Введение к работе
Актуальность проблемы определяется важной ролью кристаллов, являющихся индикаторами условий природного минералообразования, и необходимостью совершенствования технологии выращивания искусственных кристаллов. Критический анализ существущизс представлений с вещественном взаимодействии минерала и среды показывает, что как о самом минера-лообразущем процессе, так и о различных неоднородностях кристаллов минералов, обусловленных отим процессом, существует много упрощенных и схематических построений без должного учета явлений, протекающих в минералэобрязующей среде. Вместе с тем известно, что растущий (растворяющийся) кристалл (сообщество кристаллов) оказывает значительное влияние на среду.-Характерной особенностыо подавляющего большинства экспериментов по выращиванию кристаллов является стремление создать условия, наиболее благоприятные для роста монокристаллов. Н результаты таких "чистых" -экспериментов далеко не всегда примени?. для раскифровки естественных процессов кристаллообразования по особенностям форм и строения кристаллов. На рост кристаллов -ті природной среде влияют самые разнообразные и подчас неожиданные факторы. Поятому более перспективно моделирование процессов гидротермального минералообразования в усложненных, на взгляд окспериментаторов, но обычных, с точки., яфения минералогов, условиях. Во многих, случаях природного и;искусственного минералообразования в качестве фактора, нарушающего идеализированную картину роста кристаллов, выступает неоднородность кристаллообразущей среды. В такой среде может существенно изменяться механизм роста кристаллов И, соответственно, искажаться их форма. Особенности взаимодействия растущих кристаллов с твердофазными и газообразными "частицами" отражаются в анатомии кристаллов, морфологии и наполнении включений в кристаллах. Однако' слабая изученность этих взаимодействий препятствует пониманию кристаллогенети-ческих процессов, происходящих в неоднородных средах, в особенности .гтриТ'ПОвышенньгх термодинамических параметрах. Следо-вательно.,"'весьма актуальным как для геолого-минералогических реконструкций, так и для промышленного производства кристаллов является исследование механизмов и закономерностей конвективного переноса з термоградиентных гидротермальных систе-
мах, кинетики растворения и роста кристаллов, т.е. особенности процессов в неоднородных средах.
Целью исследований, было кристаллогене-тическое моделирование процессов минералообразования в неоднородных средах, наиболее полезное для реконструкции природного формирования кристаллов, преимущественно в замкнутых полостях. Для этого решались следующие задачи: I) разработка методов исследования in ьііи кристаллогенетических процессов в неоднородных средах при температурах до 400С и давлениях до 0,1 ГПа; 2) экспериментальное изучение пространственно-временных изменений в системе "кристалл - среда" с целью получения количественных данных по динамике кристаллогенетиче-ского расслоения раствора (КРР) и выявление его роли в генезисе кристаллов; 3) экспериментальные и теоретические исследования особенностей структуры и динамики пограничного слоя (ПС) кристалла, анализ ростовых процессов кристалла с учетом взаимосвязанных процессов диффузии и гидродинамики ПС и окружающей среды, а также взаимного влияния примеси и основного компонента при их встраивании через адсорбционный пограничный слой (АЛО на поверхности грани; 4) изучение.процессов роста кристаллов в фазово-гетерогенных растворах/ установление генезиса ксеногенных включений и их влияния на конституцию и свойства кристалла; 5) сопоставление полученных " экспериментальных закономерностей с природными.
Диссертационная работа отвечает задачам современного -развития минералогии и кристаллографии. Ее тема входит в план НИР Института геологии Коми научного центра УрО АН СССР (темы: "Факторы, механизмы и эволюция минералообразования", "Научные основы и технология получения..искусственных минералов, монокристаллов и новых материалов"). Тема диссертационной работы под названием "Кристаллогенезис в неоднородных средах" утверждена на заседании ученого совета Института геологии 9 февраля 1988 г. (протокол № 3).
Научное и прикладное значение работы. 'Новизна работы и ее научная ценность заключаются в развитии эволюционного направления в кристал-логенетическом моделировании процессов минералообразования
в неоднородных средах, в создании новых методов исследования itL bita. эволюции кристаллообразущей среды в широком интервале термодинамических параметров и установлении новых явлений и закономерностей в системе "кристалл - среда". Автором впервые рассматривается кристаллогенетическое расслоение раствора как пространственно-временная структура, проведены исследования температурных, концентрационных и динамических полей в пограничном слое кристалла. В результате получены количественные данные о "поле дальнодействия" растущего кристалла, захвате и консервации чужеродных "частиц" с образованием "семейств" сингенетических включений, выявлены морфо-лого-анатомичесние следствия роста кристаллов в неоднородных средах, проведены прямые измерения особенностей флуктуации в турбулентных потоках изучаемых растворов при различных температурах, измерены In. ьіїи основные термодинамические параметры (температура, давление, плотность, концентрация, вязкость, скорости конвекционных потоков) гидротермальных растворов, что расширяет возможности реконструкции обстановки природного минералообразования.
Практическое значение работы состоит в использовании ее результатов для прогнозирования, поисков и оценки качества кристаллосырья. Автором создан ряд способов контроля процессов и выращивания кристаллов заданной формы и дефектности, в том числе на уровне изобретений (авторские свидетельства: № 706986 и № 1596907), удостоенных пяти медалей ВДНХ СССР. Практические рекомендации по технологии выращивания кристаллов переданы на предприятия по выращиванию кристаллов (ЛОЖ), ВНИИСШС, завод "Кристалл" Челябинской обл.).
Основные защищаемые положения.
-
Экспериментально установлено, что в процессе роста и растворения кристаллов в замкнутой системе в широком интервале термодинамических параметров формируется кристаллогенетическое расслоение раствэра. Эволюция расслоения определяется внешними и внутренними факторами, а его устойчивость зависит от величины и геометрии теплового потока, поступающего в систему.
-
Доказано, что взаимовлияние процессов в общем объеме кристаллообразующего раствора и в пограничном слое раствора около кристалла определяет термодинамические изменения состояния раствора в системе "кристалл - среда" и отражается на
кинетике роста и морфологии кристалла.
-
Экспериментальные исследования и их теоретическое моделирование показали, что твердые, жидкие и газообразные фазы, присутствующие в растворе, под действием стоксовских сил гидродинамического поля пограничного слоя раствора около кристалла захватываются им и оказывают влияние на процесс роста и морфолого-анатомическое строение кристалла. Полученные результаты являются основой для объяснения термобарометрических данных.
-
Комплекс оригинальных методов и устройств для наблюдений и измерений основных количественных характеристик кристал лообразующего процесса In ^itu расширяет возможности и повышает качество эволюционных исследований в системе "кристалл - среда" в широком интервале температур и давлений. Установленные закономерности пространственно-временных изменений морфолого-анатомического строения и физико-химических свойств минеральных индивидов и устройства для изучения гидротермальных процессов используются при градуировке индика- . торных признаков роста кристаллов в неоднородных средах, а также в технологиях их производства.
Апробация работы и публикации. Материалы диссертации обсуждались на XI и ХШ съездах Международной минералогической ассоциации (Новосибирск, 1976; Варна, 1982), ІУ симпозиумеЛАУОВ(Варна, 1974), X Международном кристаллографическом конгрессе (Амстердам, 1975), ХІУ Международном конгрессе по фотонике (Москва, 1980), Международном семинаре "Структурная кристаллография" (Звенигород, 1991), Всесоюзной конференции по росту кристаллов (Москва, 1988), X Всесоюзной конференции "Высокоскоростная фотография и метрология быстропротекащих' процессов" (Москва, 1981), Всесоюзном совещании по экспериментальной минералогии (Черноголовка, 1986), Всесоюзных У, УІ, УЇЇ совещаниях по термобарометрии (Уфа, 1976; Владивосток, 1978; Львов, 1985), Всесоюзных совещаниях "Теория минералогии" (Сыктывкар, 1985, 1991), Региональном совещании "Термобарогеохимия эндогенных процессов" (Благовещенск, 1984), И Всесоюзном совещании "Физико-химическое моделирование в геохимии и петрологии на'1, ЭВМ" (Иркутск, 1988), Всесоюзных симпозиумах "Современная техника и методы экспериментальной минералогии" (Черноголов-
ка, 1983), "Термодинамика в геологии" (Миасс, 1988), "Кинетика и динамика геохимических процессов" (Черноголовка, 1989), Всесоюзных школах-семинарах "Непериодические быстро-протекаюдие явления в окружающей среде" (Томск, 1988, 1990), семинаре "Минералогическая кристаллография, кристаллогене-зис, кристаллосинтез" (Сыктывкар, 1990), Всесоюзных семинарах "Тепло- и массоперенос при росте кристаллов" (Александров, 1985), "Проблемы генетической информации в минералогии" (Сыктывкар, 1976, 1980), Федоровских сессиях (Ленинград, 1973, 1978, 1981) и ряде других совещаний.
Материалы диссертации неоднократно докладывались на заседаниях Сыктывкарского отделения ВМО, Основные результаты исследований изложены в монографии, 9 брошюрах, 32 статьях. Всего опубликовано автором по теме диссертации 105 работ общим объемом 61 п.л.
Объем и структура работы. Диссертация (два тома) общим объемом 440 страниц состоит из введения, 6 глав, заключения (1-й том) и 5 Приложений (2-й том). Текст - 182 стр., рис. 146, табл. 30, библ. 336.
Благодарности. На формирование системы взглядов автора в области реального кристаллогенезиса большое влияние оказали мой учитель академик Н.П.Юшкин, академик Н.В.Белов, д-р г.-м. наук Т.Г.Петров, профессор Д.П.Григорьев, профессор Н.Н.Шефталь, к.ф.-м. наук В.Я.Хаимов-Малъ-ков, а также коллеги по совместной работе В.И.Силаев, С.А. Трошев, М.Ф.Щанов - им я выражаю особую благодарность. Автор также благодарен А.М.Асхабову, Г.Н.Боболовичу, В.А.Боброву, В.Л.Бородину, В.Я.Герасименко, В.В.Дронову, С.К.Кузнецову, И.П.Колмакову, М.И.Кучеру, Н.В.Косныреву, Т.П.Лупашко, В.И. Лютину, В.П.Лютоеву, Я.М.Нюссику, А.Б.Макееву, В.И.Ракину, В.П.Рузову, В.В.Рожковой, Н.М.Токмакову, Т.М.Туркиной, В.Н. Филиппову, Л.Л.Ширяевой, Ю.В.Шумкову, П.П.Юхтанову - за плодотворное сотрудничество на отдельных этапах выполнения работы. В.С.Балицкому, А.Э.Гликину, В.А.Дедееву, А.Г.Жабину, О.Г.Козловой, А.В.Козлову, И.Л.Комову, Ю.Б.Марину, Д.А.Мине-еву, Л.Н.Овчинникову, Ю.О.Пунину, М.И.Самойловичу, Ю.А.Ткачеву, Е.Б.Трейвусу, В.А.Утенкову, М.В.Фишману, В.А.Франк-Ка-менецкому, В.Е.Хаджи, Я.Э.Юдовичу - за ряд весьма ценных консультаций и содействие. Б.В.Гореву, Н.И.Павловой - за техническую помощь в оформлении работы.