Лаборатория эспериментальной и технической петрологии
МГУ,
к. A-607, тел. 939-20-40
|
назад | содержание
| вперед
|
|
Три пути ведут к знанию:
путь размышлений - самый благородный,
путь подражания - самый легкий и
путь опыта - это путь самый горький.
Конфуций
|
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.
Прямое моделирование процессов образования минералов, горных пород
и руд путем их искусственного воспроизведения.
Изучение минеральных и других фазовых равновесий.
Изучение состояния вещества в тех условиях, которые реализуются
в природе.
Изучение кинетики и динамики природных процессов.
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.
Главными задачами технической петрологии являются следующие.
Познание сути искусственного минералообразования путем контроля
продуктов технологического процесса на разных его стадиях.
Совершенствование или корректировка технологических процессов и
улучшение свойств выпускаемой продукции.
Создание новых технических материалов с заданными свойствами, вплоть
до разработки принципиально новых технологий.
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.
![Параметры экспериментальных установок и природного петрогенезиса](http://images.geo.web.ru/pubd/2002/10/24/0001164637/image/fig001.gif) |
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.
Цель и задачи.
Теоретический прогноз.
Техническое (аппаратурное) оснащение.
Методика эксперимента.
Методика диагностики и исследования продуктов опытов.
Оценка критериев равновесия.
Представление данных в виде таблиц и графиков, их математическая
и термодинамическая обработка.
Обобщение полученных экспериментальных данных и их приложение для
интерпретации природных (технологических) процессов. Планирование последующих
исследований.
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.
|