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

IV-3-5. Особенности аппаратуры для изучения включений.

Особенность экспериментов с включениями в природных объектах заключается в необходимости стабильно поддерживать в термокамере температуры в очень широком интервале (-180⁰ - 1600⁰С). Для изучения газово-жидких включений температуры фазовых переходов при нагревании как правило лежат ниже 600° С, при их охлаждении (метод криометрии) иногда требуются температуры до √180° С. Для экспериментов с расплавными включениями необходимы температуры выше 600° С (для гранитов от 700 до 1000° С, для базальтов 1050 -1200° С, а для изучения ультраосновных и щелочно-ультраосновных пород нужно нагревать образец почти до 1600° С). Поэтому, несмотря на 150-летнюю историю изучения включений пока не существует полностью универсальных экспериментальных установок, позволяющих изучать любые типы включений во всем интервале температур.

Экспериментальные установки для проведения термометрических экспериментов характеризуются типом нагревателя, способом охлаждения и закалки, возможностью визуального наблюдения эксперимента, контролем за температурным режимом и доступным температурным интервалом.

Как видно из приведенной выше таблицы, требования к аппаратуре для изучения газово-жидких и расплавных включений отличаются. Также существуют различия в методах, применяемых для изучения температур фазовых переходов внутри включений и определения состава включений (см. главу IV-4). Поэтому конструкции термокамер обычно оптимизированы под определенный тип включений и интервалы температур.

Метод охлаждения образца и замораживания находящихся во включении газов и жидкостей называется криометрией. Для криометрии обычно используется жидкий азот, который подается в кожух рабочей камеры и охлаждает образец. Пример выпускаемой промышленностью установки (фирма Linkam Sci. Instr.) для изучения газово-жидких включений приведен на рис. 90. В данной конструкции применяется плоский нагревательный элемент (до 600° C), расположенный под образцом. Это позволяет добиться минимальных температурных градиентов внутри камеры. Блок в котором смонтированы нагреватель, термопара и столик для образца √ серебряные. Это позволяет добиться (за счет большой теплопроводности серебра) больших скоростей нагрева и охлаждения (90° /мин.) и выравнивать температурные градиенты при быстром нагреве. Непосредственно к столику (во время криометрии) подается жидкий азот, что позволяет охлаждать образец до -180° C. Отдельно предусмотрена продувка газообразным азотом камеры и оптических систем для того, чтобы во время криометрии на рабочих поверхностях не конденсировалась влага и не затрудняла визуальное наблюдение за ходом эксперимента. Верхнее и нижнее окна сделаны из кварцевого стекла, окно в нагревателе - из сапфира. Сапфировое окно необходимо для нейтрализации (по методу дополнительных окрасок) света испускаемого нагревательной спиралью при высоких температурах.

Создание высоких температур при изучении расплавных включений требует особой системы нагревателей из материалов устойчивых для данных условий. При этом, необходимо учитывать, что при температурах близких к точке плавления материала, он начинает испаряться ("лететь"), и нагреватель быстро выходит из строя. Обычно, материал для нагревателей подбирают в зависимости от условий экспериментов таким образом, чтобы верхний предел устойчивости материала был на 300-400° ниже верхних температурных пределов термометрических экспериментов с включениями. При изучении расплавных включений обычно применяются высокотемпературные нагреватели на основе платино-родиевых сплавов, позволяющие нагревать образец до 1400 -1600° C. Однако, для экспериментов в низкотемпературных системах достаточно использовать нихромовые нагреватели, которые гораздо дешевле.

От формы и размеров нагревателей зависит температурный градиент в термокамере и скорость закалки. Можно добиться меньшего градиента температур в термокамере, увеличивая размеры нагревателя и, соответственно, размеры рабочей зоны камеры.

Для создания высоких температур, по нагревателю пропускаются большие токи при малом напряжении. "Большой" ток, во-первых требует мощных стабилизирующих и регулирующих приборов, а во-вторых, очень тщательного расчета всех электропроводящих узлов. Например, чтобы нагреть платиновый проводник диаметром 1 мм до 1600° С, по нему нужно пропустить ток, силой в 80 А, при напряжении 1,5 В. Особое внимание при сборке и эксплуатации такой аппаратуры нужно уделять контактам между отдельными проводниками: частичная потеря контакта приводит к возрастанию силы тока в проводящей части и может привести к сгоранию проводника.

При высоких температурах в атмосферной среде происходит быстрое окисление образца. Вследствие этого, могут произойти необратимые фазовые изменения в системе включение-минерал, а кроме того, некоторые минералы, например оливин, при окислении становятся непрозрачными, что делает невозможным визуальное наблюдение результатов эксперимента. Поэтому, при термометрических экспериментах с минералами, содержащими легко окисляемые компоненты, необходимо поддерживать инертную (или восстановительную) атмосферу в термокамере. Обычно, эта задача решается с помощью либо буферирования окислительно-восстановительных условий, либо проведения экспериментов в атмосфере инертных газов или азота.

Для фиксации состояния расплавного включения во время эксперимента необходима возможность быстрой закалки образца. Чем быстрее происходит закалка, тем меньше компонентов отложится на стенках включения и тем точнее можно измерить состав равновесных фаз во включении. Для закаливания образца требуется резко сбросить температуру от температуры эксперимента до явно субсолидусных температур, при которых уже не происходит кристаллизации фаз и значительного обмена компонентами. При этом, огромную роль играет инерционность камеры, то есть та скорость с которой камера может начать охлаждение. На эту скорость влияют размеры камеры, тип нагревателя, способ охлаждения, температура эксперимента, размер образца, и даже состав атмосферы в камере. Существует два способа закалки эксперимента: 1) охлаждение образца внутри термокамеры; 2) быстрое извлечение образца из термокамеры. И в том, и в другом случае чем меньше размер самого образца, тем быстрее произойдет закалка. Поэтому для термометрических экспериментов используют отдельные зерна минералов, размером около 1 мм.

При закалке образца внутри термокамеры возникает целый ряд проблем, поскольку ее скорость зависит от конструкции и массы деталей камеры. Во-первых, важную роль играет размер нагревателя: чем он меньше, тем быстрее его можно охладить. Если исследуемые зерна имеют размеры от 0.5 до 1 мм, то диаметр нагревателя может быть 1.2 -1.8 мм. Во-вторых, в термокамере дожна отсутствовать любая теплоизоляция, которая будет препятствовать охлаждению образца. В обычных экспериментальных установках, такие нагреватели делают из проволоки, наматывая ее плотными кольцами на термоизолятор (обычно керамическую трубку). Однако, большие размеры камеры и ее термоизоляция не позволяют добиться быстрой закалки. Для быстрой закалки включения внутри термокамеры необходимо максимально уменьшить размеры нагревателя. Наличие термоизоляции также приводит к сильному ухудшению показателей скорости закалки. При создании термокамер с быстрой закалкой образца приходится отказываться от традиционного способа изготовления нагревателей из намотанной на термоизолятор проволоки. В-третьих, имеет значение состав атмосферы внутри термокамеры: чем меньше атомный вес газов, тем меньше их собственная теплопроводность и тем лучше они будут отводить тепло от образца во время охлаждения. Поэтому, ответственные эксперименты часто проводят в атмосфере гелия.

Во многих случаях, необходимо визуальное наблюдение за ходом эксперимента. Это нужно, например, если проводятся работы с индивидуальными расплавными включениями и отсутствует возможность статистических экспериментов. Часто, принципиальное значение имеет визуальное наблюдение за изменением фазового состава во включениях.

Таким образом, конструирование и наладка аппаратуры для изучения расплавных включений является очень сложной задачей.

Размер рабочей камеры определяется величиной исследуемых образцов. Средний размер исследуемых зерен составляет 0.5-1 мм, поэтому минимальный диаметр рабочей зоны камеры должен быть 1.2-1.8 мм. При таких маленьких размерах камеры невозможно использовать нагреватель в виде обмотки. Во-первых, без основы в виде термоизолятора его не на чем закрепить, во-вторых, диаметр проволоки будет соизмерим с шириной рабочей зоны, что приведет к сильному увеличению температурного градиента в термокамере. Поэтому, в таких конструкциях применяют нагреватели, сделанные из единой пластины сплава.

Среди термокамер для изучения расплавных включений различают: 1) установки без визуального наблюдения и 2) с визуальным наблюдением.

1) В экспериментальных установках без визуального наблюдения отсутствуют ограничения на размеры камеры и нагревателей, не обязательны мощные системы охлаждения и т.д. Поэтому, такие установки пользуются большой популярностью для изучения включений.

Пример одной из простейших установок такого типа показан на рис. 91. Установка собрана внутри огнеупорного кирпича. Кирпич распилен на две половины, в каждой из которых выдолблены углубления нужных размеров. В нижнюю половину вмонтирован обмоточный нагреватель, а в верхнюю - термопара, позволяющая контролировать температуру в ходе эксперимента. Окислительно-восстановительные условия буферируются графитовым порошком насыпаемым на дно термокамеры.

Исследуемые зерна помещают в специальный платиновый контейнер прикрепленый к длинной рукоятке, которая выводится за пределы камеры. Эта рукоятка используется для быстрого извлечения платинового контейнера из камеры во время закалки образца. Скорость закалки в данном случае обеспечивается не скоростью остывания нагревателя и термокамеры, а скоростью извлечения контейнера с зернами минерала из камеры на воздух. Если требуется особенно быстрая закалка, то контейнер с зернами сразу после изъятия его из термокамеры опрокидывается в воду.

Существенный недостаток такой конструкции - это то, что рукоятка создает большие температурные градиенты. Кроме того, при перепаде температур во время закалки более 350-400⁰ существует опасность, что от термоудара образец будет рассыпаться.

2) Для краткости, мы не будем приводить подробный разбор конструкций различных микротермокамер, использующихся для проведения термометрических экспериментов (наиболее подробное описание большого количества конструкций приведено в монографии Э.Реддера - см. список дополнительной литературы). На сегодняшний день, оптимальной для изучения расплавных включений является микротермокамера конструкции А.Б.Слуцкого и А.В.Соболева, показанная на рис. 92. В ней используется платино-родиевый нагреватель (Pt₉₀Rh₁₀), обеспечивающий нагрев образца до 1600⁰C. Он имеет цилиндрическую форму и сделан из единой пластинки, что позволяет уменьшить его размеры до 1,8 мм (и, соответственно, увеличить скорость закалки). Кроме этого, в конструкции нагревателя отсутствуют термоизоляционные элементы, что также позволяет достигать высоких скоростей закалки (300-400 градусов в первую секунду). Изучаемый образец помещается внутрь нагревателя, на подложку (обычно из оливина), которая закрепляется в платиново-родиевой петле. Термопара (PtRh₁₀ -Pt) подводится к нагревателю снизу и приваривается к петле, на которой лежит подложка. Нагреватель вместе с термопарой смонтирован в виде единого патрона, который легко извлекается из камеры. Это позволяет ускорить процесс смены образца и облегчить мелкий ремонт (смену термопары, петли, подложки, нагревателя и т.д.). Корпус камеры сделан из латуни (которая обеспечивает хороший теплоотвод), по корпусу во время эксперимента пропускается вода (для охлаждения). Внутрь камеры подается высокочистый гелий (газ) для поддержания инертной атмосферы, предотвращения окисления минералов при высокой температуре и для ускорения закалки (из инертных газов гелий обладает самой высокой теплопроводностью). Сверху и снизу в камеру вмонтированы кварцевые стекла толщиной около 1 мм для экранирования нагревателя.

В связи с малыми размерами термокамер для проведения термометрического эксперимента, внутри них, как уже отмечалось выше, существуют значительные температурные градиенты (в некоторых конструкциях до 100⁰C/мм). Поскольку невозможно завести термопару непосредственно внутрь включения, необходимо определить поправки на измерения температуры. Для этого, перед каждой серией экспериментов термокамеру калибруют, определяя температурные поправки для рабочей части камеры или для различных частей камеры (в случае работы с пластинками). Для калибровки низкотемпературных экспериментов применяют искусственные газово-жидкие включения с известной температурой фазовых переходов.

Для калибровки высокотемпературных экспериментов применяют частицы чистых металлов. Обычно используется золото (Т_пл = 1063.4 С) или медь (Т_пл = 1083 С). Для этого, маленькую крошку металла кладут внутрь камеры на изучаемое зерно минерала. При температуре плавления металл за счет большого поверхностного натяжения мгновенно превращается в шарик расплава. Разница измеренной в этот момент температуры и Т_пл металла является требуемой поправкой ко всем измеряемым в ходе эксперимента температурам.