Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ГЛАВНЕЙШИХ РУДО- И МАГМООБРАЗУЮЩИХ ПРОЦЕССОВ С ПОЗИЦИИ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ КОНЦЕПЦИИ

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ГЛАВНЕЙШИХ РУДО- И МАГМООБРАЗУЮЩИХ ПРОЦЕССОВ С ПОЗИЦИИ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ КОНЦЕПЦИИ

2.1. Метасоматоз

2.1.1. Причина поддержания постоянной проницаемости пород при метасоматозе – действие МДК–эффекта

Ряд исследователей разрабатывали идею о существовании тонкой флюидной пленки, которая окружает растущие метасома­тические кристаллы и через которую компоненты диффундируют к граням кристаллов, а также выносятся компоненты окружающей породы. Эта гипотеза была выдвинута еще в 1918–1926 гг. Линдг­реном и Бодейлем. О причинах возникновения и устойчивости этой пленки питающего раствора существует две основные гипотезы. Первая из них основывается на открытом П. А. Ребиндером (1937, 1979) эффекте адсорбционного понижения прочности твердых тел при деформациях. Сущность эффекта заключается в том, что прочность твердых тел значительно понижается, если их разруше­ние будет сопровождаться проникновением в растущую трещину поверхностно-активных (понижающих свободную поверхностную энергию твердого тела) жидких сред, смачивающих поверхность разрушения в процессе ее образования. Возможность участия этого эффекта в геологических процессах предполагали В. Ю. Траскин и др. (1989) и Г. П. Зарайский (1989).

Как показано мной ранее (Шабалин, 2000), действие эффекта, обусловлено температурной составляющей силы разуплотнения поверхностного слоя воды (Т-СРПС). Действительно, Т-СРПС в определенной мере способствует увеличению проницаемости по­род в период тектонических подвижек при наличии водных раство­ров в зонах разломов. Но после завершения подвижек действие этой составляющей силы и соответственно эффекта Ребиндера прекращается, в то время как деятельность метасоматических процессов только начинается. Поэтому нельзя объяснить поддер­жание постоянной проницаемости пород при метасоматозе дейст­вием Т-СРПС.

Вторая гипотеза о причинах устойчивого существования меж­зерновой пленки водного раствора основывается на представле­нии о кристаллизационном давлении, создаваемом растущим ме­тасоматическим кристаллом на вмещающую его породу. Непо­средственно оно наблюдается, например, когда растущий в глине минерал выталкивает глинистые частицы на поверхность и по­этому оказывается чистым, не содержащим включений. Однако экспериментальные и теоретические данные о величине этого давления весьма противоречивы. Экспериментальные данные суммированные В. Я. Хаимовым-Мальковым, и проведенные им же эксперименты (1959) дают величину кристаллизационного давле­ния от десятых долей г/см² до 20 кг/см². Причем такое различие наблюдается в проведенных разными исследователями экспе­риментах на одних и тех же веществах. На основании теоретиче­ских соображений некоторые исследователи оценивают эту вели­чину в 100 атм (Остапенко, 1984), или 600 атм (Поспелов, 1973), или даже 1370 атм (Ланда, 1979).

Для доказательства большой силы кристаллизационного дав­ления обычно приводится пример роста линз льда в почве, соз­дающего так называемое морозное пучение грунтов, способное разрушать дороги, строения, бетонные опоры мостов и т.д. Но не­обходимо иметь в виду, что большая сила давления, проявляется здесь не в кристаллизационном росте льда, а в уникальной спо­собности жидкой фазы (воды) переходить в твердую фазу (лед) с увеличением объема, чего в горных породах земной коры с сили­катными минералами не наблюдается. Мной ранее показано (Ша­балин, 2001), что морозное пучение обусловлено действием Т СРПС в процессе перехода пленочной воды в лед при условии увеличения объема последнего как новой фазы, но не в процессе кристаллизационного давления. Поэтому в целом представление о большой силе кристаллизационного роста минералов так и оста­ется пока чисто теоретическим, не имеющим однозначного экспе­риментального обоснования.

Сторонники идеи о кристаллизационном давлении считают, что оно способствует завоеванию растущими метасоматическими кристаллами пространства путем растворения и (или) раздвижения матрицы через постоянно существующую граничную флюидную питающую пленку. По мнению одних исследователей, это давле­ние приводит к увеличению химического потенциала минералов матрицы и переходу их компонентов во флюидную пленку на кон­такте кристалла и матрицы с дальнейшим выносом за пределы этого контакта. Одновременно увеличивается и химический потен­циал растущего кристалла. Поэтому устанавливается стационар­ное значение кристаллизационного давления, которое поддержи­вает определенную толщину флюидной пленки (Остапенко, 1984, 2001; Ланда, 1979). По мнению других, свойства флюидной пленки и, следовательно, условия питания растущих кристаллов опреде­ляются зависимостью поверхностного натяжения этой пленки от различных параметров: толщины этой пленки, являющейся функ­цией кристаллизационного давления на нее, температуры кри­сталлизации, концентрации вещества и т. д. (Хаимов-Мальков, 1959). Некоторые исследователи считают кристаллизационное давление дополнительным фактором, способствующим проникно­вению жидкости между раздвигающимися зернами металлов (Пер­цев и др., 1974) и горных пород (Поспелов и др., 1965).

А. А. Беус (1961) объясняет существование граничной флю­идной пленки между растущим кристаллом и матрицей распадом в ее пределах привносимых из внешнего раствора ацидокомплекс­ных соединений с выделением здесь анионов сильных кислот. По­следние активно разъедают минералы матрицы, тогда как ка­тионы, содержавшиеся в этих же комплексных соединениях, при распаде последних наращивают растущие кристаллы.

Д. П. Григорьев и др. (1975) считают возможным участие в формировании питающей флюидной пленки как кристаллизацион­ного давления, так и реакции с высвобождением анионов сильных кислот.

Я считаю, что во всех этих представлениях имеется сущест­венный недостаток. Дело в том, что кристаллизационное давление и появление сильных кислот во флюидной граничной пленке дей­ствует одновременно как на растущий кристалл, так и на вмещаю­щую его породу. Поэтому на то и другое оба этих явления должны действовать не дифференцированно, а одинаково. Иными сло­вами, если повышение кристаллизационного давления способст­вует растворению вмещающей породы, то оно должно способство­вать в той же степени и замедлению роста кристалла или даже его растворению, так как рост и растворение – это обратимые про­цессы. Значит, кристаллизационное давление, едва начав дейст­вовать, сразу же вызовет противодействие того же самого кри­сталла, который его создал, т. е. это давление должно прекра­титься, так и не начавшись. То же должно происходить и при по­вышении кислотности и химический агрессивности раствора в пленке. Поэтому оба этих фактора не могут одновременно способ­ствовать росту кристаллов и растворению матрицы, а значит, они не могут иметь какого-либо существенного значения и в поддержа­нии постоянной толщины тонкой флюидной пленки, т. е. в поддер­жании проницаемости пород в течение метасоматических процес­сов.

Основываясь на представлении об СРПС, я предлагаю прин­ципиально новое объяснение причины поддержания микропор от­крытыми при метасоматозе. Главным фактором в этом процессе является осмотическая составляющая СРПС (О-СРПС), прояв­ляющаяся в виде МДК-эффекта. Рассмотрим механизм его дейст­вия в микропорах.

Возьмем сначала клиновидно или конусовидно сужающуюся микропору. В тех частях, где ее диаметр становится меньше двух средних расстояний между молекулами растворенного вещества, вероятностный контур хаотического пробега молекулы до соуда­рения с одноименными молекулами и стенками микропор стано­вится асимметричным. Если определить точнее, то асимметрия начинает проявляться при диаметре микропоры меньше

,

где d – диаметр микропоры;

 – среднее расстояние между молекулами растворенного веще­ства;

 – угол выклинивания микропоры.

Рис. 4. Схема механизма возникновения направленного движения моле­кул растворенного в жидкости вещества (кружки) к выходу из клиновидно сужающейся микропоры при МДК-эффекте. Круговые линии с зигзагооб­разными радиальными линиями – вероятностные контуры хаотического пробега молекул растворенного до соударения с соседними одноимен­ными молекулами и стенками микропор. Черные треугольники – разница площа­дей двух частей контура пробега молекул, обращенных наружу и внутрь микропоры. Стрелки внутри контуров – направление движения молекул к выходу из микропор. l ­ – интервал микропоры, в котором создается дви­жение молекул к выходу из микропор; d – диаметр микропоры, начиная с которого происходит их направленное движение;  – угол выклинивания микропоры;  – радиус вероятностного контура, равный среднему рас­стоянию между растворенными молекулами

Рис. 5. Диаграмма зависимости отноше­ний площадей частей вероятностного контура пробега молекулы, обращенных наружу (S1) и внутрь (S2) сужающейся микропоры, от расстояния (Х) в направ­лении к выходу из нее. Точка I ограничи­вает интервал проявления микропоро­диффузионного эффекта внутри микро­поры

Рис. 6. Схема механизма возникновения направленного движения моле­кул растворенного в жидкости вещества (кружки) к выходу из микро­поры, имеющей одинаковое поперечное сечение на всем протяжении (n – зона активного движения растворенных молекул к выходу из мик­ропоры в ее устьевой части, где вероятностный контур имеет асиммет­ричную конфигурацию; m – остальной объем микропоры, где диффузи­онный поток не способен образоваться самостоятельно вследствие симметричности вероятностного контура пробега молекулы)

Следовательно, МДК-эффект способствует ускорению движе­ния всех растворенных молекул по мере сужения микропоры, когда ее диаметр становится меньше среднего расстояния между моле­кулами. При метасоматозе в тонкой флюидной пограничной пленке между растущим кристаллом и вмещающей породой – разновид­ности микропоры – имеются растворенные компоненты как прив­носимые извне, так и растворяемые здесь же из вмещающей по­роды. Все они одновременно с одинаковой силой будут стре­миться удалиться за пределы этой пленки в более широкие ее участки, если толщина этой пленки будет уменьшаться по каким-либо причинам: или вследствие ее сжатия горным давлением, или в результате ускоренного роста метасоматического кристалла и замедленного растворения вмещающей породы. Значит, в этом случае растворение минералов вмещающей породы будет уско­ряться, так как будет уменьшаться концентрация растворенных компонентов. При этом рост метасоматического кристалла будет замедляться, так как уменьшится привнос новых веществ извне для его образования. Чем меньше толщина флюидной пленки, тем больше ускорятся эти процессы в соответствии с действием МДК-эффекта и, значит, тем быстрее стенки будут стремиться к расши­рению, противодействуя сжимающим их силам.

Рис. 7. Направление О-СРПС, отталкивающей молекулы раствора от сте­нок в клиновидной (а) и щелевидной (б) микропорах: F – направление действия сил, отталкивающих молекулы непосредственно от стенок; F1, F2, F3, F4 – результирующие этих сил, направленные к выходу из микро­поры; F’ – направление промежуточной результирующей сил, действую­щих одновременно в приустьевой части микропоры как внутри, так и сна­ружи под разными углами, в данном случае – под прямым

Кроме того, особенностью МДК-эффекта, как было показано выше, является ускорение химических реакций в микропорах за счет увеличения частоты соударения каждой из молекул со стен­ками микропор. Иначе говоря, каждая молекула за счет более час­того соударения со станками флюидных пленок стремится быстрее встроиться в кристаллическую решетку растущего кристалла. При­чем это делают молекулы как привнесенные извне, так и раство­ренные из вмещающей породы. В результате этого быстрее растет кристалл и быстрее растворяется противоположная стенка вме­щающей породы во флюидной пленке, ускоряя метасоматические процессы по преобразованию одной породы в другую.

Следует отметить, что действие этого эффекта принципи­ально отличается от действия кристаллизационного давления или действия сильных кислот во флюидной пленке тем, что он зависит от толщины пленки и сам активно формирует эту толщину в то время как кристаллизационное давление, в понимании предло­живших это понятие исследователей, создается ростом кристалла и содействует этим растворению вмещающей породы. Неясно, чем в их представлениях вызвано такое соответствие роста кристалла и растворения вме­щающей породы, чтобы толщина межзерновой пленки оставалась все время постоянной.

Все вышеописанное касалось только механизма поддержания микропористости в участке метасоматического роста конкретного кристалла. Известно, что метасоматоз происходит в пределах тек­тонических зон и непосредственно инициируется ими. В этих зонах появляется неравномерная пористость и трещиноватость, вызван­ная механическими деформациями пород. Именно такая зона бла­гоприятна для действия МДК-эффекта, так как здесь возникают трещинные пустоты для «складирования» в них вещества, раство­ренного при метасоматических процессах в ходе поддержания там тонких пленочных флюидопроводников на границе зерен растущих минералов. Если бы не было трещинных пустот и пористость была бы одинакова повсюду, то МДК-эффекту некуда было бы переме­щать избыточные химические компоненты из межзерновых пленок и его действие остановилось бы, не создав метасоматоза.

В отличие от термоосмоса, при котором сама вода переме­щается в пределах поверхностного слоя (Дударев и др., 1982), МДК-эффект диффузионным способом движет растворенные хи­мические компоненты.

Таким образом, МДК-эффект, созданный за счет действия О СРПС, способствует поддержанию постоянной проницаемости пород и определенной толщины межзерновых флюидных пленок в течение всего хода метасоматических процессов. Он инициируется за счет тектонических подвижек, создающих трещинные пустоты куда «складируются» все избыточные компоненты химических ре­акций при метасоматозе и выравнивании толщины и удлинении пленочных флюидопроводников.