Генетическая минералогия является наиболее сложным объектом исследования в науках о Земле.
Генетическая минералогия выясняет условия, закономерности, процессы, приводящие к образованию минералов и их месторождений. Отсюда объектами исследования генетической минералогии являются как сами минералы, так и минеральные месторождения [1–5].
В настоящей работе мы затронем лишь некоторые вопросы генетической минералогии, представляющие, на наш взгляд, не только фундаментальный, но и практический интерес.
Модель гомогенного зарождения минералов
Здесь мы хотим продемонстрировать одну простую модель, которая дает некоторые физические представления о процессе гомогенного зародышеобразования. В однородной среде с плотностью числа частиц n вероятность W(r) того, что ближайший сосед находится на расстоянии rк от выбранной частицы, нетрудно получить из классической статистической физики, и она равна:
(1)
Вероятность нахождения N частиц в зародыше радиусом rк равна, очевидно,
Вероятность (1) мы определим, с другой стороны, как отношение энергии боровского атома (
, z – заряд, a = const) к полной энергии системы (идеальный газ) 
. Это сделано для того, чтобы качественно оценить, будет ли отличаться критический радиус зародыша rк, например, для различных металлов? Таким образом, мы имеем
(2)
Логарифмируя обе части (2) и проводя несложные преобразования, получим:
(3)
Здесь первый член возникает при подстановке констант, α = 1 – обеспечивает единую размерность величин, T0 – температура плавления, ΔT = T0 – T1 – переохлаждение. Из (3) видно, что первые два члена слева пренебрежимо малы по сравнению с остальными. Это сразу убирает зависимость rк от Z, т.е. от вида атомов кристаллизующегося вещества. Окончательно из (3) имеем:
(4)
Если сделать оценку по средним величинам: rк ~ 1 нм, T0 ~ 1000 (для металлов), ΔT ~ 100, n = NL – числу Лошмидта ~ 3∙1019 см–3, то мы получим для числа частиц в зародыше N ~ 100. Ниже мы приводим данные, взятые из работы [6]. Видно, что наши оценки по формуле (4) качественно с?????????? ???????????????????? ???????. ?????????????, ?????? огласуются с экспериментальными данными. Действительно, радиус rк зародыша практически не зависит от вида атомов металла, среднее число N частиц в зародыше имеет один порядок.
Таблица 1
Параметры кинетики зародышеобразования при кристаллизации переохлажденных металлов [6]
|
Металл |
T0, К |
ΔT, К |
rк, нм |
N |
|
Ртуть |
234 |
90 |
0,8 |
100 |
|
Олово |
505 |
180 |
0,8 |
130 |
|
Висмут |
544 |
200 |
0,8 |
30 |
|
Свинец |
600 |
170 |
1,1 |
180 |
|
Германий |
1210 |
295 |
0,9 |
130 |
|
Серебро |
1234 |
253 |
1,2 |
430 |
Из (4) следует, что в правой части стоят параметры, величину которых не изменишь в широких пределах, т.е.
(5)
Соотношение (5) приближенно выполняется для многих веществ. Оно показывает, что на уровне наномасштабов зарождение минералов не зависит от сорта атома, участвующего в формировании зародыша минерала. Глубокие причины подобных корреляций пока еще не ясны.
Эволюция свойств минералов
Согласно идеям академика Н.П. Юшкина [7], взаимосвязи между минералом и минералогической средой подразделяются на:
а) энергетические, обеспечивающие обмен энергией при структурных преобразованиях индивида;
б) вещественные, связанные с поступлением вещества из среды в минеральный индивид, обеспечивающие его рост, или, наоборот, разрушение индивида и удаление вещества из минерала в среду;
в) информационные – передача особенностей структурной организации вещества и энергии от среды к минералу и обратно.
В работе [8] для магнитной восприимчивости χ минерала нами получено следующее выражение:
(6)
где А – некоторая постоянная для данных условий измерения; N – число магнитных диполей в минерале; G0 – энергия Гиббса минеральной среды.
Из термодинамики известно, что
(7)
где U – внутренняя энергия минеральной среды, отвечающая за энергетическую связь с минералом; Т – температура среды; S – энтропия, отвечающая за информационные взаимодействия; P – давление; V – объем.
Последний член в уравнении (7) отвечает за вещественную связь, поскольку согласно классической термодинамике:
Для электропроводности, коэффициента теплопроводности и т.д. получаются соотношения, аналогичные (6).
Любой район нашей планеты отличается от такового для других районов, что сказывается в различиях G0 и, соответственно, в различных значениях физических свойств минералов. Эволюционные процессы, протекающие в минеральной среде, приводят к эволюции свойств минералов в соответствии с (6).
Природные свойства минералов определяют их технологические свойства [9]. Последние формируются в единой геолого-технологической системе на различных уровнях организации минерального вещества. Они определяют основные факторы извлекаемости (обогатимости) полезного компонента. Изменение минеральной среды в отвалах, хвостохранилищах, скважинах, отработанных карьерах и рудниках приводит к изменению свойств минералов и возможному изменению экологической обстановки (особенно для урановых и ряда других рудников) в регионе.
Моделирование эволюции свойств минералов при изменении свойств минеральной среды представляет собой важную задачу современного экологического мониторинга.
«Врожденные» свойства минералов
Количественные изменения могут приводить к изменению одних качеств, в то время как другие могут оставаться неизменными. Качества претерпевают изменения не одновременно, причем одни чаще, другие реже, а третьи сохраняются на протяжении периода существования объекта. Последнее качество объекта определяется его врожденной способностью. Как отмечал Аристотель: «Каждое из них называется таким не потому, что кто-то находится в каком-то состоянии, а потому, что оно имеет врожденную способность или неспособность легко что-то делать или ничего не претерпевать» [10].
В работах [11, 12] в рамках неравновесной термодинамики была получена формула для функции Ф отклика произвольной системы на внешнее воздействие. Разлагая экспоненту в знаменателе Ф (см. [11, 12]) в ряд и пренебрегая малыми членами, в линейном приближении нетрудно получить, полагая Ф = Э – относительной величине физического свойства минерала (например, Ф = χ/χ0):
(8)
В начальный момент образования минерала – W = ε, так что
(9)
Полученное выражение и есть врожденное свойство минерала.
Если сопоставить выражения (6) и (9), то видно, что врожденное свойство минерала определяется свойствами минеральной среды в момент его зарождения (через G0). Например, руды большинства месторождений золота и серебра Казахстана (около 65 %) имеют значительную твердость, 70 % их представлены кварцем, около 25 % – полевым шпатом. Коэффициент крепости горной массы колеблется в пределах 13–17 по шкале Протодьяконова. Ценный компонент – серебро и золото – представлен в виде электрума и имеет тонкую вкрапленность. Эти особенности минеральной среды обуславливают отличия в свойствах золотосодержащих минералов и высокие требования к работе цикла дробления руды.
В табл. 2 представлены данные по энергии Гиббса золотосодержащих минералов [13]. Здесь, не делая большой ошибки, принято 
.
Таблица 2
Энергия Гиббса основных золотосодержащих минералов
|
Минерал |
–DG0 кДж/моль |
Минерал |
–DG0 кДж/моль |
|
галенит |
3132 |
халькопирит |
178490 |
|
арсенопирит |
109500 |
сфалерит |
203570 |
|
висмутин |
152900 |
гематит |
741700 |
|
пирит |
162000 |
кварц |
855690 |
Действительно, в соответствии с формулой (6), эффективность дробления (которая также ~ 1/G0) золото-кварц-сульфидных руд значительно ниже, чем перечисленных выше. В связи с этим большинство месторождений упорных руд Казахстана пока не разрабатываются.
Используя (6) и (9), можно экспериментально определять врожденное физическое свойство минерала. Например, измеряя χ/χ0 как функцию температуры, можно определить врожденное магнитное свойство минерала. Таким же образом можно определять и врожденные электрические, тепловые и другие свойства минералов.
Заключение
Анализ эволюционных изменений минеральной системы с учетом присущей ей врожденной способности позволяет сформулировать следующие основные положения концепции эволюционности развития минералов.
– минерал обладает способностями саморазвития, самоорганизации и адаптации, сообразующимися с определенными свойствами минералогической среды;
– потеря минералом врожденной способности чревата его разрушением;
предпочтительной формой развития минеральной системы является такая, при которой качество врожденной способности системы не меняется, но может меняться количество. В этом случае минеральная система развивается эволюционно.
Рецензенты:
Ходжаев Р.Р., д.т.н., профессор, директор «Научно-инженерный центра «ГЕОМАРК»,
г. Караганда;
Емелин П.В., д.т.н., профессор, начальник отдела предупреждения ЧС и управления рисками, КазНИИ по безопасности работ в горной промышленности, г. Караганда.
Работа поступила в редакцию 09.02.2012