Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

некоторые вопросы генетической минералогии

Портнов В.С. 1 Юров В.М. 2 Турсунбаева А.К. 1 Тен Т.Л. 1 Султанбекова Э.Б. 1 Лайысов Н.Г. 1
1 Карагандинский государственный технический университет, Караганда
2 Карагандинский государственный университет им. Е.А. Букетова
Рассмотрены вопросы самопроизвольного образования минералов. Предложена модель, которая дает физические представления о процессе гомогенного зародышеобразования. В рамках предложенной модели получено, что радиус зародыша практически не зависит от вида атомов минерала. Эволюционные процессы, протекающие в минеральной среде, приводят к эволюции свойств минералов. Получено выражение, определяющее врожденное свойство минерала, которое определяется свойствами минеральной среды в момент его зарождения. 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.
минерал
эволюция
врожденная способность
1. Барабанов В.Ф. Генетическая минералогия. – Л.: Недра. 1977. – 326 с.
2. Григорьев Д.П., Жабин А.Г. Онтогения минералов. Индивиды. – М.: Наука, 1979. – 337 с.
3. Бушмакин А.Ф. Унаследованное строение кристаллов пирита из пород с углеродистым веществом. Проблемы онтогении минералов. – Л.: Наука. 1980. – С. 73–82.
4. Булах А.Г. Общая минералогия. – СПб.: Изд-во СПб университета. 1999. – 356 с.
5. Суставов О.А. Генетическая минералогия: учебное пособие. – Екатеринбург: Изд-во УГГА, 2002. – 40 с.
6. Скрипов В.П., Коверда В.П. Проблемы кристаллографии: К столетию со дня рождения академика А.В. Шубникова. – М.: Наука, 1987. – С. 232–246.
7. Юшкин Н.П. Теория и методы минералогии. – Л.: Наука, 1977. – 291 с.
8. Портнов В.С., Юров В.М. Связь магнитной восприимчивости магнетитовых руд с термодинамическими параметрами и содержанием железа // Известия вузов. Горный журнал. – 2004. – № 6. – С. 122–127.
9. Изоитко В.М. Технологическая минералогия и оценка руд. – СПб.: Наука, 1997. – 582 с.
10. Дьяченко А.В. Основания теории трансформационной экономики. – Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2001. – 120 с.
11. Портнов В.С. Термодинамический подход к задачам геофизического опробования железорудных месторождений. – Караганда: КГТУ, 2003. – 212 с.
12. Яворский В.В., Юров В.М. Прикладные задачи термодинамического анализа неравновесных систем. – М.: Энергоатомиздат, 2008. – 338 с.
13. Буллах А.Г., Буллах К.Г. Физико-химические свойства минералов и компонентов гидротермальных раст-
воров. – Л.: Недра, 1978. – 167 с.

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)

где e – параметр модели; W – характеризует «ресурсы» физического свойства минерала.

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


Библиографическая ссылка

Портнов В.С., Юров В.М., Турсунбаева А.К., Тен Т.Л., Султанбекова Э.Б., Лайысов Н.Г. некоторые вопросы генетической минералогии // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 11-1. – С. 75-78;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=30449 (дата обращения: 05.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074