Введение к работе
Актуальность работы
В минералогии сформировалось новое направление - генетическая минералогия, задачами которой являются изучение процессов и форм записи, хранения и преобразования минералогической информации в процессе развития минеральных систем, разработка надежных методов ее расшифровки, использование минералогической информации в познании генезиса и истории развития минералогических объектов в практике поисков месторождений полезных ископаемых (Н.П.Юшкин, 1976). В структуре генетической минералргии выделяют три направления: 1) историко-эволюционная минералогия; 2) экологическая минералогия; 3) геодинамическая минералогия (А.Г.Жабин.1981).
.Существование электрических и электромагнитных явлений в природе общеизвестно, хот» механизмы накопления, место локализации объемного заряда, обуславливающего данные явления, условия и время его релаксации недостаточно изучены (А.А.Воробьев.1970).
Аккумулирование заряда минералами при радиационном воздействии на горные породы, изменение их состава и увеличение дефектности, влияние накопленного заряда и нарушений на электромагнитные явления, поиски подобных эффектов на природных объектах, представляют научный и практический интерес. Особого внимания заслуживают исследования механизмов накопления информации минералами при образовании горных пород, то есть информация, синхронная кристаллизации минерала в стадию сингенеза (А.Г\Жабин,1976) и изменения их в стадию диагенеза с последующей метаморфической дифференциацией в стадию метаморфизма.
Ранее нами экспериментально установлено, что электрические и электромагнитные сигналы в интервалах температур природных физико-химических процессов являются следствием закодированной информации - об условиях генезиса минералов (В.Н.Сальников, СД.Заверткин, М.В.Коровкин,1976). Представляется необходимым исследовать внутренние причины возникновения электрических и электромагнитных сигналов при возбуждении минералов и горных пород тепловым, электрическим и радиационным полями, разработать физические модели механизмов их генерации, создать надежную аппаратуру для их регистрации, кодирования, обработки и хранения полученной информации. Часть исследований электрофизических свойств горных пород и минералов проведена для решения конкретных поисково-оценочных и разведочных , задач на перспективных месторождениях золота, молибдена, нефти и газа, а также для объяснения бьістропротекаіощих процессов в окружающей среде, в геоактивных зонах и в районах с антропогенной нагрузкой.
Цель работы
Исследование электрических и электромагнитных явлений при термовозбужденни минералов и горных пород для теоретического и экспериментального доказательства объективного существования нового явления природы - радиоизлучения горных пород, минералов, неорганических веществ и петрургнческих сплавов при фнзикохимическнх процессах в них.
Оаюеныг задача исследований
-
Создать методику измерения электрических и электромагнитных характеристик при термовозбуждении минералов и горньіх пород.
-
Исследовать возможности получения генетической информации по данным измерения электрических и электромагнитных сигналов, используя эффект памяти в минералах и аморфных искусственных соединениях: стеклах, петрургнческих сплавах и ситаллах.
-
Разработать физические модели изменений проводимости и генерации импульсного электромагнитного излучения при физико-химических процессах кристаллизации и преобразования минералов'.
-
Оценить возможность использования методов электропроводности и электромагнитного излучения в разработке нового критерия
, поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, оценки экологической Безопасности, возникающей вследствие воздействия электромагнитной эмиссий горных пород и минералов на природных объектах и в зонах антропогенеза.
Научная новизна работы
1. Впервые установлено импульсное электромагнитное излучение минералов, горных пород и искусственных кристаллов при возбуждении их тепловым, электрическим и радиационным полями и объяснена природа возникновения этого явления (заявка на открытие 32-ОТ-84) 7).
2. Предложена модель изменения электропроводности калийсоде-ржащих минералов и горных пород в зависимости от их абсолютного возраста. Модель проверена экспериментально с применением метода аннигиляции позитронов.
3. При нагревании минералов обнаружены эффекты электрической и
электромагнитной памяти о параметрах природных процессов мннера-
лообразования. Электрические н электромагнитные явления, при вос
становлении "памяти" в минералах вследствие радиационного воздей
ствия, несут дополнительную информацию об условиях
минералообразовання. '
4. Впервые экспериментально исследованы закономерности генерн-
> рования импульсного электромагнитного излучения, электропроводно
сти и термотоков при фазовых превращениях в конструкционных
материалах (полупроводниках, технических пирокееновых стеклах и
ситаллах). .
5. Установлены закономерности изменения электрофизических
свойств минералов и горных пород из месторождений молибдена,
золота, полнметаллов, нефти и газа от условий их образования,
метасоматнческих и гидротермальных изменений, от диагенетнческнх
преобразований осадков.
-
Предложена методика синхронной регистрации электропроводности и электромагнитного излучения для,определения температур минералообразовання, фазовых и полиморфных переходов в минералах и конструкционных материалах.
-
Описаны процессы генерации и релаксации электромагнитных систем в литосфере и в зонах антропогенеза. Представлены модели электромагнитных систем, возникающих в геоактивных зонах. Оценена их экологическая опасность и сделаны рекомендации по прогнозу, непериодических быстропротекающих явлений в окружающей среде.
Практическая ценность
Впервые экспериментально установлено импульсное электромагнитное излучение твердых тел при их возбуждении. Исследования открывают новые методические направления в генетической, радиационной, экспериментальной и технологической минералогии, геофизике, петрографии, физике твердого тела, технологии минералов, экологии.
Полученные экспериментальные результаты по регистрации импульсного электромагнитного излучения модельных кристаллов, минералов и горных пород позволяют рекомендовать вышеперечисленные методы для изучения фазовых переходов в минералах, а именное образования и распада твердых растворов, полиморфных переходов, образования новых фаз и установления степени диагенеза осадоч-нчых пород. Предложенная автором модель механизма импульсного электромагнитного излучения искусственных минералов из полупро-водников (кремний с электронной и дырочной проводимостью) может быть использована для объяснения электромагнитных импульсов, возникающих в рудных полупроводниковых минералах (пиритах, сфалеритах, галенитах и др.), которые в настоящее время являются предметом интенсивных исследований и служат индикаторами воздействия природных геофизических полей и геологических процессов. Методика регистрации импульсного электромагнитного излучения при фазовых переходах в минералах позволяет получить/Информацию о имевших место ранее термических, механических и радиационных воздействиях на минералы и горные породы. Данная информация имеет важное значение для познания их геологической истории.
Измерения электромагнитного излучения и электропроводности этих минералов при их нагревании позволяют более точно и надежно фиксировать температурный интервал минералообразовання. Тем
самым открывается еще одна область применения мельчайших газово-жидких включений и других дефектов в минералах для. изучения термодинамических параметров геологических процессов.
Выполненные эксперименты дают возможность использовать электрические и электромагнитные явления, вызванные нагреванием образцов горных пород и минералов, для изучения их генетической природы и температурных диапазонов сингенеза, диагенеза, гидротермального метаморфизма. Установлено, что интенсивность электромагнитного излучения при нагревании кристаллов зависит от дозы облучения и энергии кристаллической решетки. Поэтому методом измерения' интенсивности электромагнитного излучения можно изучать' энергию, запасенную в кристаллах вследствие термической закалки или их радиационного облучения.
Предварительное облучение образцов горных пород электронами приводит их минеральную систему в возбужденное состояние и облегчает расшифровку определенных физико-химических процессов (изоморфизма, фазового состояния) методами электропроводности, эмиссии электромагнитных и акустических импульсов при их нагревании. Исследования радиационного воздействия на горные породы и минералы подтверждают гипотезу А А.Воробьева об их заряжении, образовании локальных полей высокой, напряженности и генерировании при этом электромагнитного излучения. Обнаружено явление генерации импульсного радиоволнового диапазона электромагнитного излучения полиметаллическими рудными телами (А.Г.Соболев и др., 1982). Проведены опытные работы по исследованию высокочастотных электромагнитных полей во время сильного землетрясения в. Иране. Предполагается разрядный или релаксационный механизм их генерации (МЕ.Гохберг и др., 1979). Проведены работы по регистрации оперативного электромагнитного предвестника землетрясений в Японии.
При нагревании двойных систем ионных соединений NaCl. и КС1 была показана возможность определения диаграммы взаимного растворения и солндуса, температур плавления и выделения запасенной энергии ' методами измерения электропроводности и регистрации электромагнитных и акустических импульсов. Результаты этих экспериментов раскрывают еще одну возможность моделирования , электрических и электромагнитных явлений, возникающих в горных породах при воздействии различных полей (теплового, радиационного, электромагнитного) в их естественном залегании.
. Исследования электромагнитного излучения позволяют применить методику измерения интенсивности импульсного электромагнитного излучения для контроля оптимальных температур термомеханического разрушения горных пород и термического бурения.
Установленное явление импульсного электромагнитного излучения горных пород и минералов может найти применение в ' практике
геофизических работ. Предварительное напряженное состояние в породах, ' его релаксация перед тектоническими процессами и землетрясением сопровождается электромагнитным излучением, что уже используется для определения взрывоопасных участков в шахтах и рудниках (П.В.Егоров,ЛА.Колпакова,1988; А.Г.Пимонов, 1991; А.М.Тактосопиев, 1987; Ю.П.Ипатов, 1986).
* Методы i< результаты исследований могут найти применение в инженерной геологин для изучения процессов в грунтах при намечающихся оползневых явлениях, для прогнозных оценок момента разрушения основания фундаментов зданий и крупных сооружений, а также для поисков полезных ископаемых (В.Н.Саломатин и др., 1981).
На примере Сорского молибденового и Коммунаровского золоторудного месторождений показано применение разработанных методов для расшифровки стадий наложенных процессов метасоматоза и рудообразования. Изучение электрофизических свойств горных пород стратиформных полиметаллических месторождений позволяет , рекомендовать . методы электропроводности и электромагнитного излучения как новый критерий для поисков и оценки месторождений полезных ископаемых. Комплексное исследование физических свойств палеозойских отложений нефтегазовых месторождений Томской области применено . для корреляции и расчленения карбонатных пород с целью выявления перспективных площадей.
Построение моделей электромагнитных систем позволило объяснить механизм образования плазменных объектов в литосфере, в зонах техногенеза и рекомендовать способы прогноза времени и места их проявления.
Защищаемые положения
-
Впервые экспериментально установлено импульсное электромагнитное излучение в, широком диапазоне радиоволн, возникающее при нагревании искусственных кристаллов, минералов, горных пород и аморфных твердых тел (стекол; ситаллов). »
-
Генерирование электромагнитного излучения при физико-химических процессах, происходящее вследствие нагревания минералов, обусловлено двумя механизмами: адгезионно-когезионным и флуктуационным. Построены модели по объяснению изменения объемной'проводимости и генерирования электромагнитных сигналов в окислах кремния, слоистых, каркасных силикатах и горных породах.
3. По интенсивности электромагнитной' эмиссии и изменению электропроводности можно определять температуру микералообразова-ния и полиморфных превращений. Процессы метасоматоза и контак-тово-метасоматического метаморфизма отражаются в электрических и электромагнитных явлениях при возбуждении горных пород тепловым полем.
4. Установлена эмиссия электромагнитных сигналов в интервалах
выделения запасенной энергии при радиационном воздействии на ми
нералы. Эффекты.памяти в минералах мусковите, кварце, полевом
шпате и других обусловлены выделением части запасенной на дефе
ктах энергии в виде электрических и электромагнитных сигналов, не
сущих генетическую информацию о сингенезе, диагенезе и метамор
фических нзмененііях горных пород. Радиационное стимулирование ге
нетической памяти в минералах позволяет повысить информативность
электрических и электромагнитных сигналов в интервалах температур
минералообразования и изоморфных замещений.
5. Метод электропроводности и импульсного электромагнитного
излучения позволил расшифровать и уточнить генезис стратиформных
полиметаллических рудопроявленнй о.Вайгач и палеозойских
отложений нефтегазоносных месторождений Томской области. Метод
рекомендован для изучения состава, строения и технологии обработки
изделий из каменного литья (ситаллов, стекол).
6. В природе и техногенезе могут формироваться электромагнитные системы, имеющие квазшфнсталпическое строение, которые взаимодействуют с литосферой или с атмосферой, образуют новый источник минералообразования, являются причиной природных и техногенных катастроф, влияют на экологию среды и биосистемы. Выделен новый геологический процесс взаимодействия долгоживущнх плазменных образований с литосферой. По частоте и времени- проявления электромагнитных систем выделяются геоактивные зоны и осуществляется прогноз экологических природных и техногенных катастроф.
Личный вклад автора
Личный вклад автора заключается в формировании направления изучения электрофизических свойств минералов для развития генетн-ческой.радиационной и экологической минералогии. Автором разработана методика измерения электропроводности и импульсного электромагнитного излучения при нагревании минералов и горных пород, проведены эксперименты и их интерпретация. Материалы научно-исследовательских работ, которые включены в диссертацию, выполнены, в основном, индивидуально и частично в соавторстве. В совместных исследованиях автор осуществлял основные теоретические и экспериментальные разработки при постановке проблемы и ее решении. Исследования автора по теме диссертационной работы были начаты в 1970 году на кафедре физики твердого тела электрофизического факультета ТПИ, где проведены основные эксперименты ' по электрофизическим свойствам минералов и горных пород. Затем с 1978 года работа была продолжена на кафедре минералогии и петрографии геологоразведочного факультета ТПИ, согласно госбюджетной теме "Разработать и внедрить электрофизические методы исследования генетических и технологических' особенностей природных и искус-
ственных минералов" (проблема 0І, 1992-1995 г\г.). С 1992 по 1993 год * работа выполнялась по гранту, раздел 1.1, Геология, тема "Изучение термо- и радиацнонностимулированных электромагнитных и акустических эффектов в минералах и горных породах с целью моделирования генетической среды и выявления типоморфных признаков".
В диссертации последовательно изложены методические, экспериментальные и теоретические результаты исследования, рассмотрены варианты решения прикладных задач. Работа состоит из введения, 6 глав,, выводов и приложений (1-5). Общий объем страниц - 530, 39 таблиц, 155 рисунков, 36 фотографий, 419 наименований в списке литературы, приложения 1,23.4,5 (объемом 137 страниц). - ,
Автор выражает глубокую благодарность научным консультантам: профессору кафедры минералогии и петрографии ФГН ТПУ, доктору геол.-мин.наук А.Г.Бакирову; завкафедрой методики поисков и разведки МПИ ФГН ТПУ профессору, доктору , геол.-мин.наук А.Ф.Коробейникову; академику Международной Академии творчества, академику Международной Академии экологии и жизнеобес-печениядоктору геол.-мин.наук, профессору ТГУ А.В.Манаикову, под руководством которых он продолжал научную деятельность и со стороны которых постоянно получал поддержку, помощь и содействие в работе. Большую помощь в создании установок оказали геофизик Б.Н. Прнезжев, ннженер-светотехник'А А.Беспалько; в оформлении диссертационной работы принимали участие Е.И.Мнзюркина, Л.Ю.Ґерих, которым автор выражает свою искреннюю признательность.
Апробация рабоїті
По теме диссертации опубликовано 127 работ,получено одно авторское свидетельство. Результаты исследований изложены в 9 научных .отчетах, зарегистрированных в ВНТИ-центре. Написано учебное пособие, за которое автор получил диплом И-й степени. Результаты работы обсуждались на 4-ом Всесоюзном совещании по радиационной физике и химии ионных кристаллов (Рига, 1978), на Всесоюзном симпозиуме "Катализированная кристаллизация стекол" (Москва, 1978), на Всесоюзном семинаре "Радиационные явления в широкозонных оптических мат^эиалах" (Самарканд, 1979), на 3-ей региональной научно-практической конференции (Томск,1980), на П-ом Всесоюзном минералогическом семинаре "Проблемы генетической информации в минералогии", (Сыктывкар, 1980), на Всесоюзной конференции по условиям образования редкометалльных и свннцово-цинковых стра-тиформных месторождений (Москва, 1982), на Всесоюзном научном совещании 'Электроимпульсная технология и электромагнитные процессы в нагруженных твердых телах" (Томск, 1982), на конференции "Проблемы геологии и разведки месторождений полезных ископаемых Сибири" {Томск, 1983 ), на Всесоюзном совещании 'Теория и методология минералогии (Сыктывкар,1985), на семинаре 'Техни-
ческие методы изучения аномальных явлений (Горький,] 986), на Всесоюзной конференции "Роль технологической минералогии в расширении сырьевой базы СССР" (Челябинск, 1986), на Ш-ей сессии Северо-Кавказского отделения ВМО АН СССР "Минералого-геохими-ческие критерии локального оруденения" (Цей,1986), на научно-практической конференции "Методы исследования в химии и химической технологии" (Томск,1986), на XI-ом Всесоюзном совещании по экспериментальной минералогии (Черноголовка,1986), на 1,2,3 Всесоюзных научно-технических школах-семинарах по непериодическим быстропротекающим явлениям в окружающей среде (Томск, 1988,1990,1992), на научно-практической конференции "ЭНИО-90,91" (знергоинформацнонные процессы в природе и обществе и проблемы энергоннверсин, Краснодар, 1990,1991), на семинаре "Геологическая синергетика" (Алма-Ата, 1991), на конференции "Сверхслабые воздействия в технике, природе и обществе" (Москва, 1993), на. Межгосударственном минералогическом семинаре "Минералогия и жизнь" (Сыктывкар, 1993), на Международной научной конференции "Сопряженные задачи физической механики и экологии" (Томск, 1994), на Всероссийской междисциплинарной научно-практической конференции "Проблема выживания человечества" (Томск,1994).