WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


1 Электронный научно-информационный журнал «Вестник Отделения наук о Земле РАН» №1(21)2003 URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2003/informbul-1/mineral-16.pdf К ПРОБЛЕМЕ УЧЕТА ДИФФУЗИИ ПРИ ПЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ Макаров В.П. (МГГРУ) litolog@msgpa.msgpa.ru; тел.: (095) 433- 56- 44 (доб. 11- 78) 1. Влияние диффузии (ДФ) на процессы минералообразования (МО) изучено весьма слабо.

Отдельные вопросы применения ДФ поднимались в гидрогеологии, геохимии изотопов и пр.

Более- менее широко они применяются в геохронологии с целью изучения процессов миграции радиогенных изотопов и выяснения механизма формирования дискордантности и времени проявления наложенных процессов. При изучении условий образования рудных и силикатных систем использование представлений о ДФ носило характер гипотетических рассуждений. Основной объем работ в этой области содержал только экспериментальные определения параметров диффузии либо в расплавах, либо в твердых телах при различных температурах Т и давлениях Р, преимущественно в полевых шпатах, нефелине, диопсиде, биотите, мусковите, кварце либо в породах. При решении обратных задач (анализе условий МО) роль ДФ не совсем понятна. Одна из проблем - твердофазные переходы (ТФП) и ДФ, как форма выявления точек этих переходов.

Применительно к природным процессам этих вопросов касались B.Daansgaard, M.K. Stewart, J. Hoefs, W.F. Giggenbach, O. Mutsubaya, H. Sakai и др. A.A. Verbeck et al использовал эти представления при описании миграции изотопов 39К и 41К в зоне контактового метаморфизма, применив понятие о теоретической тарелке. Из соотечественников этой проблемы касались А.М.

Зякун, А.Д. Бондарь для описания условий фракционирования изотопов С при миграции СО2 и СН4. Они применили понятия о стационарной и нестационарной диффузиях. Однако, четких критериев для их выделения не предложено, так же как не предлагались вообще способы определения самого факта проявления диффузии. Более общим является представление о теоретической тарелке, широко развитое в сфере промышленного разделения изотопов (М. Шемля, 1980). Под теоретической тарелкой понимается расстояние, при прохождении которого произойдет разделение частиц согласно отношению теоретических коэффициентов диффузии.

Опыт применения представлений о ДФ при решении обратных задач в геологии выявил следующее:

а. Отсутствие концептуальных представлений о том, для чего нужны исследования ДФ;

б. Не ясна связь диффузионных параметров (ДФП) с термодинамическими параметрами образования минералов, особенно в области ТФП.

в. Слабая сходимость определений ДФП, выполненных разными авторами для одних и тех же условий.

г. При наличии многочисленных определений и единичных ДФП, а также уравнений Аррениуса D= Do exp(-E/RT) (E- энергия активации диффузии) нет анализа уравнения компенсации lnDo= aE + A и сущности точки кроссовера D* и T*. При решении обратных задач геологии проблема механизма протекания ДФ роли не играет.

2.Обобщение представлений о ДФ позволяет построить схему использования ДФ при исследованиях. Исходными являются частные определения параметров Di при Ti.

И З О Т Е Р М И Ч Е С К И Е У С Л О В И Я диффузионное разделение N- число теоретических Коэффициент диффутарелок или глубина дифзионного разделения dN фузионного разделения d = D/DT=MT/M (Закон Грэхэма) Di, Ti О Б Л А С Т Ь П Е Р Е М Е Н Н Ы Х Т Е М П Е Р А Т У Р Компенсационное Свойства матрицы () Уравнение уравнение.

Аррениуса D*, T*, E* (точки Do, E Свойства диффунданта () кроссовера) Дальнейшее обобщение возможно в двух направлениях (см. схему):

А. Перемещение двух частиц в изотермических условиях ведет к их диффузионному разделению, описываемому параметром d = D/DT=(MT/M) (D- коэффициенты ДФ; M- молекулярные веса для газов). Как обобщение- представления о теоретической тарелке (М. Шемля и др.,1980). Общее разделение описывается равенством = dN, где величина N - число теоретических тарелок, которое в природных процессах характеризует глубину диффузионного разделения элементов [1]. Эти факторы использованы при изучении распределения изотопов (18О, 13С и D) в кальците, биотите, мусковите и роговой обманке. В результате установлено влияние ДФ на изотопный состав минералов в широком интервале Т. При формировании карбонатов (скарнов, мраморов, немагматических карбонатитов) величина n изменяется в пределах 13 0,03- 3,0 для HDO, CH4, CO2 и С18О2. Полностью отсутствует диффузия в магматических карбонатитах. На практике это явление учитывается при определении Тобр по изотопным данным [2]. В гидроксилсодержащих силикатах основным диффундантом является молекула HDO:

в мусковитах аплитов, сланцев и гранито- гнейсов n= 0-1,0; в биотитах аляскитов, гранодиоритов, сланцах, гнейсах- 0-0,65; в роговых обманках гранодиоритов n=1,5.

Б. Изучение ДФ при переменных Т. Первый шаг здесь построение диффузионных прямых, описываемых уравнением Аррениуса для конкретного интервала температур. Физический смысл Do не ясен, но известна зависимость Do и E от структуры минерала- матрицы, что позволяет уверенно оценивать Т ТФП. Величину Do часто связывают с внутренним строением кристаллической решетки; так по Верту- Зинеру- Ле Клеру Do = Va, (a- постоянная решетки, - частота колебаний атома – метки около его положения равновесия, V- геометрический фактор).

По Динесу (1950) Do= k2exp(E /RTпл) (k= const, - дебаевская частота, - межатомное расстояние; Тпл- температура плавления). Крайние пределы изменения Do пытался оценить В.М. Катлинский (1984).

3. Дальнейшее обобщение ДФП - компенсационные уравнения (КУ) lnDo= aE+А, с переменными Do и E. КУ возникают при само-, гетеро- и взаимодиффузии. С КУ связано понятие о точке кроссовера - точке с координатами D* и T* пересечения нескольких прямых диффузии.

Это наименее изученная область ДФ, хотя попытки анализа проводились Н.Д. Сорокиным (1992), который связывал КУ с механизмом протекания ДФ. Он ошибочно также отделял точку кроссовера от КУ, хотя между ними имеется функциональная связь (К. Крон, Т. Крон, 1978;

В.П. Макаров, 2000): параметры КУ – функции координат D* и T* (A= lnD*, a= -1/RT*). Если E= E*= RT*, то D= D*.

4.Исследования показали, что в простых системах (легированные сплавы Fe, W, Mo, Nb и др.) КУ отсутствует. КУ устанавливается в сложных системах- стекла, минералы, породы. В изучении КУ возможны два принципиально отличных пути. Первый - изучение поведения одного и того же элемента в различных матрицах, например, в стеклах переменного состава.

Здесь, таким образом, изучаются некоторые () свойства самого элемента.

Во втором случае - поведение разных диффундантов в одной и той же матрице. В этом случае изучаются уже свойства () самой матрицы. Положение прямых, в первую очередь, определяется валентностью элемента, а элементов на прямых - составом стекол.. При наличии меток- ионов Y+1 прямые совпадают. В искусственных стеклах, если У= Na, то катионы образуют последовательность: Na< Li< K< Rb< Cs; Y=K: K< Rb< Na< Cs; Y=Cs: Cs< Rb< Na; Y=Rb: Rb< K< Cs< Na. Здесь минимальной энергией E обладают элементы самой матрицы. Далее элементы располагаются по возрастанию атомного веса или ионного радиуса. Для меток- ионов Y+прямые уже разделяются. Сложные взаимоотношения между метками характерны для матриц – природных минералов. В последних либо Т* > Tпл (в расплавах), либо Т* << Tпл в (кристаллах):

альбит (Al) Т*= 421 (Тобр= 440оС), флогопит – 483 (Mu- 490), калишпат- 507 (570), сфалерит – 624оС, приближаясь к Тобр их в природных условиях. C этими Т* связаны значения lgD* соответственно: -15.10; -16.79; -14.36 и –12.04, близкие значениям D воды в расплаве Al при Т= 1100- 1400оС (Хитаров и др, 1975).

Литература 1. Макаров В.П. Способ определения глубины диффузионного фракционирования изотопов элементов природных соединений. Авт. свид. №1260906 от 09.01.1985.// Бюлл. изобр. откр., 1986, №36, С. 197.

2. Макаров В.П. Способ определения температуры образования природных соединений. Авт.

свид. №1312504 от 09.01.1985 г.// Бюлл. изобр. откр., 1988, №19, С.192.

Вестник Отделения наук о Земле РАН - №1(21)Информационный бюллетень Ежегодного семинара по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии 2003 года (ЕСЭМПГ-2003) URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2003/informbul-1/mineral-16.pdf Опубликовано 15 июля 2003 г.

© Отделение наук о Земле РАН, 1997 (год основания), При полном или частичном использовании материалов публикаций журнала, ссылка на "Вестник Отделения наук о Земле РАН" обязательна











© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.