Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНО КИНЕТИЧЕСКОЙ КОНЦЕПЦИИ РУДО  И МАГМООБРАЗОВАНИЯ

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНО КИНЕТИЧЕСКОЙ КОНЦЕПЦИИ РУДО  И МАГМООБРАЗОВАНИЯ

1.1. Молекулярно-кинетическая сипа разуплотнения поверхностного слоя воды – СРПС

Поскольку важнейшее значение в природе, и в первую оче­редь в геологических процессах, имеет действие этой силы в воде, в данной книге речь идет только об СРПС воды.

Сущность СРПС воды, сформулированная в виде заявки на откры­тие, следующая:

Установлено неизвестное ранее явление молекулярно-ки­нетического разуплотнения поверхностного слоя воды как новый вид фундаментальной силы природы, заключающийся в том, что в период растекания воды в новообразующиеся участки ее по­верхностного слоя подходят глубинные слои воды, которые здесь разуплотняются с силой, равной силе температурного расширения для воды в целом (темпера­турная составляющая) и с силой осмотического давления для растворенных в воде веществ (осмотическая состав­ляющая).

1.1.1. Механизм возникновения и действия температурной составляющей СРПС воды (Т-СРПС)

Рис. 1. Схема механизма силы разуплотнения поверхностного слоя воды в открытом сосуде (пунктир – граница поверхност­ного слоя, стрелки – направле­ние движения и длина активиро­ванных скачков молекул воды)

Если вообразить себе мгновенное появление на границе по­верхностного слоя воды с воздухом параллельной ему твердой плоскости, то на самой внешней границе этого слоя об эту поверх­ность будут ударяться в основном молекулы, испаряющиеся с по­верхности, и наиболее высокоэнергичные молекулы, но возвра­щающиеся назад и уже находящиеся на излете своего скачка. Их количество будет относительно небольшое, и они своими ударами о плоскость создадут небольшое давление на нее. Чем ближе плоскость будет располагаться к границе воды, тем большее коли­чество молекул будет ударяться в нее со все большими скоро­стями движения в направлении от поверхности воды. Они будут создавать все большее давление на плоскость. Но по­скольку, как известно из физики, сила действия равна силе проти­водействия, плоскость будет создавать давление на массу моле­кул жидкости, заставляя их отодвигаться от нее, и этим поддержи­вать разуплот­ненное состояние жидкости в поверхностном слое.

В случае если твердая плоскость (стенка сосуда) приблизится вплотную к поверхности воды, молекулы, совершая скачки в на­правлении к ней, будут отскакивать от нее и затем направляться обратно, не израсходовав еще энергию скачка; тем самым они создают давление на всю массу жидкости, заставляя ее отодви­гаться от плоскости. Сила такого давления, создаваемого каждой молекулой, максимальна вблизи плоскости, где начальная ско­рость ее движения после отскока является наибольшей, и посте­пенно уменьшается по мере удаления молекул от плоскости. По­этому в поверхностном слое должно сохраняться разуплотненное состояние молекул, подобное тому, которое существовало на гра­нице жидкости с газом, т. е. постепенно, но на коротком расстоя­нии увеличивающееся по направлению от жидкости к плоскости.

Механизм возникновения разуплотнения даже можно пред­ставить с некоторыми элементами количественной оценки. Напри­мер, если молекула находится на расстоянии длины одного скачка от стенки сосуда, равновероятно она может сделать скачок от стенки или к ней. На пути этого скачка она в первом случае оттолк­нет в направлении от стенки, к примеру, условно 100 молекул, а во втором толкнет к стенке соответственно также 100. Значит, здесь будет равный баланс, и скачки не окажут никакого влияния на плотность поверхностного слоя жидкости, потому что сила скачков, стремящаяся как уплотнить, так и разуплотнить этот слой, направ­лена на одинаковое количество молекул в противоположные сто­роны.

Если молекула располагается ближе к стенке, например на половине длины скачка, то она способна при скачке от стенки от­толкнуть также 100 молекул, а при скачке к стенке на первой поло­вине пути она толкнет к стенке 50 молекул, а после отскока от­толкнет от нее в обратном направлении еще 50. Итак, уже 50 + 100 = 150 молекул могут отталкиваться, т. е. стремиться уда­литься от стенки, а 50 молекул – прижиматься к ней. Следова­тельно, на этом участке будет создаваться разуплотненное со­стояние молекул с учетом также и ускоренного ухода от стенки са­мой скачущей молекулы. Если молекула находится вплотную к стенке, то практически любой ее скачок приведет к отталкиванию всех молекул от стенки и удалению ее самой. Это приведет к уменьшению количества молекул у стенки и соответствующему разуплотнению поверхностного слоя за счет силы их скачков.

На этом примере видно, что в поддержании разуплотненного состояния поверхностного слоя задействована большая сила, соз­даваемая суммой скачков наиболее высокоэнергичных молекул и их ударов о твердую плоскость. Эта сила противодействует лю­бому уменьшению толщины поверхностного разуплотненного слоя. На создание этой силы расходуется часть внутренней энергии ки­нетического движения молекул, а именно энергия, затрачиваемая на совершение скачков.

Практически такими твердыми плоскостями являются стенки сосудов, а также стенки микропор трещин в горных породах зем­ной коры.

Сила давления, создаваемая молекулами при их разуплотне­нии в поверхностном слое, равна силе температурного расшире­ния жидкости, так как в процессе разуплотнения участвуют те же самые высокоэнергичные молекулы, которые создают расширение жидкости при увеличении ее температуры. Чем выше температура жидкости, тем больше количество наиболее энергично двигаю­щихся молекул и тем чаще они совершают скачки, т. е. «про­стрелы» в жидкости, расталкивая встречающиеся на их пути моле­кулы и образуя на короткое время дырки позади себя, создавая таким образом тепловое расширение жидкости. Эти же молекулы с такой же силой создают разуплотнение поверхностного слоя. Зна­чит, можно сказать, что если в глубине жидкости высокоэнергич­ные молекулы, хаотически двигаясь, создают разуплотнение по всей массе жидкости равномерно, то в поверхностном слое эти же молекулы за счет ориентированного их движения от твердой по­верхности стенок создают разуплотнение, сконцентрированное в поверхностном слое.

Можно образно представить себе, что поверхностный слой есть арена соревнования наиболее энергичных молекул в длине и силе скачков.

Далее возникает логически закономерный вопрос: когда и как проявляется в природе это разуплотнение поверхностного слоя воды? Ответ очень прост. Когда жидкость растекается вдоль ка­кой-либо твердой поверхности на границе с газовой средой, по­верхностный слой увеличивается по площади, и чтобы дорастить его, к нему подходят из глубины плотные слои, которые на границе мгновенно разуплотняются с силой температурного расширения, создавая давление по обе стороны границы раздела фаз. По­скольку газовая фаза способна легко сжиматься, это разуплотне­ние и расширение передается ей и гаснет в ее массе, практически не влияя на какие-либо природные процессы.

Совсем другое дело, когда вода растекается в твердых мик­ропористых и микротрещинных средах. При этом вода, проникая в глубь микротрещины или микропоры, касается ее стенок, мгно­венно разуплотняется, увеличиваясь в объеме, с большой силой температурного расширения раздвигает эти стенки, увеличивая диаметр трещин. Но это увеличение ведет к проникновению воды еще далее в глубь трещины, в ее острие, где она опять разуплот­няется и опять раздвигает трещину. Таким образом создается са­моорганизующаяся система по увеличению трещиноватости гор­ных пород, набуханию глинистых пород, сухих семян растений, древесины и т. д.

Эти простые рассуждения лежат в основе открытия нового рода силы. Повторю еще раз их сущность. Общеизвестным явля­ется разуплотненное состояние поверхностного слоя воды на кон­такте с газом. Но никто не задумывался, что этот разуплотненный слой сопротивляется с силой температурного расширения любой механической силе, которая попытается уменьшить или полностью ликвидировать это разуплотнение путем придавливания его какой-либо плоскостью к поверхности воды. Также никто не задумывался над тем, что если слой сопротивляется сдавливанию, то он с такой же силой будет стремиться разуплотниться и соответственно уве­личиться в поперечных размерах и создать давление на окружаю­щие фазы при его возникновении в период увеличения поверхно­сти жидкости во время ее растекания, когда к поверхности из глу­бины подходят новые слои более плот­ной жидкости.

По существу, для открытия этого явления даже не требуется каких-либо специальных экспериментов, поскольку существование разуплотняющего слоя жидкости на границе с газом общеизвестно. В литературе описаны эксперименты и сделаны математические расчеты, подтверждающие разуплотнение молекул воды в поверх­ностном слое на контакте с твердыми веществами. Просто необ­ходимо было на этот факт под новым углом зрения посмотреть, что и сделано выше. Можно сказать, что это открытие находилось на кончике пера.

Пояснение сущности и механизма возникновения Т-СРПС мной было показано ранее на шести моделях: 1) на примере газа, в котором мгновенно появляется перегородка; 2) с использованием понятия вероятностного контура свободного пробега молекул; 3) на примере модели детской погремушки; 4) на примере хаотиче­ского блуждания в зале людей, отталкивающихся друг от друга и от сте­нок; 5) на примере образования «выдува» в снежном сугробе у стенки во время метели; 6) на примере игры с мячом «вкруго­вую» или «в две цепочки» (Шабалин, 2001).

На примере этих моделей видно, что Т-СРПС действует также в газах, создавая разуплотненный поверхностный слой толщиной, равной одной длине свободного пробега молекулы. Высказана также идея, что и в твердых веществах существует подобный ра­зуплотненный слой, но он обусловлен флюктуациями в тепловых колебаниях атомов около узлов кристаллической решетки, когда поверхностные атомы периодически «выскакивают» над поверхно­стью вещества больше, чем в обычное среднее время колебаний за счет воздействия на них соседних ато­мов в глубине решетки, подобно (но не тождественно) воздействию молекул в жидкости.

Результатом действия температурной составляющей воды является создание разуплотненного поверхностного слоя воды с увеличенным поперечным объемом и меньшим количеством моле­кул. Иначе говоря, глубинные слои, подходя к поверхности, как бы надуваются воздухом, поэтому поверхностный слой можно срав­нить с воздушным шариком уплощенной формы. Когда он нахо­дится в глубине жидкости в ненадутом состоянии, то ведет себя как бесфор­менная тряпка, но как только оказывается на поверх­ности, он словно раздувается, заполняясь разуплотненной жидко­стью, и приобретает четкие формы и ряд свойств, присущих твер­до­му телу. Он сопротивляется сдавливанию какой-либо плоскос­тью в поперечном направлении с силой температурного расшире­ния, как это было показано выше. Также он сопротивляется раз­рыву в продольном направлении с силой поверхностного натяже­ния. Но как только механические или гравитационные силы, дейст­вующие на по­верхностный слой касательно в продольном направ­лении, превысят силу поверхностного натяжения, он разорвется и жидкость начнет увели­чивать свою поверхность и растекаться, на­пример, капля воды будет растекаться по поверхности.

Здесь следует обратить внимание на еще один фактор: так на­зываемое расклинивающее давление Дерягина. Оно экспери­ментально определялось его первооткрывателем путем придавли­вания газового пузырька к твердой поверхности. Казалось бы, это то же давление сжатия, оказываемое на поверхностный слой воды со стороны плоскости, о котором говорилось выше. В действи­тельности же это давление сжатия, но действующее на разрыв поверхности пузырька вдоль какой-либо линии, и это подтвержда­ется тем, что его величина сопос­тавима с величиной поверхност­ного натяжения. Это расклинивающее давление можно наблюдать на примере кружочков жира, плавающих в тарелке с супом. Видно, что эти кружочки при контактировании друг с другом сразу не сли­ваются, а некоторое время разделены тонкой поверхностной плен­кой воды. Для того чтобы они слились в одну каплю, надо прило­жить некоторое усилие, например подтолкнуть их друг к другу двумя ложками. Вот это усилие, необходимое для их слияния, и есть расклинивающее давление Дерягина. Это усилие разрыва поверхности пленки при ее сдавливании в поперечном направле­нии. В отли­чие от него поверхностное натяжение – это также уси­лие разрыва поверхностной пленки, но только при ее растяжении в продольном направлении по касательной к поверхности жидкости. В то же время сила разуплотнения поверхностного слоя, создавая само разуплотнение, тем самым способствует возникновению свойств поверхностного слоя в виде поверхностного натяжения и расклинива­ющего давления.

Таким образом, поверхностный слой воды лучше всего сопос­тавлять с надутым воздушным шариком (уплощенной формы), ко­торый при возникновении (надувании) создает давление на окру­жаю­щие его фазы вещества с силой температурного расширения жидкос­тей, а затем сопротивляется разрыву при действии сил в про­дольном направлении с силой поверхностного натяжения и при действии сдавливающих его в поперечном нап­равлении сил с ве­личиной расклинивающего давления Дерягина.

Кроме того, этот слой обладает повышенной вязкостью, чем обусловлено создание им трения на границе жидкости с твердыми веществами (Шабалин, 2001).

Важным фактором действия Т-СРПС является участие в соз­дании коллоидных и эмульсионно-ликвационных явлений. Здесь участвует как непосредственно сама Т-СРПС, так и созданное ею разуплотненное состояние поверхностного слоя, действующее по­добно упруго натянутой резине или воздушному шарику. Образо­вание в водной среде коллоидных частичек начинается со слипа­ния отдельных молекул растворенных веществ. Как только эти слипшиеся частици достигнут размера, когда становится возмож­ным образование поверхностного разуплотненного слоя воды, этот слой, будучи достаточно жестким телом, препятствует дальней­шему процессу слипания. Значит, размер коллоидных частичек и вре­мя их образования определяются началом формирования по­верхност­ного слоя воды вокруг них и прочностью этого слоя на разрыв при сдавливании в поперечном направлении, что позво­ляет или не позво­ляет частицам и молекулам склеиваться дальше.

Сама Т-СРПС участвует в этих явлениях в момент рассоеди­нения двух столкнувшихся коллоидных частиц, когда она как бы отталкивает вдогонку эти рассоединяющиеся частицы, придавая это­му явлению силовой фактор. Иными словами, они способны рассоединяться, даже будучи плотно прижатыми друг к другу, как песчинки грунта во время оползней или плотно соединенные фос­фолипидные молекулы в биологических мембранах клеток.

Так же образуются и ликвационные капли, когда слияние мо­лекул одной жидкости внутри другой происходит до тех пор, пока не начинается образование поверхностного слоя воды вокруг них. Период образования этого слоя лимитирует первичный размер ликвационных образований, но окончательный их размер опреде­ляется прочностью этого слоя на разрыв в процессе движения и соударения их друг с другом в жидкости.

Результаты действия Т-СРПС в ряде природных явлений – ге­теро­генный и ферментативный катализ, возникновение оползней, кавита­ции, создание силы роста корней и стволов растений, под­держание постоянной проницаемости биологических мембран в клетках, набухание глины, семян растений, сухой древесины, в по­ни­жение температуры замерзания грунтов и защита от гибели де­ревьев зимой от морозов, подъем воды в деревья вверх по стволу и т. д. показано мною ранее (Шабалин, 2000, 2001).

1.1.2. Механизм возникновения и результат действия осмотической составляющей СРПС воды (О-СРПС)

Такой ошибкой, по моему мнению, является широко распро­страненное представление о том, что диффузионное движение молекул одного и того же сорта происходит независимо друг от друга, а их взаимные соударения не играют никакой роли в диф­фузии при наличии гра­диента концентрации.

Ранее я приводил обоснование нового правила диффузии.

Диффузионное движение растворенных в газе и жидкости молекул (присутствующих в растворителе как в непрерыв­ном континууме) и создание ими осмотического и двух­мер­ного давлений в жидкости происходит в результате соуда­рения одноименных молекул и их удаления друг от друга по принципу действия решеточно-пружинного меха­низма по­добно (но не тождественно) расширению газов в сторону пониженного давления (Шабалин, 1998).

Это правило подтверждено мной экспериментально на основе изучения движения двух двигающихся навстречу друг другу диф­фузионных ярко окрашенных ореолов марганца (Шабалин, 2001). Эти ореолы при встрече деформируются, подобно тому как сжи­маются два упругих мячика, т. е. двигающиеся концентрационные фронты одноименных молекул «чувствуют» и «замечают» друг друга. Если бы одноименные молекулы диффунди­ровали независимо, то их расширяющиеся фронты прохо­дили насквозь, не вызывая взаим­ной деформации и «не замечая» друг друга, что и наблюдается при встрече диффузионных фронтов молекул разных сортов.

Это правило позволяет просто объяснить механизм действия открытого Я. Вант-Гоффом закона о равенстве газового и осмоти­ческого давлений (Шабалин, 2000), а также создание осмотической составляющей СРПС. Если растворенные вещества давят на стенки сосудов, как газы, создавая давление независимо от рас­творителя за счет взаимного соударения одноименных молекул, значит, вблизи сте­нок они также должны создавать разуплотнен­ный поверхностный слой по тому же принципу, который мной ра­нее описан на примере нескольких моделей в газах. Но разуплот­ненный слой – это слой с пониженной концентрацией растворен­ных молекул. Такое уменьшение концентрации создается в мо­мент, когда раствор в процессе растекания вдоль твердой поверх­ности соприкасается с этой поверхностью и растворенные моле­кулы отталкиваются от нее подобно отталкиванию молекул жид­кого растворителя при действии Т-СРПС. Если при действии по­следней создается разуплотненный слой толщи­ной, равной длине одного флюктуационного скачка молекулы, то при создании О-СРПС образуется слой толщиной, равной среднему расстоянию между растворенными молекулами.

Одним из важнейших результатов действия О-СРПС в при­роде является создание ею эффекта, названного мной микропоро­диффузионным каталитическим эффектом, сокращенно МДК-эф­фект. Сущность его заключается в следующем.

В ультратонких порах (микропорах) диаметром меньше двух сред­ний расстояний между одноименными молекулами раство­ренного в воде вещества происходят одновременно два процесса: 1) ускорение дви­жения этих молекул к выходу из микропор или в их более широкие участки за счет действия осмотической состав­ляющей СРПС как си­лы, выталкивающей из нее молекулы; 2) ускорение химического взаимодействия каждой отдельной рас­творенной молекулы со стенками микропор за счет более частого соударения с ними (чем тоньше микропора, тем быстрее эти про­цессы и тем больше ускоряются хими­ческие реакции внутри мик­ропор).

Действие первого процесса обусловлено самой сущностью О СРПС, которая отталкивает растворенные молекулы от стенок, образуя здесь их пониженную концентрацию, существование кото­рой давно известно из практики и подтверждено эк­сперименталь­ными работами. В частности, в сахарном производстве при опре­делении содержания сахара практически оно оказы­валось пони­женным в сахарной paпe, содержащей многочисленные твердые частицы по сравнению с содержанием в остальном чистом рас­творе. Здесь у контактов с этими частицами образовался по­верх­ностный слой с пониженным содержанием сахара, который сни­жал его общую концентрацию в растворе.

П. А. Крюковым (1971) были проведены эксперименты по вы­давли­ванию воды из иловых пород под разным давлением. Оказа­лось, что чем выше давление, тем меньше в соответствующих порциях выдавливаемой воды содержание растворенных компо­нентов. Значит, вода, выдавливаемая из самого тонкого поверхно­стного слоя, в контакте с частицами породы содержит меньше рас­творенных веществ, чем в более утолщенных прослойках воды или во всем ее объеме. Объяснялось это действием электростати­ческих сил притяжения-отталкивания, создающими так называе­мый нерастворяющий поверхностный слой.

Я же объясняю это молекулярно-кинетическим процессом дейст­вия О-СРПС. Сущность нерастворяющих свойств этого слоя, по-моему, заключается не в том, что он не способен раство­рять вещества, т. е. отталкивать их еще на подходе к нему, а в том, что в пределы этого слоя вещества свободно входят, не ощу­щая своей нерастворимости, но потом после соударения с твер­дыми стенками, благодаря действию О-СРПС, стремятся уда­литься из этого слоя. Принципиальное отличие моих представле­ний от вышеотмеченных заключается в том, что, по моему мнению, действие О-СРПС происходит начи­ная с микропор диаметром ме­нее двух средних расстояний между растворенными молекулами и до самых узких участков в их острие. Причем чем уже микропоры, тем сильнее растворенные молекулы вытал­киваются из них в бо­лее широкие участки микропор и микротрещин, так как в этом слу­чае больше составляю­щая сил, отталкивающих молекулы от сте­нок. В отличие от этого в соответствии с представлениями иссле­дований о нерастворяющем слое действие выталкивающих сил проявляется только на контакте между поверхно­стным слоем и глубинными слоями воды. Иными словами, в микропорах диамет­ром менее двойной толщины этого слоя и более ее действие вы­талкивающих сил должно прекращаться.

Действие второго процесса – ускорение химического взаимо­действия растворенных молекул со стенками микропор – обуслов­лено очень простым фактором: каждая молекула, попадая в мик­ропору, получает возможность соудариться с ее стенками огром­ное количест­во раз по сравнению с тем, когда она была за ее пре­делами. Зна­чит, если молекула реагирует с веществом стенок микропоры, то такая реакция происходит очень быстро, причем тем быстрее, чем уже микропора. Это равносильно повышению концентрации одного из реагирующих компонентов, когда в соот­вет­ствии с законами химии скорость реакции повышается. Если в микропоре заключены две молекулы разных раство­ренных ве­ществ, которые могут реагировать друг с другом, то в тесном про­странстве микропоры для них больше вероятность встретиться, соудариться и осуществить реакцию об­разования нового веще­ства. В этом, в частности, заключается сущ­ность катализа на цео­литах, содержащих огромное количество ульт­ратонких пор.

Таким образом, характерным свойством МДК-эффекта в гор­ных по­родах является то, что растворенные в воде вещества, по­падая в микропоры и микротрещины, резко ускоряют химическое взаимодействие между собой и со стенками микропор и одновре­менно ускоряется их удаление в более широкие части микропор или к выходу в трещинные пустоты.

Простейшим экспериментальным подтверждением МДК-эф­фекта является проведенный мной опыт по коррозии металла. Если поверхность железного диска, тщательно отшлифованного самым мелким абразивным порошком или полированного с целью удаления железной пыли, покрыть тонким слоем воды и затем на нем провести бороздку лез­вием бритвы или сделать вмятину ост­рием иглы, то вокруг этих деформированных участков через 2–5 минут появляются симметричные ореолы бурых окислов железа (рис. 2). Причем характерно, что ореол не образуется, если на по­верхность металла нанесена только легкая царапина, кото­рая ого­ляет поверхностный слой, но не производит какой-либо заметной деформации.

Интересно, что прямо над этими ореолами, но уже на поверх­ности слоя воды появляются тончайшие прозрачные коллоидные пленки окислов железа. Они имеют вид своеобразных зонтиков, плавающих над ореолами на поверхности воды и по конфигурации точно повторяют сами ореолы. По мере увеличения интенсивности окраски ореолов на дне, эти «зонтики» также утолщаются, затвер­девают и приобрета­ют светло-буроватую окраску при окончатель­ном высыхании водного слоя. Под микроскопом видно, что эти пленки сложены мельчайшими изотропными сферолитовыми об­разованиями окислов железа такого же размера, что и коллоиды.

Рис. 2. Результаты экс­перимента по коррозии поверхности полиро­ван­ной железной пла­стины, покрытой плен­кой воды. Вокруг бороз­док и точечных вмятин в металле видны ореолы бурых окислов железа, по конфигурации совпа­дающих с размерами деформированных уча­стков

Подтвер­ждением действия МДК-эффекта также являются эксперименты по химической реакции мрамора с соляной кислотой или по растворению раз­личных минералов (Шабалин, 1995).

Еще проще и убедительнее подтверждает существование МДК-эффекта следующий опыт. Если в фарфоровую тарелку с водой доложить на дно обыкновенные железные предметы – изо­гнутые скрепку и гвоздь, то можно наблюдать, как через 4–5 часов вокруг тех участков, где эти предметы касаются дна тарелки, появ­ляются бурые ореолы окислов железа (рис. 3, а). Эти окислы по­крывают как прилегающие к этим точкам касания участки дна та­релки, так и окружающие их части самих предметов. Если затем эти предметы убрать, то будет видно, что непосредственно под ними в самих точках касания и их ближайшем окружении, дно та­рел­ки совершенно белое, т. е. чистое от окислов железа, причем на расстоянии, примерно соответствующем толщине самих пред­метов (см. рис. 3, б). Также окислы осаждаются и на самих желез­ных предметах в участках их касания с дном. Совершенно оче­видно, что коррозия предметов наиболее быстро осуществлялась в пределах тех «микропор», которые образовались в участках со­прикосновения железных предметов с дном тарелки, и в то же время образующиеся окислы отсюда интенсивно выносились за их пределы в окружающее свободное пространство, осаждаясь по­близости. Здесь непосредственным катализатором кор­розии яви­лись сами эти «микропоры» в точках касания, а не вещес­тво фар­форовой тарелки. Это можно подтвердить, если провести анало­гичные эксперименты, положив скрепку и гвоздь на стеклянную, пластмассовую или другую поверхность, смо­ченную водой.

а	б
Рис. 3. Результаты эксперимента по коррозии железных предметов (изо­гнутой скрепки и гвоздя) в воде на дне фарфоровой тарелки. На рис. 3, а вокруг участков касания предметами дна тарелки видны ореолы бурых окислов железа; на рис. 3, б предметы убраны и видно, что под ними, во-первых, конфигурация ореолов в точности соответствует конфигурации участков касания, во-вторых, непосредственно в точках касания окислы железа отсутствуют

Важнейшим свойством МДК-эффекта в горных породах зем­ной коры является то, что он поддерживает постоянной проницае­мость микропор для обмена веществ при метасоматических про­цессах и способствует созданию механизма диффузионного флюидозамещения. Кроме того, он широко проявляется в природ­ных процессах, соз­давая осмос, гетерогенный катализ в микропо­рах и т. д. (Шабалин, 2000, 2001).

1.1.3. Совместное одновременное действие температурной и осмотической составляющей СРПС воды – механизм диффузионного флюидозамещения

Как известно, все разновидности жильных гидротермально-метасоматических месторождений и магматические породы при­урочены к тектоническим зонам дробления и рассланцевания в земной коре, где создаются системы ультратонких трещин и пор в зонах сжатия и системы с более широким трещинами в зонах рас­тяжения. Наличие этих систем трещин способствует активизации МДК-эффекта, благодаря которому в первую очередь создается саморегулирующаяся система поддержания минимального уровня пористости, необходимого для протекания метасоматоза.

При этом происходит ускорение диффузии компонентов из ультратонких пор в сторону более высокопроницаемых зон с большей шириной трещин, как это экспериментально показано выше на примере коррозии железа. Микропоры и микротрещины не только поддерживают, благо­даря МДК-эффекту, свою прони­цаемость для диффузии компонентов, но и сами активно удлиня­ются в своем острие, где МДК-эффект проявля­ется в максималь­ной степени, так как здесь самая узкая часть микропор. Тем самым процесс растворения-отложения, т. е. метасоматоза, начавшись с тонкой тектонической трещины, далее развивается самос­тоя­тельно, охватывая все большие объемы горных пород. Наиболее благоприятными путями его развития, в первую очередь, являются определенные структурные элементы горных пород – контакты, зерен минералов, трещинки спайности в них, новообразованные тончайшие тектонические трещины.

Вынесенные компоненты осаждаются в более крупных тре­щинных пустотах, заполняя их и выравнивая таким образом плот­ность горных пород в земной коре.

Однако деятельности одного МДК-эффекта недостаточно для залечивания «ран» в толще земной коры, нанесенных тек­тониче­скими подвижками. Если выносимые в трещины химические ком­поненты будут быстро повышать свою концентрацию и, достигнув пересыщения раствора, сразу же осаждаться на стенках трещин в виде минеральных слоев, то они практически сразу перекроют все подводящие каналы метасоматоза в стенках трещин и он прекра­тится, едва успев начаться. Но есть единственная возможность для его продолже­ния: если вынесенные химические компоненты будут образовывать коллоидные или полимеризованные частицы, взвешенные в воде. Это связано с тем, что с по­явлением данных частиц становится возможным образование высококонцентриро­ванного гелеобразного флюида за пределами микропор. Этот флюид не препятствует деятельности МДК-эффекта вплоть до того, как будут достигнуты его высокая концентрация и вязкость, поскольку сам раствор, в котором взвешены коллоидные частицы, имеет сравнительно невысокую концентрацию за счет постоянного об­разования этих частиц из отдельных растворенных в нем моле­кул веществ. Тем самым постоянно поддерживается диффузион­ная способность раствора принимать компоненты, выносимые из микропор, до почти полного исчезновения этого раствора, вытес­няемого коллоидными частицами. К коллоидным относятся час­тицы размером от 10^–4 до 10^–7 см, состоящие из групп соединенных атомов или ионов (Чухров, 1955). В отличие от частиц грубодис­персных систем (суспензии, эмульсии), размер ко­торых превышает 10^–4 см, коллоидные частицы в жидкой среде участ­вуют в броунов­ском движении и противостоят седиментации в поле сил земного тяготения. В то же время в отличие от истинных раст­воров они способны образовывать растворы очень высокой концентра­ции вплоть до состояния гелей. Существуют два способа получения коллоидных растворов. Первый – конденсационный – способ сво­дится к химическому и физическому соединению молекул и ионов в крупные макромолекулы или комплексные молекулы. Второй – диспер­сионный – способ механического измельчения твердых ма­териалов. Вначале коллоидная химия как наука развивалась глав­ным образом в области изучения коллоидов второго типа. Однако с конца 1950-х годов началось интенсивное изучение коллоидов первого типа с развитием нового направления в науке – полимер­ной химии. Было установлено, что практически эле­менты всех групп периодической системы за исключением инертных газов способны участвовать в образовании высокомолекулярных со­еди­нений (Коршак, 1965; Каргин и др., 1967; Толстогузов, 1967; Буд­тов, 1992; Дой и др., 1998). Причем если в строении органи­ческих веществ обычно участвуют макромолекулы, имеющие длинные цепеобразные формы, то в неорганической природе преобладают кар­касные и пластинообразные формы макромолекул.

В горных породах земной коры к неорганическим полимерам отно­сятся такие минералы, как кварц, слюда, асбест, тальк, гра­фит, алмаз, цеолиты, стекло и др. (Толстогузов, 1967; Неорганиче­ские полимеры, 1965). Отмечается, что к полимерам относится более 80 % пород и руд земной коры. Причем начало поли­мериза­ции, т. е. реакции соединения отдельных небольших молекул низ­комолекулярных веществ в крупные молекулы полимера, начина­ется еще в жидком состоянии веществ – в их растворах и распла­вах при самых разнообразных температурах и давлениях земной коры. Сейчас установлено, что в гидротермальных растворах ру­дообразующие ком­поненты присутствуют в форме крупных ком­плексных полимеризованных молекул (Нарсеев, 1964; Минцер, 1967; Чухров, 1955). Отмечается, что полимеризация играет двоя­кую роль в процессе рудообразования. С одной стороны, полиме­ризация способствует увеличению концентрации рудоносных рас­творов и перемещению больших количеств рудного вещества из участков его отделения в места отложения. С другой стороны, мо­жет происходить быстрое укрупнение макромолекул и по­вышение их концентрации, что приводит к повышению вязкости раствора, превращению его в гель и последующей кристаллизации.

Магматические расплавы согласно существующей ионной теории их строения (Есин и др., 1966; Хан и др., 1969, Анфилогов, 1973) представляют собой радикал-ионную жидкость, где наряду с катионами присутствуют активные радикалы – анионы типа и другие более сложные. Эти радикалы и ка­тионы способны образовывать подвижные сиботаксические группы различной конфигурации (цепи, разветвлен­ные цепи, плоские сетки и каркасы). Сиботаксисы в процессе дальнейшего развития могут быть представлены как гетероцепные полимеры, в которых макроионы состоят из кремния, алюминия и кислорода. Анионы связываются между собой катионами – модификаторами. В зави­симости от характера макроиона возможны два крайних случая: образование ортосиликата (оливин) или каркасного сили­ката (по­левой шпат); между этими двумя крайними членами располо­жены все силикаты, построенные из различных полимерных анионов в сочетании с катионами (цепи, листы, каркасы). Кристаллизации предшествует формирование в расплаве полимерных соединений, отличаю­щихся от кристаллов отсутствием дальнего порядка в структуре.

В соответствии с этими представлениями вода и другие лету­чие компоненты, не входящие в состав комплексных соединений, располагаются в промежутке между ними и могут образовывать вмещающую дисперсионную среду. Причем можно предполагать возможность образования своеобразного водного раствора этих соединений, если количество воды будет достаточно большое.

Значит, с точки зрения современных представлений о при­роде гидротермальных растворов и расплавов как жидкостях, со­держащих полимеризованные макромолекулы коллоидных разме­ров, представляется вполне возможным участие коллоидных (по­лимеризованных) растворов в деятельности механизма диффузи­онного флюидозамещения. Но в от­личие от существующих пред­ставлений о роли коллоидов в рудообразовании я выдвигаю новую идею. Она заключается в том, что коллоиды имеют важное значе­ние не только и не столько для переноса больших количеств рас­творенных компонентов, но и для того чтобы препятствовать их быстрому осаждению на стенках трещин и перекрытию подводя­щих кана­лов метасоматоза. Причем зарождение коллоидных час­тиц происхо­дит сразу же в процессе метасоматоза в относительно крупных порах и трещинах. В более тонких микропорах они обра­зоваться не мо­гут, так как малейшая попытка их формирования приводит к сужению микропор и резкому усилению действия МДК-эффекта, в сфе­ру действия которого они попадают. Поэтому они сразу же разруша­ются.

В коллоидной химии причиной поддержания частиц во взве­шенном состоянии в растворе считается наличие на их поверхно­сти электри­ческих одноименных зарядов, которые отталкивают их друг от друга, не позволяя склеиваться. Однако с развитием поли­мерной хи­мии это представление исчезло, и на смену ему практи­чески не бы­ло предложено ничего другого. Хотя весьма непонят­но, почему полимеризованные макромолекулы, способные в высоко­концентрированном растворе соединяться с образованием струк­тур гелей и твердых тел, в разбавленных растворах при взаимных столкновениях не склеиваются в более крупные агрегаты, а про­должают существовать раздельно. Значит, существует какая-то преграда, которая до определенного предела препятствует их со­еди­нению.

По моему мнению, такой преградой является поверхностная пленка воды (или жидкостей вообще), обладающая определен­ными свойствами. К числу таких свойств относятся температурная составляющая силы разупло­тнения поверхностного слоя воды – Т-СРПС и расклинивающее давле­ние Дерягина. Т-СРПС, создающая разуплотнение слоя, придает ему свойства поверхностного натя­жения и расклинивающего давления. Б. В. Дерягин считал раскли­нивающее давление одним из важнейших факторов существова­ния коллоидных частиц (1986). Он полагал, что это давление соз­дается за счет электростатических сил притяжения мо­лекул воды к твердой поверхности частиц.

Я думаю, расклинивающее давление Дерягина действитель­но является одним из факторов стабильности коллоидных растворов, но оно представляет собой результат действия Т-СРПС, разуплот­няющей жидкость в поверхностном слое и придающей ему некото­рые свойства тве­рдого тела. Но кроме него здесь также действует сама Т-СРПС, пре­пятствуя их соединению. В участках случайных соединений частиц поверхность контакта не является постоянно жестко непроницаемой для воды. Частицы находятся в движении, и под его влиянием в некоторых участках поверхности контакта образуются щели, куда проникает вода из объема жидкости. Здесь в соответствии с изложенными выше представлениями начинает действовать Т-СРПС, ко­торая с силой расширяет и удлиняет щель вплоть до полного отрыва и разъединения склеившихся поверхно­стей. Она как бы вдогонку отталкивает рассоединяющиеся час­тицы.

Следует отметить, что подобный механизм действует только в отношении гидрофильных поверхностей. Гидрофобные поверх­ности не испытывают действия Т-СРПС, так как вода не проникает в об­разующиеся между ними щели, а наоборот, стремится с силой выте­кать из них. На этом принципе основано создание конформа­ций био­логических молекул растений и живых организмов, когда их длинные цепи соединяются своими гидрофобными участками (Мо­лекуляр­ная…, 1994). Характерно, что подавляющее большинство полимеризованных веществ обладает гидрофильными свойствами и на начальной стадии изучения их выделяли как группу лиофиль­ных коллоидов. Поэтому в контакте между их частицами действуют положительное расклинивающее давление Дерягина и непосред­ственно сама Т-СРПС.

Расклинивающее давление создается дейст­вием Т-СРПС, и в связи с этим в целом, по-моему, одной из важнейших причин су­ществования коллоидов и полимеров в растворах во взвешенном состо­янии является Т-СРПС.

Образование в процессе метасоматоза коллоидных (полиме­ризо­ванных) частиц способствует доведению флюида в трещин­ных пустотах до высокой концентрации, при которой завершается активная фаза метасоматического процесса, так как в условиях большой вязкости диффузионная подвижность компонентов сни­жается до минимального уровня.

После формирования высококонцентрированного флюида происхо­дит его кристаллизация с образованием сульфидов, окисно-рудных минералов, кварца, карбонатов, флюорита и т. д. в зонах рудообразования и магматических пород в зонах магмооб­разования.

Как показано выше, формирование частиц коллоидных раз­меров обусловлено действием Т-СРПС, которая, образуя поверх­ностную пленку с некоторыми свойствами твердого тела, опреде­ляет их раз­мер и препятствует слипанию и выпадению в осадок. Следовательно, в формировании механизма диффузионного флюидозамещения участвует как осмотическая составляющая СРПС в виде МДК-эффекта, так и ее температурная составляю­щая.

Механизм диффузионного флюидозамещения в земной коре способствует формированию эндогенных месторождений, магма­тических пород и дифференциации ее в целом с образованием кислой гранитоидной оболочки. Также он способствует пластиче­ской деформации пород при динамометаморфизме и складчато­сти. Действие этого механизма способствует уменьшению геоди­нами­ческих напряжений в земной коре и вероятности катастрофи­ческих землетрясений. В нефтегазовой геологии он дей­ствует как механизм, создающий первичную миграцию молекул угле­водоро­дов из тонкозернистых органогенных материнских пород в бо­лее крупнозернистые песчаниковые породы, где они мигрируют и кон­центрируются в соответствующих ловушках в виде залежей нефти и газа (Шабалин, 2001).

Я высказал представления о том, что в живой природе дейст­вует аналог механизма диффузионного флюидозамещения, кото­рый содействует заживлению ран и порезов в растениях и живых организмах, так же как он «залечивает» тектонические разломы, т. е. «раны» в земной ко­ре. Совместно Т-СРПС и О-СРПС регули­руют рост растений и живых организмов до определенного раз­мера, определяющего их моло­дость или старость. Весьма значи­тельна их роль в избирательной про­ницаемости мембран в жидко­стях, проявляющаяся в обмене веществ в живой природе (Шаба­лин, 1998, 1999, 2000, 2001).

Основываясь на этих представлениях, я разработал и запа­тентовал способ предотвращения катастрофических землетрясе­ний – способ стабилизации грунтового массива в сейсмичес­ки опасных районах (Патент РФ № 2140492, приоритет от 24.06.98 // Изобретения. 1999. № 30. С. 393).