Л. И. Шабалин основы молекулярно-кинетической концепции рудо и магмообразования

ВВЕДЕНИЕ

В геологических науках рудо- и магмообразование является одним из основных изучаемых процессов, потому что руды явля­ются для человечества главнейшими полезными ископаемыми, а магматические интрузии участвуют в формировании дифференци­рованной земной коры и способствуют зарождению значительной части месторождений полезных ископаемых. Современную науку о рудо- и магмообразовании можно назвать феноменологической (от греческого phainomenon – явление) или термодинамической, так как поведение и свойства веществ она описывает с помощью тер­модинамических параметров (температура, давление, состав, объем, время), определяемых экс­периментально. По существу, при изучении процессов обмена ве­ществ феноменологическая концепция игнорирует молекулярную стру­ктуру веществ, рассмат­ривая химические компоненты как взаимопроникающие непрерыв­ные континуумы. Элементы молекулярно-кинетического подхода присутствуют только в минералогии при изучении роста граней от­дельных кристаллов или анализе кристаллографической структуры минералов в целом.

Возникает вопрос: если термодинамические методы исследо­ва­ний в геологических науках за более чем столетний период их применения показали себя вполне удовлетворительно при реше­нии многих вопросов рудо- и магмообразования, то стоит ли пере­ходить на молекулярно-кинетический уровень исследования веще­ства гор­ных пород земной коры, т. е. тот уровень, который показан в учебниках молекулярной физики?

Для ответа на этот вопрос сначала необходимо представить себе, чем отличается термодинамический уровень исследования ве­ществ от молекулярно-кинетического. Например, с точки зрения термодинамики,  температура – это величина изменения объема веществ при нагревании или охлаждении, измеряемая жидкост­ными или другого вида термометрами по градуированной шкале в градусах. С точки зрения молекулярной ки­нетики, температура – это средняя кинетическая энергия поступа­тельного движения мо­лекул, и она измеряется в единицах энергии – джоулях. Для ее пе­ревода в градусы Кельвина существует конс­танта «к» – постоян­ная Больцмана. Молекулярно-кинетический уро­вень изучения ве­ществ предполагает изучение скорости движения молекул, их массы, характера соударения друг с другом и со стен­ками вме­щающих сосудов, изучение поведения молекул в поверхност­ном слое веществ и т. д. Иными словами, это принципиально новый объект для исследования и от механизмов движения молекул за­висят термодинамические особенности поведе­ния веществ.

Но именно молекулярно-кинетические особенности движения веществ, особенно в геологических науках, изучены наиболее слабо. Среди имеющихся неясных вопросов наиболее существен­ными, по моему мнению, являются два: неясность в объяснении молекулярно-кинетического механизма формирования поверхно­стного натяжения жидкостей, в первую очередь воды, и в объясне­нии Вант-Гоффом механизма действия открытого им закона о ра­венстве газового и осмотического давлений, проявляющегося в виде осмоса.

На первый взгляд кажется, что эти вопросы не имеют никакого отношения к теории рудо- и магмообразования. Но следует обра­тить внимание на то, что поверхностное натяжение воды и осмос действуют в тонкой поверхностной пленке воды. Эта пленка в зем­ной коре непосредственно контактирует с минералами горных по­род. Разные исследователи называют ее связанной, аномальной, структурной, нарушенной, адсорбированной, упорядоченной, диффузным слоем воды. На ее долю приходится существенная часть всей присутствующей в земной коре воды. Микропоры при метасоматических процессах имеют диаметр, сопоставимый с толщиной этой пленки. По­этому в ее пределах осуществляются растворение вещества, образо­вание новых минералов и перенос компонентов вдоль микропор. По существу, это та среда, где про­исходят все химические реакции и обмен веществ при формиро­вании минералов в земной коре. Роль этой среды в геологических процессах изучена слабо. В подавляющем большинстве работ по теории рудо- и магмообразования о ней как специфической среде даже и не упоминается.

Поэтому появление новых идей в объяснении механизма формиро­вания поверхностной пленки воды должно привести к но­вым идеям в формировании руд и магматических пород. На осно­вании анализа вышеотмеченных неясных вопросов в молекулярно-кинетической теории газов и жидкостей, нерешенных проблем в теории метасоматоза, в первую очередь причины поддержания постоянной проницаемости пород в течение всего хода метасома­тического процесса, а также на основе дополнительных экспери­ментальных работ мной разрабо­тана идея существования дейст­вующей в поверхностном слое жид­кости неизвестной науке фун­даментальной силы, которую я назвал молекулярно-кинетической силой разуплотнения поверхностного слоя воды, по начальным буквам ключевых слов – СРПС. Эта сила создает в микропорах горных пород эффект, названный мной микропородиффузионный каталитический эффект (МДК-эффект), который способствует ус­корению химических реакций и ускоренному диффузионному пе­ремещению с силой осмотического давления растворенных ве­ществ из узких микропор в более широкие трещинные пустоты, где они осаждаются в виде рудных месторождений или участвуют в зарождении магматических пород. Рудо- и магмообразование осу­ществляется в результате действия механизма, названного мной механизмом диффузионного флюидозамещения при участии МДК-эффекта и коллоидных или полимеризованных растворов.

Сила разуплотнения поверхностного слоя воды участвует также в создании осмоса, гетерогенного катализа, во многих явле­ниях гидрогеологии, биологии, инженерной геологии, геодинамики зем­ных недр, геокриологии, нефтяной геологии. Она действует не только в воде, но и в твердых и газообразных веществах, являясь, по существу, пятым родом фундаментальных сил после гравита­ционных, электромагнитных, ядерных, и механических. Эта сила создает микропоры и поддерживает их открытыми в процессе об­мена веществ в живой и неживой природе, т. е. как в горных поро­дах земной коры, так и в биологических клетках растений и живых организмов. Поэтому СРПС является одним из первых и основных положений, на котором базируется молекулярно-кинетическая кон­цепция рудо- и магмообразования.

Вторым положением этой концепции является контактно-со­ударительный закон:

Все многообразие природных объектов материального мира создается в результате соударения составляющих их час­тей и способности этих частей соединяться по определен­ному морфогенетическому коду.

Третьим положением молекулярно-кинетической концепции является принцип устойчивости-энергоподвижности:

Этот принцип дополняет контактно-соударительный закон в том, что для формирования объекта кроме морфогенетического кода и соударений необходима еще и достаточная для его форми­рования энергия привноса вещества, требующаяся для строитель­ства этого объекта.

Процесс этого строительства можно сопоставить со строи­тельством избы. Для этого необходимы, во-первых, материалы – бревна, доски с определенной системой пазов (морфогенетиче­ских кодов), чтобы они могли подходить друг к другу, составляя прочную конст­рукцию; во-вторых, определенная подвижность этой системы бревен и досок (соударение – контакт), чтобы была воз­можность подогнать их плотно друг к другу в соответствии с систе­мой пазов; в-тре­тьих, достаточная скорость (V) и количество (m) подвоза строи­тельных материалов к участку строительства, опре­деляемых как ки­нетическая энергия движения материалов . Энергия подвоза материалов должна быть такая, чтобы дом был построен в оптимальное время, по крайней мере не позднее, чем его сруб сгниет от долгостроя или его место не займет другой дом, сделан­ный более энергичными строителями.

Разработка этих двух положений была связана с тем, что мне хотелось выразить самые общие, простые и понятные закономер­нос­ти, которым подчиняется самоорганизация природы вокруг нас. Они не требуют доказательства, являясь аксиомами, так как вполне просты и понятны из нашего жизненного опыта. Но обратив внимание на них, ученый уже начинает смотреть на самооргани­зацию природы, в том числе и геологической, под определенным углом зрения. Из этих положений следует, что изучение процессов в природе необходимо начинать с закономерностей движения ее элементарных «кирпичиков» – атомов и молекул или даже с ядер­ных частиц. Но если последние являются объектом изучения ядерной физики, которой в геологии не касаются, то атомно-моле­кулярный уровень исследова­ния веществ вполне по силам геоло­гическим наукам. С него и необходимо начинать изучение за­коно­мерностей обмена веществ в про­цессе рудо- и магмообразо­вания. Обращение к этим закономер­ностям привело меня к разра­ботке идеи о существовании силы разуплот­нения поверхностного слоя воды и далее к выявлению новых меха­низмов рудо- и магмо­обра­зования.

Четвертым положением молекулярно-кинетической концепции является автометасоматически-мобилизационная модель магма­тогенного рудообразования. Строго говоря, она относится к раз­ряду феноменологических явлений; ее основы разрабатывались мной в процессе многолетних геологических полевых и камераль­ных исследований. Но при ее окончательном оформлении я испо­льзовал представления о молекулярно-кинетической силе разуп­лот­нения поверхностного слоя воды, о принципе устойчивости-энерго­подвижности. Поэтому она входит как составная часть в мо­лекулярно-кинетическую концепцию рудо- и магмообразования.

Особенностью концепции является то, что она позволяет объяс­нить образование руд и магматических пород на основе фи­зико-хи­мических и молекулярно-кинетических свойств горных по­род и флюи­дов (растворов и расплавов) литосферы без привлече­ния для объя­снения этого трансмагматических или интрателлури­ческих флюидов, идущих из мантии или земного ядра, хотя и не отрицает возможность их действия как одного из дополняющих или в некоторых случаях инициирующих факторов.

В целом данная работа посвящена характеристике этих ос­новных положений и анализу на их основе главнейших геологиче­ских про­цессов, в первую очередь рудо- и магмообразования, а также ме­ханизмов дифференциации земной коры в целом.

Автор выражает благодарность всем, кто содействовал подго­товке этой книги: докторам геол.-минерал. наук В. И. Бгатову, С. С. Дол­гушину, Г. П. Зарайскому, В. Т. Покалову, В. Л. Русинову, А. И. Летувнинкасу, М. П. Мазурову, С. Л. Шварцеву, Г. Н. Черка­сову; академику РАН А. А. Маракушеву, член-корр. РАН Б. А. Соколову, доктору физ.-мат. наук Ю. Н. Григорьеву; докторам хим. наук К. Г. Ионэ, С. Ф. Тимашеву, Ю. И. Дытнерскому; кандида­там геол.-минерал. наук А. Б. Шепелю, Э. Г. Кассандрову, И. А. Зотову, П. А. Балыкину; кандидатам физ.-мат. наук И. Ф. Го­лов­неву, Д. К. Еф­ремову; геологам В. Г. Спирину, И. М. Рубинову, А. М. Мо­локоедову, Л. Е. Саленкову, А. П. Долгушину за обсуждение от­дельных разделов книги, крити­ческие замечания и полезные со­веты; руководству ФГУП «Бере­зовгеология» за содействие в фи­нансовом обеспечении работы по этой проблеме; В. Ф. Батурину, А. Г. Полевееву, В. Г. Полевееву, А. И. Лобасу, В. Г. Котову, В. М. Зыряно­вой, Т. М. Симоновой за помощь в сборе и подготовке геологического каменного ма­териала для исследований; сотрудникам ГПНТБ СО РАН за создание пре­красных условий для работы с научной лите­ратурой; моей жене Нине за всестороннюю помощь и поддержку в процессе работы.