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

1.2. Контактно-соударительный закон

Под природными объектами и их частями понимается какая-либо субстанция материального мира, которая ведет себя как еди­ное ма­териальное тело и участвует таким образом в образовании объектов следующих порядков. Атомы образуют молекулы, моле­кулы – вещества и минералы, последние в свою очередь – породы, месторождения и т. д.

Сам по себе закон не требует доказательства, так как мы все из повседневной жизни знаем, что каждый предмет, которым мы пользуемся, состоит из определенных частей, которые так подог­наны друг к другу, что составляют единое целое. Необходимо только пояснить понятия морфогенетического кода и соуда­рения составляющих частей объектов.

Термин «морфогенетический код» мной заимствован у иссле­довате­лей, занимающихся изучением строения биологической клетки (Молеку­лярная…, 1994). Каждые две соседние клетки опре­де­ленного вида биологической ткани соединяются между собой по опре­деленной системе контактов, названной морфогенетическим кодом. Эта система соединений расположена на поверхности клетки таким об­разом, что в ней всегда можно определить «верх» и «низ», и, кроме того, она обладает неограниченно большой воз­можностью комбинаций в пространственной ориентировке участ­ков соединений. У каждой из двух клеток имеется определенный спектр специфических рецепторов склеивания для других клеток и матрикса, а также их концентрация и распределение на клеточной поверхности. Это и определяет суммарное сродство, с которым клетки связываются друг с округом и с матриксом. Именно этот спектр и есть тот «морфогенетический код», который определяет как клетка организуется в ткани. Причем у клеток каждой части тела – печени, почек, сердца, кожи и т. д. – имеется индивиду­аль­ный морфогенетический код, который позволяет им соединяться именно в эти органы.

Это понятие морфогенетического кода соединения биологи­ческих клеток мной распространено и на другие типы соединений объектов природы, но я дал ему более расширенное толкование: код не только связан с чисто морфологическими особенностями соединяющихся повер­хностей, но обусловлен более широкими генетическими свойствами объектов. В соответствии с этим я дал ему следующее определение:

Морфогенетический код соединения отдельных составных час­тей объектов природы или преобразования одного в дру­гой – это со­четание факторов морфологического соот­ветствия их соединительных контактов друг другу и (или) внешних факторов действия различных сил (гравитацион­ных, электростатических, магнитных, электромагнит­ных), температуры, давления и т. д., которые способст­вуют объединению составных частей в целостный объект или превращению одних объектов в другие.

На атомно-молекулярном уровне морфогенетический код представ­ляет собой систему соединений отдельных атомов в мо­лекулы. Эту систему можно назвать атомно-молекулярным уров­нем морфогенети­ческого кода (1-го порядка). В нее входят связи – ионная, ковалентная, металлическая, водородная. Здесь следует обратить внимание на то, как и почему атомы соединяются в моле­кулы.

В соответствии с планетарной моделью строения атома Э. Резерфорда и Н. Бора атом состоит из положительно заряжен­ного ядра и вращающихся вокруг него на разных орбитах отрица­тельно заря­женных электронов. В 1915 г. В. Коссель дал объясне­ние образова­ния ионных связей. В основе его теории лежит посту­лат о стабильности электронных оболочек атомов инертных газов. Атомы других элементов способны относительно легко отдавать электроны внешне­го электронного слоя или принимать их на него, стремясь иметь оболочку из инертных газов. Образование ионных химических соедине­ний по В. Косселю происходит благодаря пе­реходу валентных элект­ронов от атомов одних элементов к ато­мам других. Первые, поте­ряв электроны, становятся положительно заряженными, а вторые, получив электроны, – отрицательно заря­женными ионами. Противопо­ложно заряженные ионы, притягива­ясь друг к другу, сближаются до расстояния, которое им позволяют сделать электронные оболочки атомов. Противоположно заряжен­ные ионы находятся в соединении на таком расстоянии друг от друга, при котором силы притяжения и отталкивания равны между собой.

Согласно объяснению образования ковалентной связи (назы­ваемой еще атомной или гомеополярной), которое дал в 1916 г. Г. Льюис, связь между атомами возникает в результате того, что их валентные электроны образуют пары, общие для обоих атомов. Электроны подобных пар движутся в поле ядер обоих атомов по так называемым молекулярным орбитам. Электроны образуют пары при условии, что они имеют противоположные спины, т. е. вращаются вокруг своей собственной оси в противоположные сто­роны. Расчеты показывают, что при сближении двух атомов водо­рода с одинаковыми спинами элект­ронов между ними возникают силы отталкивания, нарастающие по мере их сближения. Если сближаются два атома водорода, спины элект­ронов которых про­тивоположны друг другу, то силы притяжения меж­ду ними нарас­тают, достигая максимума, когда расстояние между ядрами стано­вится равным 0,74 Å. Спаривание электронов с противоположными спинами связано с тем, что в пространство, занимаемое «обла­ком» одного электрона, проникает «облако» другого. В области спаривания электронная плотность в простран­стве между ядрами двух атомов увеличивается, что и приводит к сближению ядер и установлению прочной связи между атомами.

Если в соединяющихся таким образом атомах электронная пара будет односторонне оттянута одним из атомов, однако не на­столько, чтобы образовать самостоятельные ионы, то образуется так называемая полярная разновидность ковалентной связи. Если же одностороннего оттягивания пары электронов не происходит, то образует­ся неполярная разновидность ковалентной связи.

Металлическую связь проявляют элементы, атомы которых легко теряют электроны. Такими свойствами обладают металлы. В них име­ются положительно заряженные ионы и перемещающиеся между ними «полусвободные» электроны. Эти электроны легко­подвижны, сравни­тельно непрочно связаны с комплексом атомов.

Водородная связь – это межмолекулярная связь. Она осуще­ствляется через атомы водорода, соединенные с атомами кисло­рода, азота, фтора, реже хлора и серы. Атомы кислорода, фтора и азота, ковалентно связанные в молекулах с атомами водорода, сильнее стяги­вают на себя общую с водородом электронную пару. В результате этого атомы водорода остаются в виде ядер очень маленьких разме­ров, почти лишенных оболочек, т. е. протонов. Последние, сохраняя связи в молекулах с атомами указанных выше элементов, электроста­тически притягивают атомы тех же элементов, входящих в состав дру­гих молекул, и это обусловли­вает наличие у атомов водорода как бы второй (побочной) валент­ности.

При рассмотрении форм связи атомов в молекулы, необхо­димо обратить еще внимание на так называемый стерический фактор, который часто фигурирует в формулах (Эммануэль и др., 1974). Сущ­ность его заключается в том, что для соединения ато­мов в молекулы при их столкновении необходимо, чтобы они со­ударились друг с дру­гом определенными реакционноспособными частями своей поверхнос­ти при определенной ориентировке отно­сительно друг друга. Элект­роны в атоме вращаются по опреде­ленным орбитам, расположенным на определенном расстоянии от ядра и в определенных плоскостях, про­являющихся в виде высо­кой плотности электронного облака, которое есть результат огром­ной скорости вращения электрона. Плоскос­ти вращения электро­нов располагаются по отношению друг к другу под определенными углами, кроме того, орбиты электронов часто имеют эллиптические формы, которые также определенным образом ориентированы в пространстве относительно ядра атома и друг друга. Следова­тельно, поверхность атома является геометрически стабиль­ной, но разнородной областью, где, так же как на планетах, имеются свои «моря», «океаны», «равнины», «горы» и т. д., закономерно рас­пределенные по поверхности, что, в свою очередь, по-видимому, обусловлено рас­пределением масс внутри ядра. Каждый из таких участков поверхно­сти обладает определенной реакционной спо­собностью «приклеивать» другие атомы, причем индивидуально атомы того или иного вещества и с определенной ориентировкой на поверхности атома. Эти уча­стки являются своего рода стыко­вочными узлами, индивидуальными для каж­дого из присоединяю­щихся атомов, т. е. своеобразным морфогенети­ческим кодом. Если электромагнитные силы в целом притягивают атомы друг к другу, то реально это соединение осуществится, если атомы со­ударятся этими своими «стыковочными узлами».

При формировании твердых кристаллов отдельных минера­лов из жидкости или газа в морфогенетическом коде появляются новые связи. Эту часть кода можно назвать кристаллохимическим уровнем (2-го порядка). К числу таких связей относятся координа­ционное число ионов, способ их упаковки в кристаллические ре­шетки, кристаллохимическая структура минерала. На это соедине­ние влияют и внешние факторы – температура, давление, при ко­торых устойчивыми будут определенные типы минералов. Собст­венно морфологическое соответствие «стыковочных узлов» моле­кул и атомов в составе кристаллической решетки может реализо­вываться только при определенных внешних условиях среды, яв­ляющихся также составной частью морфогенетического кода, по­тому что без этих условий образования минерала не произойдет.

Минералы являются составной частью горных пород, сла­гающих земную кору. Поэтому с образованием пород связан тре­тий уровень морфогенетического кода, который можно назвать по­родным (3-го по­рядка). Исключительное значение приобретают внешние условия — тем­пература, давление, гравитация. При кри­сталлизации интрузивных по­род важнейшее значение имеют по­следовательность кристаллизации минералов в зависимости от температуры, химический состав распла­вов, различие в удельном весе минералов в процессе их гравитационно­го осаждения и т. д. При формировании метаморфических пород ре­шающую роль иг­рают температура, давление, химический состав пер­вичных пород, за счет изменения которых они образовались. На образо­вание осадочных пород влияют гравитационные силы, растворимость химических компонентов в воде при определенных температурных и окислительно-восстановительных условиях.

Четвертым, самым высоким, уровнем морфогенетического кода является уровень самоорганизации земной коры (4-го по­рядка). К гене­тическим признакам более низких уровней добавля­ются еще факторы планетарного масштаба, влияющие на диффе­ренциацию вещества в масштабе всей земной коры: различные режимы и этапы развития зем­ной коры, характер подкоровых вяз­ких потоков мантийного вещества, гравитационные процессы рас­слоения земной коры, зарождение магма­тических пород и пере­мещение их в верхние зоны земной коры и т. д.

Таким образом, среди морфогенетических кодов самооргани­зации земной коры можно выделить четыре уровня:

1) атомно-молекулярного уровня самоорганизации природы (1-го порядка);

2) кристаллохимического уровня (2-го порядка);

3) породного уровня (3-го порядка);

4) уровня самоорганизации земной коры в целом (4-го по­рядка).

Собственно морфологическая часть кода присуща только ко­дам на атомно-молекулярном и кристаллохимическом уровнях. Это способы объединения атомов в молекулы и укладка их в кри­сталлической ре­шетке минерала. В морфогенегических кодах по­родного уровня, уровня самоорганизации земной коры и частично кристаллохимического уров­ня доминирует генетическая часть кода, которая определяется как сумма генетических признаков, способствующая образованию того или иного объекта природы.

С наибольшей достоверностью можно выявлять морфогене­тические коды кристаллохимического и породного уровней, так как это ко­ды пород и минералов, которые непосредственно могут на­блюдаться человеком. Их можно видеть визуально или под микро­скопом, ощу­щать, взвешивать, определять твердость, цвет, вкус и т. д. Их генетиче­ские признаки могут быть проверены экспери­ментально в лабораторных условиях.

Морфогенетические коды атомно-молекулярного уровня са­моорганизации природы нельзя определять непосредственно с помощью ор­ганов чувств человека. По ним можно только строить более или менее обоснованные предположения косвенным мето­дом, основываясь на наблюдаемых в природе явлениях. Напри­мер, планетарная модель атома была предложена Бором на осно­вании наблюдения вращения планет вокруг Солнца. Непосредст­венно ядра атомов и электроны, а также и атомы в целом, изобра­жают как упругие шарики, хотя в действительно­сти это гораздо бо­лее сложные образования. Действие сил притяжения-отталкивания на атомно-молекулярном уровне тождест­венно наблюдаемому притяжению-отталкиванию магнитных горных пород и минералов. Гипотезы являются научно обоснованными, если они подтвержда­ются всем опытом исследования наблюдаемых природ­ных объек­тов визуально или под микроскопом.

Процесс формирования земной коры настолько длительный и большой по масштабам, что человек не может его непосредст­венно на­блюдать. Но историю этого процесса все элементы мор­фогенетического кода можно восстанавливать по тем признакам, которые сохраня­ются в горных породах. Достоверность восстанов­ления зависит от пол­ноты сохранности этих признаков и физиче­ской возможности их на­блюдать на поверхности Земли или в гор­ных выработках и керне буро­вых скважин. Некоторые элементы становления земной коры можно и непосредственно наблюдать в природе: извержение вулканов, землетря­сения, выходы горячих источников, отложения осадков в водных бас­сейнах и т. д. Изучая их, можно судить и об аналогичных процессах да­лекого прошлого Земли – так называемый метод актуализма.

В идеальном случае желательно было бы знать полностью морфогенетический код того или иного объекта природы, который способст­вовал возникновению данного объекта. Например, для породы (гранита) хотелось бы знать, какие внешние условия (тем­пература, давление, гра­витация и др.) привели к объединению в одну породу кварца, плагиок­лаза, калиевого полевого шпата, био­тита (или амфибола). Далее необходимо проследить, какие пара­метры повлияли на построение кристаллохимической структуры решеток этих минералов и, наконец, каков морфогенетический код на атомно-молекулярном уровне их образования. Практически же при геологических исследованиях изучение кодов на атомно-моле­кулярном уровне почти не проводится, потому что они принима­ются как постулаты или законы. Объектом более частых иссле­до­ваний являются коды на кристаллохимическом уровне, особенно ка­сающемся генетических признаков образования отдельных ми­нералов. По существу, главным объектом исследования являются морфогенетические коды на породном уровне и уровне самоорга­низации земной ко­ры, так как именно эти признаки могут непо­средственно наблюдаться и анализироваться человеком. Мине­ралы и слагаемые ими горные породы и полезные ископаемые ис­пользуются человеком в практической дея­тельности. Поэтому важно знать всю сумму их генетических признаков, чтобы прово­дить их успешные поиски на земной поверхности или в земных глубинах, доступных горным выработкам.

Роль соударений составных частей в контактно-соударитель­ном законе заключается в следующем.

Каждая составная часть какого-либо объекта природы до его обра­зования могла двигаться в пространстве независимо от него и соударяться с другими составными частями. В случае подобия морфогенетических кодов – «стыковочных узлов» – эти части бу­дут объединяться и образовывать объект только в том случае, если при соударении в точно­сти совпадут их «стыковочные узлы», как это наблюдается, например, при стыковке космических кораб­лей. Если же при соударении не будет совпадения ориентировки «стыковочных узлов», то не произойдет и объединения составных частей объекта и сам он не будет существовать как таковой.

Наиболее отчетливо роль соударений проявляется на атомно-молекулярном уровне самоорганизации материи. Частота соударения атомов и молекул огромна – около 10¹⁰ –10²⁸ раз в се­кунду (Максвелл, 1968; Карапетьянц, 1994). Но при этом доля но­вых веществ, образую­щихся одновременно в процессе объедине­ния молекул, совершенно не­значительна – 10^–15–10^–20, т. е. подав­ляющая часть соударений не приво­дит к образованию новых ве­ществ. Причем для каждого вновь обра­зующегося вещества доля эффективных соударений, определяющая скорость химических реакций, различна. Именно это разнообразие в скоростях химиче­ских реакций является одним из важнейших факторов, способст­вующих возникновению свойств, различающих химические веще­ства, без чего невозможно формирование отдельных обособлен­ных минералов и веществ. Соударения атомов и молекул и веро­ятностный характер их соединения играют здесь решающую роль.

Иными словами, соединение атомов и молекул в новые веще­ства происходит в процессе их хаотического вероятностного столкновения, когда очень высока доля неэффективных соударе­ний, не приводящих к химической реакции. Однако именно это различие в соотношении эф­фективных и неэффективных соударе­ний и является важным свойством материи, способствующим ее разнообразию. Соударения молекул и атомов играют роль меха­низма, способствующего возможности прояв­ления различий в свойствах веществ, позволяя им в процессе свободно­го движе­ния – столкновения – реализовать свое соединение в морфогене­тических кодах.

На кристаллохимическом уровне самоорганизации материи соеди­нение атомов, ионов и молекул в кристаллы из раствора или расплава также происходит в процессе, если можно так выра­зиться, удачных и неудачных попыток выстроиться в кристалличе­скую решетку минералов. Причем в случае доминирования пер­вого процесса происходит рост кристаллов, второго – их растворе­ние. Эти процессы отложения-рас­творения обратимы, и в случае изменения внешних факторов могут сменять друг друга. Но их осуществление возможно в результате того, что молекулы, совер­шая постоянные тепловые хаотические движения, производят со­ударения друг с другом и с поверхностями растущих кри­сталлов. За счет этого возможно достижение различий в скорости роста кристаллов различных веществ при разных Р-Т условиях.

На породном уровне самоорганизации материи и уровне формиро­вания земной коры фактор соударения составных частей проявляется только в некоторых процессах, когда происходит об­разование объектов путем сложения их составных частей. Напри­мер, при формировании терригенных обломочных осадочных по­род образование их разновид­ностей по величине обломочных час­тиц (конгломераты, песчаники, алевролиты, глины) определяется их соударением в водном или воздушном потоке, когда происходят сортировка и отложение частиц по крупности зерен и по удельному весу. Движение-соударение частиц способствует сортировке, соз­давая для них возможности свободно рас­пределяться в простран­стве в виде пород разного состава, т. е. свойство осаждаться под действием гравитации они проявляют в процессе мно­гочисленных хаотических соударений.

Подобные же явления происходят при кристаллизации магма­тиче­ских пород, когда движения-соударения кристаллов, обра­зующихся в процессе течения расплавов или гравитационного осаждения, увеличи­вают разнообразие пород.

В большей части процессов на породном уровне и уровне са­моор­ганизации земной коры формирование объектов происходит путем пре­образования одних в другие метасоматическим спосо­бом, т. е. замеще­нием атома на атом. Хотя при этом образуются крупные тела горных по­род, минералов, фактор соударения здесь также действует, но только на атомно-молекулярном уровне.

На допланетной стадии формирования Земли из протопла­нетного газово-пылевого облака фактор соударения проявляется в том, что частицы вещества, хаотически двигаясь в космическом пространстве, соударяются, и если сила их взаимного притяжения достаточно большая, то они соединяются, увеличивая массу ком­пактного вещества вплоть до размеров планеты (Маракушев, 1992).