методы исследования газово-жидких включений в минералах
advertisement
ПРЕЗЕНТАЦИЯ ЛЕКЦИИ на тему «Лабораторные методы исследования минералов, руд и пород» Тема: Аналитический и графический обзор методов исследования физических свойств минералов ПРЕЗЕНТАЦИЯ ЛЕКЦИИ на тему «Лабораторные методы исследования минералов, руд и пород» Тема: «Аналитический и графический обзор методов исследования физических свойств минералов» Составила: зав.лабораторией «Геотехпрогноз» Ростов-на-Дону 2007 год Перепечаева Н.И. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОВО-ЖИДКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ В МИНЕРАЛАХ • Включения минералообразующих растворов и расплавов в минералах описаны во многих работах. При составлении данного - раздела были использованы достижения советских исследователей, работающих в области термобарогеохимии, в частности Н. П. Ермакова, В. Ф. Лесняка, Д. Н. Хитарова, Ю. А. Долгова и других ученых, а также результаты наблюдений и экспериментов, проводимых в микротермобарометрической лаборатории кафедры полезных ископаемых МГУ, и опыт проведения лабораторных занятий со студентами по методам исследования газово-жидких включений. Были использованы также данные Роддера, Дейша, Смита, Такеноучи и других зарубежных ученых. ВКЛЮЧЕНИЯ МИНЕРАЛООБРАЗУЮЩИХ РАСТВОРОВ И РАСПЛАВОВ В МИНЕРАЛАХ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ • Газово-жидкими включениями в минералах называются микропорции растворов, законсервированные внутри минерала при его кристаллизации. Они представляют собой замкнутые природные ) геохимические многокомпонентные микросистемы, характеризующиеся определенными термодинамическими параметрами (Т - Р - X) и соответствующим агрегатным состоянием. Установлено чрезвычайное разнообразие этих микросистем. • В табл. 1 приводится составленная Н. П. Ермаковым классификация включений по их составу и агрегатному состоянию. Классификация минералообразующих сред по составу и состоянию геохимических микросистем по Н.П. Ермакову Затвердевшие и остаточно-магматические включения (М) Это частички магматического расплава, захваченного минералом в процессе его кристаллизации из магмы. Включения затвердевшего расплава служат основой для определения температуры, состава и относительной глубины застывания магматического расплава. По агрегатному состоянию затвердевшие включения расплава разделяются на аморфные (силикатных стекол), раскристаллизованные (кристаллически-зернистые агрегаты) (остаточных расплавов и рассолов). и кристаллофлюидные АМОРФНЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ • образуются при кристаллизации минералов из магмы в эффузивных условиях. Капелька расплава, которая захватывается и изолируется минералом, в связи со сравнительно быстрым охлаждением не успевает раскристаллизоваться и затвердевает в виде стекла. Включения магматического стекла встречаются во вкрапленниках эффузивных и гипабиссальных торных пород (рис. 1). РАСКРИСТАЛЛИЗОВАННЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ • включения раскрисгал-лизованного магматического расплава. Они встречаются в минералах интрузивных горных пород. Их агрегатное состояние, морфологические особенности и химический состав отражают условия кристаллизации минералов на значительных глубинах земной коры (рис. 2). КРИСТАЛЛОФЛЮИДНЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ • раскристаллизованного остаточного расплава встречаются в минералах камерных пигментов и представляют собой микросистемы из нескольких микроминералов, газовой фазы и незначительного количества жидкости в интерстициях вакуоли (рис. 3). Пневматолитовые (газовые) включения (Г) • К пневматолитовым включениям относятся такие включения в минералах, в которых газовая фаза занимает больше 50% объема включения. Это порции газообразных, растворов. часто Газовые надкритических, включения газоводные и углекислые. с малой делятся на удельной плотностью существенно-газовые, СУЩЕСТВЕННО-ГАЗОВЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ • при комнатной температуре содержат практически только газ и твердое (кристаллическое и аморфное) вещество или очень незначительные количества жидкой фазы (рис. 4). ГИДРОТЕРМАЛЬНЫЕ (ЖИДКИЕ) ВКЛЮЧЕНИЯ (Ж) • Это включения, представляющие собой микропорции водного раствора, захваченного и законсервированного минералом в процессе его роста. Капельки раствора в момент захвата гомогенны, но позднее, в связи с изменением внешних условий, в нем выделяются твердые вещества с четко выраженной фазовой границей, т. е. включение становится гетерогенным, двух-, трех- и многофазовым. Минералы, образовавшиеся из раствора в замкнутом включении, по терминологии Н. П. Ермакова, носят название «минералов-узников» – Гидротермальные включения подразделяются на три типа (водных истинных растворов, водно-углекислые и коллоидно-водные) и 13 разновидностей. ВКЛЮЧЕНИЯ ВОДНЫХ ИСТИННЫХ РАСТВОРОВ • могут быть однофазовыми, двухфазовыми и многофазовыми. Однофазовые включения состоят только из водного раствора. В двухфазовых наряду с жидкой фазой имеется и газовая. Многофазовые включения состоят из жидкой и газовой фаз, а также различных микроминералов (рис. 5, а, б). ВОДНО-УГЛЕКИСЛЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ • состоят из двух несмешивающихся при комнатной температуре жидкостей (водного раствора и жидкой углекислоты) и газовой фазы. Часто в таких включениях присутствуют микроминералы (рис. 6). КОЛЛОИДНО-ВОДНЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ • содержат жидкость и аморфное твердое вещество (рис. 7). Важным признаком включений является время их образования в процессе кристаллизации минерала. По Н. П. Ермакову, включения по их пространственному размещению в кристалле и времени образования подразделяются на первичные (сингенетические), мнимовторичные (субсингенетические) и вторичные (эпигенетические) (табл. 2). Начинающие исследователи иногда испытывают значительные затруднения при диагностике первичных и вторичных включений. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ВКЛЮЧЕНИЙ МИНЕРАЛООБРАЗУЮЩИХ СРЕД (ПО Н.П. ЕРМАКОВУ) МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОВО-ЖИДКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ МИНЕРАЛАХ • К настоящему времени уже разработаны многочисленные методы, приемы и техника экспериментальноаналитических исследований газово-жидких включений (табл. 3). • Для исследования включений минералы, руды и породы подготавливаются в каждом из методов соответствующим образом. Отбор проб в рудном теле или на месторождении определяется поставленной перед исследователем задачей. Одна и та же проба минерала может быть изучена не только одним методом, но и комплексом их. В этом случае появляется возможность получить более полное представление о характере минералообразующих растворов. • Для визуального наблюдения газово-жидких включений, а также термометрических и криометрических исследований из образца изготавливается пластинка, приполированная с обеих сторон, толщиной от долей до нескольких миллиметров в зависимости от прозрачности исследуемого минерала. Размеры такой пластинки могут колебаться от нескольких квадратных сантиметров до нескольких квадратных миллиметров. • Когда имеются хорошо оформленные кристаллы, кусочки для приготовления пластинок нужно брать с таким расчетом, чтобы были охвачены основание, вершина, средние и центральные части кристалла. При исследовании кристаллов или кристаллических выделений с хорошо развитыми зонами роста материал для пластинки следует брать из каждой зоны кристалла. • Часто приходится исследовать жильные минералы (кварц, флюорит), в которых нет выраженных зон роста и кристаллических форм. Пластинки из таких минералов изготавливаются из разных их генераций или из образцов, взятых в разных точках жилы от зальбанда к зальбанду. • Ниже приводится список минералов, в которых исследовались включения минералообразующих растворов и расплавов: • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • Агвит Агат Адуляр Аквамарин Алмаз Алунит Альбит Анальцим Ангидрит Антимонит Апатит Апофиллит Арфведсонит Барит Берилл Гюбнерит Данбурит Датолит Диопсид Дистен Золото Изумруд Исландский шпат Кальцит Канкринит Касситерит Кварц • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • Киноварь КлапротитНефелин Оливин Олигоклаз Опал Ортоклаз Пираргприт Пирит Пироксен Пироп Пирротин Плагиоклаз Полевой шпат Рисчоррит Родохрозит Рубин Сфалерит Сфен Танталит Топаз Триплит Турмалин Ферберит Флогопит Флюорит Халцедон Халькопирит • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • Хризоберилл Цеолиты Циркон Биотит Борацит Везувиан Галенит Галит Гентгельвин Гипс Гранат Криолит Ксенотим Лабрадор Магнетит Молибденит Монацит Муассанит Мусковит Натролит Сапфир Сера Сидерит Сильвин • • • • • • • • • • • • Силлиманит Скаполит Содалит Сподумен Чкаловит Шеелит Эвдиалит Эвколит Эгирин Энигматит Эпидот Янтарь ТЕРМОМЕТРИЯ • • • • • • • Основы метода Разово-жидкие включения в минералах широко используются для определения температуры минералообразования. Наибольшее распространение получил метод гомогенизации. Впервые гомогенизация включений была выполнена Сорби в 1857 г. Теоретические основы этого метода и техника его выполнения были затем разработаны Е. П. Ермаковым (1950). Им была сконструирована и изготовлена термокамера, позволяющая нагревать препараты с включениями непосредственно на столике микроскопа до температуры 600 - 700° С, что значительно расширило возможности исследования включений в области положительных температур. Метод гомогенизации состоит в том, что для определения температуры минералообразования газово-жидкие включения переводятся путем их нагревания из гетерогенного состояния в гомогенное. При этом температура гомогенизации включения принимается за минимальную температуру его консервации минералом-«хозяином», т. е. за температуру образования минерала или зоны минерала, в которой находится данное включение. Микропорция раствора в момент ее захвата и консервации минералом-«хозяином» представляла собой герметически замкнутую гомогенную систему (включение), имеющую ту же температуру, что и раствор, из которого происходит кристаллизация данного минерала. По законам физической химии после консервации этой микропорции раствора и при охлаждении минерала плотность раствора увеличивается, а его объем уменьшается. В связи с тем что общий объем образовавшейся вакуоли практически не изменяется или это изменение очень незначительно, а объем раствора уменьшается, внутри вакуоли образуется свободное пространство, заполняемое газовой фазой (образуется газовый пузырек). Таким образом, включение становится двухфазовым - гетерогенным. Кинетика захвата микропорции раствора, ее консервация и образование двухфазового включения исследованы экспериментально и сняты на кинопленку (Мельников, Фрат-кин, 1968). Если минерал с включением, имеющим объем газовой фазы менее 50% объема вакуоли, нагреть, то при повышении температуры объем жидкого раствора во включении будет постепенно увеличиваться, а объем газовой фазы - постепенно уменьшаться до того момента, когда весь объем вакуоли будет заполнен только жидкой фазой. Газовый пузырек исчезнет, и включение гомогенизируется в жидкую фазу. Температура, при которой произойдет гомогенизация, будет несколько ниже той температуры, при которой произошла консервация капли раствора, т. е. температуры, при которой шла кристаллизация данной части кристалла. Температура гомогенизации включения принимается за минимальную температуру кристаллизации данной части (зоны) кристалла. Установлено, что в условиях небольших глубин минералы образуются без существенного влияния внешнего давления, так как внешнее давление не превышает упругости пара действующей ми-нералообразующей среды. Разово-жидкие включения минерало-образующих растворов, захваченные и изолированные в условиях невысокого внешнего давления, не будут находиться в сжатом состоянии и будут гомогенизироваться при температуре, близкой к температуре захвата. Однако кристаллизация гипогенных минералов и захват ими капель минералообразующих растворов в большинстве случаев происходят на значительных глубинах, т. е. в условиях больших внешних гидростатических давлений. При захвате и изоляции на значительных глубинах, где внешнее давление превышает давление упругости пара минералообразующей среды, включение будет находиться в сжатом состоянии. Температура гомогенизации такого двухфазового включения будет несколько ниже температуры его захвата в виде гомогенной капельки раствора, в этом случае гомогенизация включения покажет лишь минимальную температуру, и для приближения к истинной температуре необходимо ввести поправку на сжимающее действие внешнего давления. Методы исследований растворов и расплавов в минералах • • Были проведены исследования по гомогенизации жидких включений в искусственных кварцах, полученных из раствора средних концентраций (12 - 15%) и при средних значениях температур и давлений (Т = 316 - 330° С и Р = 23 - 60 МПа). При таких условиях были выявлены температуры гомогенизации включений в кристаллах и их расхождения с истинными температурами. На основании этих опытов к температурам гомогенизации двухфазовых включений составлены эмпирические кривые поправок на давление (рис. 8). Выявленные поправки на истинную температуру имеют только положительный знак и для давления 50 МПа не" превышают 40°. Для высоких значений давлений до 160 МПа и концентраций (до 30%), отвечающих многофазовым жидким включениям (с одной или несколькими твердыми фазами), поправки на давление к температурам гомогенизации эксперимен-тально установлены П. В. Клевцовым. В частности, для давления 50 МПа они составляют 30 - 40°, до 100 МПа - 60 - 85°. Таким образом, введя поправки на давление в полученные температуры гомогенизации, можно существенно приблизиться к определению истинных температур природного процесса минералообразования. При термометрическом анализе газово-жидких включений чрезвычайно важно наблюдение за изменением степени заполнения в процессе их нагревания. Ход гомогенизации включений в процессе нагревания может быть выражен графическим способом. Для построения кривых хода гомогенизации включений с помощью объектмикрометра проводятся точные замеры соотношения фаз во включениях при комнатной температуре и в процессе их нагревания. В зависимости от морфологии вакуолей включений для их измерений применяются три способа: линейный, площадной и объемный. График поправок в температуре гомогенизации для воды и водных растворов при F=0,8 • • • • Линейный способ применяется для измерения узких трубчатых включений. В этом случае измеряются линейные соотношения фаз во включении при комнатной температуре и в про-цессе нагревания препарата через каждые 20° С. Площадной способ измерения применяется в том случае, когда имеются сильно уплощенные включения квадратной, четырехугольной, треугольной или неправильной формы, толщиной которых можно пренебречь. При этом способе измеряется площадь, занимаемая каждой фазой во включении. Объемный способ измерения соотношения фаз во включениях применим лишь в том случае, когда включения имеют хорошо выраженные объемные формы, приближенные к кубу, ромбоэдру, параллелепипеду. График типов гомогенизации включений строится в системе координат. По оси абсцисс откладывается процентное соотношение жидкой и газовой фаз во включении (в правой стороне 100%-ной жидкости, а в левой 100%-ного газа), а по оси ординат - температура. Полученные данные соотношения фаз при комнатной температуре и в процессе нагревания записываютсяв виде таблицы, а затем переносятся на график. Таким образом, получаются эмпирические кривые хода гомогенизации включений с различным заполнением (рис. 9). Н. П. Ермаков выявил и классифицировал типы гомогенизации включений, являющиеся отражением агрегатного состояния минералообразующей среды во время ее захвата и консервации в минерале. Гомогенизация включений в жидкую фазу выделена им в первый тип гомогенизации (см. рис. 9, 1-3). Газовые включения, образовавшиеся в результате захвата частиц газоообразной среды минералообразования, гомогенизируются в газовую фазу (второй тип), и их эмпирические кривые хода гомогенизации на графике по своему виду отличаются от кривых гомогенизации жидких включений (см. рис. 9, 4 - 8). Н. П. Ермаков также выделил три подтипа гомогенизации включений: а) гомогенизация в критическое состояние; б) гомогенизация в газовую фазу с малозаметной точкой перелома; в) гомогенизация в газовую фазу с четко выраженным переломом. Каждый из выделенных подтипов гомогенизации отражает определенное агрегатное состояние минералообразующей среды. График типов гомогенизации включений минералообразующих растворов АППАРАТУРА И ТЕХНИКА ТЕРМОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ • • • • • • • • Для термометрических исследований включений минералообразующих растворов и расплавов необходимы следующие приборы: 1) микроскоп (типа МИН-8, МБИ-6, МБР); 2) лабораторный трансформатор (ЛАТР-1, РНШ, РНО-250); 3) амперметр; 4) микротермокамера; 5) термопара (хромель-алюмелевая, платино-платино-радиевая); 6) милливольтметр (МПШПр). Простая по устройству и удобная в работе микротермокамера Н. П. Ермакова (1950) сразу получила признание и использовалась большинством исследователей в течение продолжительного времени. В дальнейшем принцип воздушного обогрева препарата был применен и при конструировании термокамер других вариантов. Так, Ю. А. Долговым и Л. Ш. Базаровым (1965) была сконструирована термокамера, позволяющая проводить нагревание препаратов до 1200° С. Микротермокамера этого образца в разрезе приведена на рис. 10. Размеры камеры: внешний диаметр 118 мм, общая высота 30 мм. Цилиндрический корпус камеры смотровые отверстия диаметром 26 мм. В корпусе камеры два отверстия, в которые вставлены клеммы (4), к ним крепятся концы выводов обмотки нагревательного элемента и вывода от лабораторного трансформатора. Схема микротермокамеры Рис. 10 • • • • • • • • • Нагревательный элемент термокамеры изготовлен из двух фарфоровых трубок (5, 6). Трубки вставлены друг в друга, диаметр внутренней трубки 26 мм, внешней - 32 мм. По наружной поверхности внутренней трубки (5) намотана спираль из жаропрочной проволоки ЭЙ-19 (7) диаметром 0,8 мм. Концевые части спирали закреплены на трубке кольцами из той же проволоки. Концы спирали через соответствующие прорезы в наружной трубке подведены к клеммам (4) на корпусе камеры. Между отдельными ':' витками спирали с помощью одновременной намотки проволоки ЭЙ-19 и туго скрученного асбестового шнура диаметром 0,6 мм выдерживаются одинаковые расстояния. Намотка асбестового шнура и установка закрепляющих колец обеспечивают полную неподвижность спирали на всех режимах работы термокамеры и создают надежную изоляцию между ее витками. Поверх спирали плотно наматывается еще один ряд асбестового шнура. Вторая трубка надевается на первую. Таким образом, нагревательный элемент представляет собой устройство, которое в случае перегорания спирали легко и в короткий срок может быть снято с термокамеры и отремонтировано. Толщина проволоки гарантирует безотказную работу нагревательных элементов в течение нескольких сотен замеров температур гомогенизации. Для термоизоляции камеры использован ультралегковесный кирпич, имеющий высокую температуру плавления и высокие тер- -мо- и электроизоляционные свойства. Из куска кирпича вырезано кольцо (8) и плотно вставлено в пространство между нагревательными элементами и корпусом камеры. Благодаря применению ультралегковеса поверхность термокамеры нагревается до 60°С лишь после 1,5 ч беспрерывной работы, что обеспечивает полную сохранность деталей микроскопа и удобства работы с камерой. В прежних моделях термокамер корпус нагревался до 250°С и более, что создавало неудобства в работе. Внутри нагревательного элемента установлен круглый каркас (9), изготовленный из проволоки ЭИ-19. Он служит опорой для верхних рабочих элементов камеры. Каркас состоит из двух колец, соединенных тремя проволочными стойками одинаковой длины. В кольцах сделаны разрезы для компенсации температурного расширения при нагревании. Нижнее кольцо опирается на выступающую на 1 мм внутрь трубки часть нижней асбестоцементной крышки. На каркасе устанавливается круглая пластинка (10), точно подогнанная по диаметру фарфоровой трубки, из тугоплавкого кварцевого стекла. Толщина . пластинки 3 мм. В пластинке просверлено отверстие диаметром 2,5 мм, в которое вставляется двухканальная фарфоровая трубка (11) с термопарой (12). На верхней плоскости нижней кварцевой пластинки (10) делается небольшое углубление для размещения спая термопары в 0,5 мм от геометрического центра пластинки. Фарфоровая трубка и спай термопары занимают около 8% всей площади пластинки. Препарат (13) устанавливается на нижнюю кварцевую пластинку. На препарат сверху пинцетом опускается верхняя кварцевая пластинка (14), имеющая толщину 3 мм, на которую двумя пружинами (16) плотно прижимается кольцо из фарфора (15). Пружины укреплены на верхней крышке камеры болтами подобно держателям препарата на микроскопах. В описываемой термокамере для замеров температур использована платино-платино-радиевая термопара (12), позволяющая достаточно точно измерять температуры в широких пределах от 100 до 1600°С. Практически можно использовать любую термопару, обеспечивающую точность замера в интересующем диапазоне температур. Термопара от места спая, располагающегося под препаратом, проходит через отверстие в фарфоровых трубках и выводится наружу. Крепление трубок и термопары видно на рис. 52 и особых пояснений не требует. Свободные концы термопары заключены в прочные хлорвиниловые оболочки, предотвращающие их перегиб и поломку. К этим концам присоединяются провода от электроизмерительного прибора - милливольтметра. Минимальная длина термопары 50 см. Свободные концы термопары имеют комнатную температуру, что исключает возможность появления дополнительной электродвижущей силы в месте присоединения к проводам милливольтметра. Спай термопары изготовлен в виде плоской лопаточки площадью 2 мм2. Градуировка термопары может производиться либо путем сравнения проверяемой термопары с показаниями образцовой отградуированной термопары или термометра, либо по заведомо известным температурам фазовых превращений веществ (градуировка по постоянным точкам). Для температур от 0 до 350°С удобно пользоваться эталонными ртутными термометрами. Термометр и градуируемая термопара помещаются в лабораторную шахтную печь. Проводится несколько замеров при различных температурах и строится градуировочная кривая. Наиболее удобна и надежна градуировка по постоянным точкам. Для большого интервала температур (например, от 20 до 1000°С) можно подобрать четыре-пять образцов веществ с более или менее равномерным распределением температур фазовых превращений. Таким образом, можно достаточно точно провести градуировку установки, имея в своем распоряжении незначительное число веществ (с известными точками плавления), эффекты фазовых превращений которых служат опорными точками. Наиболее употребительные для градуировки вещества: Температура плавления, 0С Na2SO4 x 10H2O + 32,38 Нафталин + 80,1 Свинец + 327,3 KCl + 770,3 NaCl + 800,4 Сульфат натрия + 884,0 Для термометрических исследований препарат (пластинку) с включениями помещают в термокамеру с таким расчетом, чтобы он касался спая термопары. Нагревать рекомендуется медленно, постепенно увеличивая напряжение тока, так как быстрое повышение температуры может вызвать растрескивание препарата. В процессе постепенного нагревания через тубус микроскопа можно наблюдать за всеми изменениями, происходящими с включением. Характерные изменения записываются, а при необходимости фотографируются: фиксируется температура, при которой они произошли. Для большей уверенности в точности полученных результатов нагревание до гомогенизации рекомендуется повторить. Определение температуры минералообразования • • • • • До сих пор нет единодушного мнения о том, соответствует ли температура гомогенизации включения истинной температуре образования минерала. Исследовались факторы, влияющие на температуру гомогенизации. Со времен Сорби считается, что температура гомогенизации является минимальной температурой кристаллизации минерала и для получения так называемой истинной температуры минералообразования необходимо вводить поправки на давление и концентрацию раствора. Для введения таких поправок рядом исследователей сделаны расчеты. С помощью диаграмм РТХ при постоянных Р и Т показано, что физико - химическая интерпретация термометрических измерений по методу гомогенизации жидких включений возможна при условии существования гомогенной среды образования минералов. Е. И. Вульчиным сделан вывод, что термометрический метод гомогенизации для определения истинных температур можно применять только при небольших величинах давления и температуры (не выше критической температуры воды) и для растворов не слишком высокой концентрации. В этом случае поправки на давление и концентрацию будут невелики и ими можно пренебречь. Кроме того, существует мнение, что точное определение температур образования минералов методом гомогенизации жидких включений при нагревании вообще возможно лишь в исключительных случаях. Следует уточнить, что подразумевается под термином «истинная температура минералообразования» и какие требования предъявляются для ее определения. Очевидно, что здесь имеется в виду та действительная температура кристаллизации, при которой происходит образование минерала. Характер научных исследований требует, чтобы эта температура была определена сравнительно точно. Но раз это так, то необходимо выяснить, что же это все-таки в количественном отношении: «истинная температура», или это температурная точка, или температурный интервал? В зависимости от того - «точка» это или «интервал» резко меняются и требования к точности определения и возможности такого определения. Установлено, что кристаллизация любого минерала происходит не при какой-то фиксированной температуре (например, при 230°С), а в определенном температурном интервале. Это значит, что «истинная температура минералообразованпя» не является температурной точкой. Если же считать, что каждый конкретный минерал кристаллизуется в интервале температур «от» и «до», а это действительно так, то задача определения «истинной температуры» приобретает совершенно иной характер. Необходимо определить истинную температуру начала и истинную температуру окончания кристаллизации. Если раньше было достаточно привести порядок цифр для температуры, то в настоящее время представляет интерес режим изменения температуры в процессе кристаллизации, ибо для понимания всех явлений в этом процессе уже мало знать начальную и конечную температуры. Зависимоcть между степенью наполнения (V//V) включений и температурной гомогенизации для воды (1) и 10%-ного раствора NaCl и KCl (2): / V - объем жидкой фазы во включения, %; - V – объем всего включения • • • • • • Рассмотрим влияние концентрации и состава раствора на температуру гомогенизации. Говоря о необходимости введения поправок на концентрацию, исследователи исходили из диаграмм состояния воды и растворов при нагревании. Ингерсон (1968) впервые построил графики зависимости между степенью наполнения и температурной гомогенизации для чистой воды и для 10%-ного раствора КСl, принимая, что кривая для этого раствора отвечает также 10%-ному раствору NаС1 (рис. 11). Им установлено что в системе с чистой водой с 20% газовой фазы гомогенизация наступает при температуре 250°С, а с 10% водного раствора КС1 и NаС1 только при температуре 274°С. С уменьшением степени наполнения расхождение в температуре гомогенизации чистой воды и растворов увеличивается. В 1956 г. Г. 1. Леммлейном и П. В. Клевцовым были проведены детальные исследования по установлению зависимости между степенью наполнения, температурой гомогенизации, составом и концентрацией растворов. Действительно, если нагревать две ампулы одинакового наполнения из которых одна с водой, другая с раствором, то гомогенизация воды наступит раньше, чем гомогенизация раствора. Исходя из приведенных выше расчетов и различных экспериментов, многие исследователи сделали ошибочный вывод о том, что к температуре гомогенизации включений необходима поправка на концентрацию раствора. Расчеты Ингерсона показывают, что свойства чистой воды и водных растворов солей при нагревании различные, но это не значит, что выводы из этих графиков имеют непосредственное отношение к вопросу о соответствии температуры гомогенизации включений истинной температуре минералообразования. Использовать эти данные можно, но необходимо учитывать, что, изучая свойства чистой воды и водных растворов, исследователи брали соотношения в системах газ - жидкость при комнатной температуре, а расчеты изменений этих соотношений делали при повышенных температурах. Экспериментально исследованный нами механизм образования включений в минералах позволяет высказать определенные соображения. Захват микропорции флюида в процессе роста минерала и его консервация внутри кристалла происходят при какой-то всегда определенной и сравнительно высокой температуре, а процесс образования газовой фазы во включении и увеличения плотности законсервированного раствора идет уже в условиях снижения температуры вплоть до комнатной. Если изобразить ход этого процесса на графике, то получится' кривая, берущая свое ^начало в верхней части диаграммы в точке а (см. рис. 53). В этой точке включение как бы автоматически консервирует все свои «паспортные» данные. Изменение плотности раствора в нем пойдет по направлению от а к б. В точке б в закрытой микросистеме установится динамическое равновесие между, фазами. Если нагреть образовавшееся включение выше комнатной температуры, то процесс изменения плотности заключенного раствора пойдет точно в обратном порядке и включение станет гомогенным именно в той точке, при той температуре, при которой произошла консервация этой капли раствора. На диаграмме этот процесс пойдет по направлению от б к а. Процесс восстановления гомогенного состояния законсервированной капли раствора при нагревании включения будет всегда определенным для данного включения. И динамика этого процесса будет соответствовать всем параметрам микросистемы, т. е. для каждого конкретного включения с раствором любой концентрации и любого состава температура гомогенизации при нагревании будет соответствовать температуре консервации этого раствора. Таким образом, всякие самые точные расчеты изменения свойств чистой воды и растворов солей различной концентрации в замкнутых системах при нагревании не могут быть использованы для рассуждения о введении поправок к температурам гомогенизации на концентрацию раствора. Температура гомогенизации газово-жидких включений, определяемая экспериментально при их нагревании, не требует никаких поправок на концентрацию раствора. Более того, расчеты зависимости изменения плотности растворов при нагревании от концентрации как раз свидетельствуют о том, что в каждом конкретном случае, для каждого конкретного включения, определяя температуру гомогенизации включения, мы получаем истинную температуру, соответствующую параметрам раствора - его концентрации и составу. • • • • Для выяснения температурного режима образования зональных кристаллов температура гомогенизации включений измеряется в каждой зоне и наносится на график «температура - время» (рис. 12). На рис. 12, а изображен график изменения температуры в процессе роста зонального кристалла из пегматитового тела камерного типа. Большая часть исследованного кристалла образовалась при относительно высокой температуре, и спад ее при росте центральной части был небольшим. Образование внешних зон кристалла происходило уже при значительном снижении температуры. Выявленное постепенное снижение температуры в процессе кристаллообразования этого образца характеризует относительно спокойное протекание процесса минералообразования в этом пегматитовом теле без нарушения замкнутости системы. Иной вид температурного режима, свидетельствующий о резких изменениях термодинамических параметров в процессе кристаллообразования в другом пегматитовом теле, показан на рис. 12,6. Во время роста зон этого кристалла происходили значительные изменения температуры, причем в начале образования каждой зоны температура была несколько ниже, чем в предыдущей зоне, затем наступало ее повышение и к концу роста зоны - понижение. Кроме построения графиков температурного режима образования отдельных кристаллов температуры гомогенизации можно использовать для выявления температурной зональности рудных тел и месторождений. В образцах минералов, отобранных на разных горизонтах месторождения или из разных точек по простиранию и падению рудного тела, определяется температура гомогенизации включе- нин. Полученные температуры наносятся на вертикальный разрез, или погоризонтный план месторождения, и затем строится схема, температурной зональности рудного тела. Рис. 12 График температур гомогенизации включений в кристаллах кварца из Казахстана: а – пегматитовое тело № 10; б пегматитовое тело № 137; I-VI – зоны роста кристалла • СПОСИБО ЗА ВНИМАНИЕ
