условия существования изучаемого объекта. Экспериментальные исследования позволяют также вскрыть генетический механизм процессов, который невозможно определить путем изучения процессов, которые доступны нашим непосредственным наблюдениям.
В дальнейшем изложении многократно будут использованы данные экспериментальных исследований. Однако изложение методов экспериментального моделирования, которое обязательно включает рассмотрение аппаратуры и техники эксперимента, методик проведения опытов и исследования продуктов, выходит за рамки этой книги, поэтому укажем только главные направления экспериментальных исследований, которые активно и плодотворно развиваются в ведущих странах мира.
1. Изучение строения и свойств вещества Земли в агрегатных состояниях и при параметрах соответствующих различным геосферам Земли.
2. Изучение минеральных и фазовых равновесий, распределение элементов и их изотопов между фазами, определение условий их стабильности в зависимости от температуры, давления, активностей компонентов, включая Eh-pH условия.
3. Изучение динамики и кинетики (механизма) процессов транспорта и минералообразования в магматических, метасоматических и метаморфических системах; изучение тепломассопереноса в гетерофазных условиях.
Физико-химические расчеты представляют собой метод исследования природных и экспериментальных данных путем приложения аппарата и расчетных методов физической химии и термодинамики. Главное содержание метода в настоящее время составляют термодинамические расчеты минеральных равновесий по экспериментальным и природным данным, расчет констант распределения компонентов между сосуществующими фазами и их зависимости от температуры и давления, расчеты возможных форм и содержания компонентов в гидротермальных растворах, расчеты метасоматических колонок при различных заданных условиях (температура, давление, состав раствора), а также решение задач тепломассопереноса.
Физико-химические расчеты широко используются в физической геохимии, особенно в последние годы в связи с компьютеризацией исследований. Существуют десятки программ, направленных на решение различных задач физической геохимии. Приложимость физико-химических расчетов теоретически неограниченна, практически она определяется наличием и надежностью исходных экспериментальных данных, корректностью поставленных задач. Накопление экспериментальных данных, большие возможности с использованием быстро прогрессирующей техники создают весьма благоприятные перспективы распространения и развития метода физико-химических расчетов.
Подчеркивая исключительное значение экспериментального моделирования для развития физической геохимии, приходится, тем не менее, сознавать, что, оно остается все-таки частным методом, поскольку существуют технические и принципиальные (время, масштабы) ограничения для экспериментальных исследований. В связи с этим совершенно особое и исключительное место в физической геохимии занимает самый общий (и самый сложный) метод - теоретическое физико-химическое моделирование.
Теоретическое физико-химическое моделирование представляет собой метод познания природных физико-химических процессов путем построения и исследования их теоретических моделей. Сущность метода состоит в следующем (рис. 1.1). Из геологических наблюдений выводятся некоторые главные эмпирические закономерности, характеризующие выбранный природный процесс или объект.
Эти главные закономерности должны быть выражены в определенных физико-химических понятиях и терминах, поскольку целью является физико-химическая модель процесса или объекта (этот этап моделирования можно обозначить как этап выявления исходных посылок). Опираясь на установленные посылки и общие законы физической химии строится теоретическая модель данного явления (этап построения модели). Далее проводится исследование теоретической модели путем выявления общих и частных следствий, их экспериментальных расчетных или графических решений (этап исследования модели). Наконец, распространяя информацию, полученную при исследовании модели на изучаемый природный объект, сопоставляя свойства модели и природного объекта (или процесса), устанавливаем соответствие модели природному явлению (этап практической проверки или выявления соответствия модели). Если при этом устанавливается, что свойства модели соответствуют главным свойствам природного объекта или процесса, тогда, очевидно, данная модель представляет абстрактное отображение изучаемого явления, т. е. схематизацию его главных черт, его теоретическую модель. Если же, напротив, выявляется несоответствие свойств модели и объекта, частичное или полное, то это означает, что частично или полностью ошибочными были приняты исходные посылки, которые должны были отражать главные эмпирические закономерности рассматриваемого явления (подразумевается, что построение и исследование модели были проведены корректно). Следовательно, необходимо пересмотреть эти исходные посылки и построить новую модель, адекватную явлению.
Важно подчеркнуть, что теоретическая модель представляет схематизированное отображение главных существенных сторон и черт явления, т. е. теорию явления. Отсюда следует, что теоретическое моделирование - метод познания теоретической сущности явлений. Что же представляют собой теоретические модели природных явлений? Теоретическая модель - это физико-химическая схема процесса, описанная системой уравнений, выражающих взаимосвязь параметров, характеризующих данный процесс. В начальные этапы исследования при моделировании более сложных природных процессов не сразу удается получить строгое математическое выражение взаимосвязи параметров, определяющих изучаемый процесс. Тогда в виде простейшей модели предстает качественная физико-химическая схема, носящая, более гипотетический характер. Следует иметь в виду, что чем строже и точнее математически описана модель, тем глубже возможно исследование ее свойств и проникновение в физико-химическую сущность явлений. Теоретические модели, отображающие различные по содержанию и масштабам природные явления, конечно, различны, но метод моделирования с гносеологических позиций - всегда остается одним и тем же. В построении любой теоретической модели можно различать: этап выявления исходных посылок, этап построения модели, этап исследования модели и этап выявления соответствия (практической проверки). Нетрудно видеть, что в этой схеме четко отражается общая формула теории познания: от конкретного к абстрактному, всеобщему, и затем - к практике.
Приведем здесь только один, но выдающийся по последствиям пример теоретического моделирования: открытие Д. С. Коржинским термодинамической сущности природных систем. Этап исходных посылок - обнаружение различного режима компонентов в любых природных процессах, нашедшее отражение в эмпирическом "принципе дифференциальной подвижности компонентов". Этап построения модели - выражение в термодинамических параметрах факторов равновесия природных систем, применение преобразования Лежандра к члену, выражающему химическую энергию систем в характеристических функциях систем - уравнениях термодинамических потенциалов, которые привели к открытию и обоснованию нового типа термодинамических систем - систем с вполне подвижными компонентами. Этап исследования модели - вывод из уравнений термодинамических потенциалов главных соотношений между параметрами систем с вполне подвижными компонентами и в том числе новой формы правила фаз ("правило фаз Коржинского"). Этап практической проверки - успешное приложение этих соотношений и правила фаз Коржинского к анализу природных парагенезисов, открывшее совершенно новые возможности для физико-химического анализа парагенезисов и вообще для термодинамического анализа природных процессов. Ниже мы рассмотрим эти вопросы подробно, здесь же подчеркнем, что теоретическое моделирование в этом случае привело к открытию систем с вполне подвижными компонентами, представляющих теоретическую термодинамическую модель природных систем.
Рассматривая соотношение различных методов физической геохимии, следует подчеркнуть, что теоретическое моделирование представляет единственный общий метод исследования природных процессов. Это определяет его исключительное значение для физической геохимии. Однако возможности теоретического моделирования в полной мере раскрываются особенно тогда, когда построение общей теоретической модели сопровождается серией частных количественных решений, получаемых в результате экспериментальных исследований и физико-химических расчетов. Можно наметить следующую общую, идеализированную формулу процесса познания в области физической геохимии: а) выявление содержания и эмпирических закономерностей процессов, их анализ методами конкретных геологических наук и методом физико-химического анализа парагенезисов; б) построение общей теоретической физико-химической модели явлений, основанной на главных эмпирических закономерностях и общих законах физической химии; в) получение путем экспериментальных исследований и физико-химических расчетов серии частных количественных решений моделей; г) практическое приложение результатов. Эта общая схема не исключает, конечно, использования только отдельных звеньев или их частных комбинаций. Характеризуя задачи физической геохимии и подчеркивая необходимость всестороннего развития всех разделов и методов этой новой прогрессирующей области знания, следует отметить, что развитие теоретического моделирования, как общего метода исследования, и экспериментального моделирования, как метода частных количественных решений, остается главной задачей физической геохимии на современном этапе развития. При этом первостепенной практической задачей является расширение и углубление экспериментальных исследований, поскольку в необходимость экспериментальной проверки и количественной оценки упирается развитие и теоретического моделирования, и физико-химических расчетов.
В заключение заметим, что методы физической геохимии могут быть распространены и на познание внеземного вещества. Формально это физическая космохимия, физико-химическая планетология и т. д. Но поскольку внеземные явления нам интересны, в том числе (или прежде всего) для понимания земных процессов, все это обычно включается в физическую геохимию.
Целью физической геохимии является познание физико-химических процессов образования минералов, горных пород и руд. В основе познания лежат те эмпирические природные закономерности общие и более частные, которые устанавливаются многократной практикой геологических исследований. Эти закономерности ясны и понятны каждому геологу.
Возьмем, например, принцип дифференциальной подвижности компонентов. Рассмотрим простейшую реакцию замещения магнетита пиритом, которая происходит под воздействием растворов при образовании березитов, пропилитов, вторичных кварцитов и других метасоматических пород. Сопоставляя исходные и полученные продукты (Fe3O4 + 3S2 = FeS2 + 2O2), легко убедиться, что железо, содержавшееся в магнетите, переходит в пирит, а сера и кислород приносятся и выносятся растворами (в данном случае нам безразлична конкретная форма нахождения серы и кислорода в растворах). Нетрудно сделать вывод о том, что в этом процессе участвуют две группы компонентов: одни (железо), переходя из одного минерала в другой, остаются в породе, другие (сера и кислород) легко приносятся и уносятся растворами, т. е. режим их определяется особенностями растворов.
Рассмотрим другой процесс - альбитизацию калиевого полевого шпата, также широко распространенный при различных послемагматических изменениях пород. Сопоставляя исходные и конечные продукты (KAlSi3O8 + Na = NaAlSi3O8 + K), легко прийти к выводу о том, что и в этом процессе устанавливаются две группы компонентов: одни (Al, Si) переходят из одного минерала в другой, оставаясь в породе, другие (Na, К) приносятся и выносятся растворами.
Можно обратиться и к более сложным явлениям. Анализируя процесс образования известковых скарнов, возникающих на контакте карбонатных и алюмосиликатных пород, исследователи пришли к выводу, что и в этом процессе участвуют группы компонентов, существенно различающиеся своим режимом. Одни компоненты (Са, Si, Al) испытывают лишь местную миграцию, перераспределяясь внутри скарновых зон, другие (К, Na, Mn, Mg, Fe) легко приносятся или уносятся растворами, т. е. их поведение определяется воздействующими растворами.
Собственно открытие, устанавливающее, что в любом процессе образования минералов, горных пород и руд участвуют две группы компонентов, отличающиеся принципиально различным режимом, и есть эмпирический принцип дифференциальной подвижности компонентов. Однако как эмпирический вывод этот принцип не позволяет нам получить какую-либо дополнительную информацию о режиме компонентов, причинах и особенностях процессов, кроме собственно констатации существования явления.
Для того чтобы исследовать это явление, получить глубокую и точную характеристику различного режима компонентов, наконец, вскрыть причины этого явления, мы неизбежно должны точно, а это значит в физико-химических параметрах, описать его и установить определенные функциональные зависимости между параметрами, характеризующими это явление - иначе говоря, построить его физико-химическую модель. Более того, при этом можно убедиться (и ниже это будет показано), что тот очевидный признак различия компонентов - их различная миграционная способность - окажется верным только в первом приближении и, самое существенное, не главной причиной различий в режиме компонентов. Все это показывает, что простое логическое восприятие и истолкование эмпирических закономерностей оказывается недостаточным, а в некоторых случаях может быть и ошибочным суждением о механизме и причинах явления.
Ярким примером последнего служит метасоматическая зональность. Метасоматическая зональность как закономерное пространственное расположение зон различного минерального состава в участках интенсивного метасоматического преобразования пород давно известна геологам. Существовало логическое объяснение этого явления, естественное на первый взгляд: возникновение метасоматических зон различного минерального состава вызвано воздействием на исходную породу разновременных различных по составу потоков растворов. Однако, когда Д.С.Коржинским была построена и исследована теоретическая модель метасоматической зональности, оказалось, что как раз это представление, вполне очевидное на первый взгляд, полностью ошибочно. На смену мнению о разновременном, поэтапном возникновении метасоматических зон пришло представление о метасоматической колонке как совокупности одновременно возникших метасоматических зон различного минерального состава. Метасоматическая зональность в таком понимании представляет самое общее свойство всех метасоматитов (кстати, и до сих пор с трудом воспринимаемое некоторыми геологами). Но для того чтобы выявить это и многие другие удивительные свойства метасоматической зональности, неизбежным этапом познания было построение теоретической физико-химической модели метасоматизма. Экспериментальные исследования полностью подтвердили этот, казавшийся парадоксальным, вывод и выявили многие количественные характеристики метасоматических процессов.
Нередко возникает вопрос, почему из различных методов физической химии именно термодинамический метод нашел столь широкое применение в физической геохимии? Это объясняется целью и особенностями познания. При изучении физико-химических процессов образования минералов, горных пород и руд нас прежде всего интересуют режимы температуры, давления, поведения компонентов, т. е. закономерности тепловых, механических и химических процессов. А что же такое термодинамика? Термодинамика - это наука об общих законах и движущих силах тепловых, механических и химических явлений. Поэтому в физической геохимии широко используются аппарат и методы термодинамики.
Существует важная особенность термодинамического метода исследования. Термодинамический метод отличается феноменологическим подходом, т. е. ограничивается внешней суммарной макроскопической характеристикой физико-химических процессов и их законов, без проникновения во внутренний механизм этих явлений. Термодинамический метод позволяет описывать явление в целом, основываясь на сопоставлении начального и конечного состояний, не вникая в конкретный механизм протекания процесса, в конкретные формы, игнорируя промежуточные состояния, поведение элементарных составляющих и т. д. В этом отношении термодинамический метод противоположен статистическому методу, применение которого дает возможность изучить общие свойства на основании статистического анализа поведения множества элементарных составляющих и состояний процесса.
При исследовании природных физико-химических процессов наиболее обычным как раз является такое положение, когда известны конечные результаты процесса, можно предполагать начальное состояние системы, но не имеется никаких данных о промежуточных состояниях, внутреннем механизме процесса и т. д. Эта особенность поступающей от природы информации делает не только предпочтительным, но нередко единственно возможным термодинамический метод познания.
Наконец, в заключение первой главы обратим внимание еще на одну примечательную особенность природных процессов. Любой природный процесс - будь то кристаллизация магмы или метаморфическое преобразование пород, диагенез осадков или образование ореола метасоматических изменений около рудных жил - это, конечно, необратимый процесс. С другой стороны, многократными наблюдениями установлено, что эти процессы протекают таким образом, что в каждом данном элементарном участке в каждый данный момент времени достигается состояние равновесия. Такое соотношение, очевидно, возможно, если скорость преобразований в системе, скорость приспособления ее, или скорость релаксации, оказывается больше, чем скорость изменения факторов состояния системы. Природные процессы осуществляются, следовательно, в таких условиях, когда при общем необратимом течении процесса в каждом данном участке в каждый данный момент устанавливается состояние равновесия. Такие соотношения обозначаются под понятиями мозаичного или локального равновесия. Ниже будет показано, что состояние мозаичного равновесия может быть полностью описано в рамках термодинамики, что еще более расширяет возможности термодинамического метода. Отмеченное единство двух противоположных тенденций - необратимого изменения (или динамики процесса) и равновесия (или статики системы) составляет сущность любого природного процесса. Однако в ходе исследования неизбежно приходится расчленять эти неразрывно связанные стороны одного процесса. При теоретическом моделировании для одного и того же процесса приходится строить две различные модели - модель необратимого изменения системы, динамическую модель процесса и равновесную модель системы, охватывающую в общем случае серию равновесных состояний системы, через которые проходит она при общем необратимом изменении.
|
