Экспериментальная и техническая петрология

Федеральная целевая программа «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы»






Е.Н. Граменицкий, А.Р. Котельников, А.М. Батанова, Т.И. Щекина, П.Ю. Пленов


    ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ
И ТЕХНИЧЕСКАЯ ПЕТРОЛОГИЯ



Рекомендовано президиумом Отделения геологии У МО университетов России от 2 декабря 1999г. № УМО-24/99 и независимыми экспертами в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям “Геология" и “Геохимия"










Москва Научный мир 2000

УДК 549.08;552.(18
ББК 26.31
      Г76

           Издание осуществлено при финансовой поддержке Федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундамент альиой науки на 1997-2000 годы»


          Граменицкий Е.Н., Котельников А.Р., Баганова А.М., Щекина Т.И., П.1ечов П.Ю.
Г76 Экспериментам,пая н техническая петрология. - М.: Научный мир. 2000. - 416 с.
             ISBN 5-89176-120-3
             В книге определены цели, задачи, содержание и необходимость экспериментальных исследований в современной петрологии. Показана роль эксперимента в решении главнейших петрологических проблем: создании количественных моделей эндогенных процессов и понимания специфики состояния вещества в глубинах Земли. Продемонстрированы возможности эффективною решения прикладных вопросов (в металлургии, производстве стекла, силикатном производстве, захоронении радиоактивных отходов и др.) с помощью петрологического эксперимента. Подробно рассмотрены техническое оснащение, методика, проведение эксперимента, анализ получаемых в опытах продуктов и приемы обработки полученных данных. В приложении прнводшея большой справочный материал, необходимый каждому экспери-менгатору.
             Для студет ов геологических специальностей высших учебных заведений, аспирантов и молодых научных работников.
                                                              УДК 549.08;552.08
                                                              ББК 26.31
                                        Рецензенты:
докт. геол. -мин. наук II.Н. Перцев докт. геол. -мин. наук, проф. С. В. Ежов


             This book describes the most significant goals, tasks and problems of the modem experimental petrology and mineralogy. Il consistsofthe detailed descriptions of the technical equipment, experimental approaches, and analytical methods for experimental phases and, last but not least, approaches to result interpretations. Applications to this book contain a lot oft he reference data, which is necessary’for each experimental rcasearcher.
             The special chapter is dedicated to the experimental petrology in the answers to the most important petrological problems, in the creating of the qualitative models of the endogenous processes and in the petrological interpretation of the "substance of the matter" of the Earth interior.
             Another special chapter shows the possibilities of the experiment al petrology in the solution of the applied problems, such as glass production, silicate production, burial of radioactive wastes, metallurgy and other.
             This book would be very helpful for graduate and PhD students in universities and for young experimental petrologists.


ISBN 5-89176-120-3

©Центр '‘Интеграция”, 2000

         ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

             Символы минералов

Символ  Латинское название Русское название            
Лаш     Alkali amphibole   щелочной (натриевый) амфибол
ЛЬ      albite             альбит                      
Act     actinolite         актинолит                   
Adr     andradite          андрадит                    
Aeg     aegirine           эгирин                      
Alm     almandine          альмандин                   
And     andalusite         андалузит                   
An      anorthite          анортит                     
Ath     anthophyllite      антофиллит                  
Ap      apatite            алаггит                     
Arg     aragonite          арагонит                    
Bd      baddeliit          бадделиит                   
Bt (Bi) biotite            биотит                      
Brc     brucite            брусит                      
Cam     Ca clinoamphibole  Са клиноамфибол             
Cpx     clinopyroxene      клинопироксен               
t'g     camegiete          карнегиит                   
Cal     calcite            кальцит                     
Caixig  Mg calcite         кальцит магнезиальный       
Chi     chlorite           хлорит                      
Coes    coesite            КОЭС1ГГ                     
Crd     cordierite         кордиерит                   
Crn     corundum           корунд                      
Crs     cristoballite      кристобашпгг                
Dm nt   diamond            алмаз                       
Di      diopside           диопсид                     
Dol     dolomite           доломит                     
Ds                         “дисиликат”                 
Dvtr                       девитрит                    
En      enstatite (ortho)  энстатит орто               
Fa      fayalite           фаялит                      
Hl      fluellite          флюеллит                    
Fsp     feldspar           щелочной полевой шпаг       
Fo      forsterite         форстерит                   
Grt     garnet             гранат                      
Gh      gehlenite          геленит                     
Gr      graphite           графит                      
Grs     grossularite       гроссуляр                   
Hjp     hypersthene        гиперстен                   

3

Нс   hercynite          герцинит               
Jd   jadeite            жадеит                 
Kis  kalsilite          кальсилит              
Kin  kaolinite          каолинит               
Kfs  К feldspar         калиевый полевой шпаг  
К у  kyanite            кианит                 
Lint laumontite         ЛОМО1ГПГГ              
Let  leucite            лейцит                 
Mgs  magnesite          магнезит               
Mag  magnetite          магнетит               
Mtc  monticellite       монтичеллит            
Ms   muscovite          мусковит               
Mui  mullite            муллит                 
No   nepheline          нефелин                
O1   olivine            оливин                 
Omp  omphacite          омфацит                
Oam  orthoamphibole     ортоамфибол            
Or   orthoclase         ортоклаз               
Opx  orthopyroxene      оргопироксен           
Pen  protoenstatite     протоэнстатит          
Per  periclase          периклаз               
Phi  phlogopite         флогопит               
Pl   plagioclase        плагиоклаз             
Prp  pyrope             пироп                  
Prl  pyrophyllite       пирофиллит             
 Py  pyrite             пирит                  
Qtz  quartz             кварц                  
S    sulfur             сера                   
Sa   sanidine           санидин                
Sdl  sodalite           содалит                
Srp  serpentine         серпентин              
sil  sillimanite        силлиманит             
Sp   sphalerite         сфалерит               
Spl  spinel             шпинель                
Tic  talc               тальк                  
Tr   tremolite          тремолит               
Toz  topaz              топаз                  
Trd  tri dimite         тридимит               
Vrkt vairakite          вайракит               
Wo   wollastonite       волластонит            
 Zo  zoisite            цоизит                 
     Символы пород      Другие сокращения      
P    базальт            F1     флюид           
oip  базальт оливиновый G1      стекло         
alkp базальт щелочной   )iq      ликвидус      
Y    гранит             L      расплав         
Ne £ сиенит нефелиновый sol      солидус       
si   сланец             ss      твердый раствор
                        v       пар            

4

            ОГЛАВЛЕНИЕ



Предисловие..................................................... 7
I. ЭКСПЕРИМЕНТ И ЕГО МЕСТО В ПЕТРОЛОГИИ......................... 9
П. ПЕТРОГЕНЕЗИС И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.................. 15
   П-1. Проблемы магматизма..................................... 16
       11-1-1. Петрологическое значение экспериментов в “сухих” системах .... 17
       П-1-2. Петрологическое значение систем слстучими СО₂, О₂) компонентами ...................................... 27
       П-1 -3. Значение систем с солевыми компонентами......... 36
   П-2. Проблемы метаморфизма.................................. 43
       П-2-1. Общие особенности экспериментального подхода..... 43
       П-2-2. Твердофазовые реакции минералов постоянного состава. 45
       П-2-3. Равновесия минералов постоянного состава с участием лстучихкомпонентов................................. 47
       П-2-4. Равновесия минералов переменного состава......... 53
       П-2-5. Реконструкция состава метаморфического флюида ... 59
   П-3. Проблемы метасоматоза.................................. 65
   П-4. Состояние вещества в глубинах Земли.................... 83
       П-4-1. Кристаллические фазы............................. 86
       П-4-2. Расплавы......................................... 89
       П-4-3. Флюидные фазы.................................... 98
Ш. ЭКСПЕРИМЕНТ В ИЗУЧЕНИИ ПРИКЛАДНЫХ ПРОБЛЕМ...................... 108
   Ш-1. Получение технических материалов из расплава.............. 111
       Ш-1 -1. Производство стекла................................ 112
       III-1 -2. Производство ситаллов........................ 121
       Ш-1 -3. Производство плавленых литых огнеупоров............ 123
       III-1-4. Петрургия..................................... 128
       Ш-1 -5. Пирометаллургия................................ 136
       Ш-1 -6. Другие технологии.............................. 144
   Ш-2. Технологии, основанные на твердофазовых реакциях...... 149
       Ш-2-1. Производство огнеупоров методом спекания............ 152
       Ш-2-2. Производство керамических материалов............ 158
       Ш-2-3. Производство и применение вяжущих веществ....... 164

5

Оглавление


   Ш-З. Взаимодействие техногенных расплавов е огнеупорами........... 17]
   Ш-4. Техно логин, основанные на взаимодействии кристаллического вещества с водными растворами............................ 179
       I1I-4-1. Гидрометаллургия..................................... 1 79
       III-4-2. Poci кристаллов из водных раст воров ................ 190
   Ш-5. Обезвреживание радиоактивных отходов......................... 192
IV. МЕТОДЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.................................... 206
   1V-1. Общие принципы организации экспериментальной .забора горни ... 206
   IV-2. Меры безопасности........................................... 209
   IV-3. Техника эксперимента........................................ 211
       IV-3-1. Главные типы аппаратов высоких гсмнератур и давлений . 211
       1V-3-2. Создание температуры.................................. 214
       lV-3-З.Измсренпетсмиературы .................................. 216
       1V-3-4. Регулировка температуры .............................. 223
       IV-3-5. Особенности аппаратуры для изучения включений......... 227
       IV-3-6. Создание давления .................................... 234
       IV-3-7. Удержание давления.................................... 236
       1V-3-8. Конструкционные приемы достижения сверхвысоких давлений на твердофазовых уст ановках................ 251
       IV-3-9. Измерение давления.................................... 255
   IV-4. Проведение эксперимента..................................... 261
       IV-4-1. Планирование.......................................... 261
       1V-4-2. Исходные вещества..................................... 264
       1V-4-3. Вводврежим и поддержание заданных параметров опытов .. 270
       IV-4-4. Химические условия эксперимента ...................... 274
       IV-4-5. Вывод из режима....................................... 282
       IV-4-6. Разгрузка опытов...................................... 283
       IV-4-7. Ведение лабораторного журнала ........................ 286
       1V-4-8. Наблюдения в процессе опытов.......................... 287
       IV-4-9. Методы i гзучения естественных включений в минералах . 291
   1V-5. Критерии равновесия......................................... 312
   IV-6. Методы изучения продуктов опытов............................ 319
V. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ............................................. 331
   V-1. Представление и хранение данных ............................. 331
   V-2. Простейшие приемы математической обработки................... 349
       V   -2-I. Расчеты с помощью определителей..................... 349
       V   -2-2. Применение методов математической статист ики....... 351
       V   -2-3. Аппроксимация экспериментальных зависимостей методом наименьших квадратов (МНК)............................... 369
   V-3. Эксперимент и термодинамические расчеты...................... 376
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................... 384
Приложение .......................................................... 390
Предметный указатель................................................. 413

6

                                        Посвящается нашим учителям и коллегам, работавшим и работающим в области эксперимента, и будущим экспериментаторам





            ПРЕДИСЛОВИЕ



    I [ропию более 15 лег после выхода из печати учебных пособий “Экспериментальная ncrpoi рафия" Е.Н.Грамсницкогоп А.Р. Котельникова и “Техническая петрография" А.МБатановой и Л.С.Бозаджпева. Они стали единственными учебниками, по которым читаются лекции и проводятся практические занят ия по соответствующим курсам на кафедрах петрологии и геохимии геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова, проводится практика в Институте Экспериментальной Минерало! ни ВАН. По нашим сведениям, они используются в учебном процессе Новосибирского и Санкт Петербургского университет ов. 11особпя оказались полезными не т олько студентам, но и аспирантам и молодым специалистам, начинающим свой путь в эксперименте. Неожиданно для авторов эти пособия оказались востребованы людьми самых различных геологических специальное! ей, которые находят в них что-то цепное для себя.
    Эти книги уже давно трудно достать. Доброжелательные отзывы работников учебных заведений, научных учреждений геологического и прикладного профиля России и республик бывшего СССР не т олько побуждали к работ е над переизданием пособии, но и содержали конструктивные пожелания об изменениях, дополнениях и т.п.
    За прошедшие 15 лег экспериментальная петрология, минералогия и геохимия не ст ояли на месте. Было выполнено большое количество интересных исследований, появилось много новых идей и даже целых направлений. Сменились акценты и появились новые приложения экспериментальных работ. В частности, специалисты в области экспериментальной и технической петрологии активно включились в решениеэко-логнчсских проблем, которые приобрели в последние годы особую актуальност ь, и предложили принципиально новые подходы к утилизации и обезвреживанию радиоактивных и других опасных для биосферы техногенных от ходов. Расширились технические и методические возможност и экспериментальных и прикладных исследований. У нас на глазах происходит революционная компьютеризация науки и технологии. Возрастают возможности аналитических, в том числе локальных, методов исследования. Применение электронного микрозонда становится почти рутинным методом исследования вещества. Изучение минерального состава и ст руктуры пород под электронным микроскопом с применением детекторов отраженных электронов постепенно теснят традиционные петрографические методы с помощью поляризационного микроскопа.

7

Предисловие


    Все прошедшие годы авторы в составе лаборатории экспериментальной и технической петрографии им. профессора С Д .Четверикова и в тесном содружестве с Институтом Экспериментальной Минералогии преподавали курс, давший название книге. проводили практикуй ПЭМ РАИ и занимались научными исследованиями в этих направлениях. Накопленный опьп положен в основу настоящего учебника, который ии в коей мере не является простои суммой названных выше книг. Все главы и разделы. сохранившие свои названия, переписаны заново, существенно переработаны и дополнены. В структуру книги включены совершенно новые главы и разделы (среди которых назовем “Состояние вещества в глубинах Земли”, “Захоронение радиоакт ивных отходов”, “Представление и хранение данных”, разделы, посвященные изучению включений в минералах природных горных пород).
    Работа но написанию книги была распределена следующим образом.
    А.М.Батанова писала главы I1I-1, Ш-2 и участвовала в написании глав Ш-З и Ш-4.
    Е.И.Граменицкий участвовал в написании всех без исключения глав учебника, а более половины из них написаны им почти целиком. Ему принадлежит общая компо-1 ювка 11 редакг щя всег о текста.
    А.Р.Котельниковым написаны главы Ш-5, V-2, около половины глав П-2, П-4, V-3 и много фрагментов практически во всех остальных главах.
    И.Ю.Плечовым написаны разделы, касающиеся работы евключениямн.
    Т.П .1 Джина написала главу Ш-4 и частично главы 11-1, П-4, IV-6, V-1. Крометого, она курировала подготовку иллюстраций ко всему тексту.
    Многиеразделы были обсуждены с 3.А.Котельниковой, в некоторые из которых ею сделаны существенные дополнения.
    Боггьшую работу по подготовке юипостраций к печати проделал Д.В. Лобанков, а текста и приложений -В.И .Свальнова.
    Значи тельную часть книги в рукописи прочитали В.Н.Коренева и студенты, проходившие в 1998 и 1999 году курс эксперимен тальной и технической петрологии. Н а семинарах, при сдаче коллоквиумов н зачета по курсу становились понятнее трудности, испытываемые при усвоении материала. Такая обратная связь очень помогла при написании и окончательном редактировании книги. Авторы пользовались консультациями, материалами и благожелательным содействием многих сотрудников геологического факультета MIУ, ИЭМ и других институтов Российской Академии I I аук.
    Публикация учебника финансировалась Центром содействия интеграции высшего образования и науки Минобразования России и РАН (Центр “Интеграция”, грант №215-05(1999)).
    Вкнигеиспользованырезультаты и методические разработки, полученные при работе по проекту 98-05-64182, финансировавшимся РФФИ (1998-2000г) и проекту № 501 3 программы Университеты России - фундаментальные исследования (19981999г).
    Всем лицам и организациям, способствовавшим улучшению содержания и выходу в свет книп г, авторы выражают свою глубокую признательность.       ,

8

            I. ЭКСПЕРИМЕНТ И ЕГО МЕСТО В ПЕТРОЛОГИИ



                                    Три пути ведут к знанию:
                                    путь размышлений - самый благородный, путь подражания - самый легкий, и путь опыта - это путь самый горький.
Конфуций



    В современной петрологии имеются два главных направления, которые условно можно обозначить как геологическое и физико-химическое. Второе из них является о гносительно более новым и особенно интенсивно развивается в последние десятилетия. По образному выражению Лейбница, это подход к природе как к большой лаборатории, в которой действуюттс же законы физики и химии. Наиболее общим методом данного направления служит физико-химическое моделирование эндогенных процессов. Исходными для него могул быть наблюдения над природными объектами, т.е. данные по геологическим отношениям, структурным и текстурным особенностям горших пород, изменениям их минерального и валового химического состава, а также состава отдельных фаз. На их основе создаются модели природных процессов, которые по меньшей мере не должггьг противоречить известным законам физики и химии. Чем глубже продумано такое соответствие, тем “жестче” становит ся модель, т.с. появляется возможность ее строгого анализа и получения неочевидггых выводов, которые могут быть проверены путем повторного целеустремленного изучения природного объекта или сравнением с результатами, полученными экспериментально.
    В настоящее время петрологам уже недостаточно эксперггментов, просто воспроизводящихкакой-либо процесс и показывающих качественно, что так могло происходить в природе. Часто требуется колггчественная ггнформация о параметрах (температуре, давлении и др.), делающая модель особенно жесткой. В случае ycnei иной проверки ее неочевидных выводов модель приобретает особую убедительность. Единс твенным источником количественной


9

Эксперимент и его место в петрологии

информации в петрологии является эксперимент. Даже широко используемые для оценки условий минералообразования термодинамические расчеты основаны в конечном счете на исходных численных характеристиках (теплоемкостях, теплотах образования и т.д.), полученных экспериментально.
    Во многихпегрологическихработахиспользовались и используются экспериментальные данные, полученные в неорганической и физической химии, а также в прикладных науках, обслуживающих производство (металлургию, силикатную технологию и др.). Однако эти результате! имеют ограниченное применение, поскольку эксперименты преследовали совсем иные цели, и многие петрологически важные системы ост ались неизученными. Мало того, развитие петрологии показало, что прямое перенесение принципов и законов физической химии на процессы, протекающие в земной коре, даег недостаточную и упрощенную картину'. Потребовалось р асширение многих укоренившихся понятий физической химии, развитие целого особого раздела термод инамики открьпых систем с вполне подвижными компонентами, введение ряда новых представлений: о дифференциальной подвижностиком-понентов, о мозаичном (локальном) равновесии и др. Соответственно возникла необходимость ив изменении методов экспериментального изучения подобных систем.
    Все сказанное свидетельствует о необходимости собственного экспериментального направления в петрологии, хотя для нее, так же как и для всех других геологических наук, моделирующие эксперименте! в целом не характерны. Невозможно достигнуть полной аналогии по масштабам, времени протекания, а главное, сложности процессов между явлениями, происходящими в земной коре - с одной стороны - и воспроизводимыми в лаборатории -с другой.
    Экспериментальные исследования в петрологии преследуют две главные цели.
    I.   Изучение физико-химических закономерностей образования минералов, горных пород и руд.
    II.   Выявление возможностей приложения петрологических методов в производстве пр омышленно ценных минералов иматериалов, утилизации отходов и в охране окружающей среды.
    Две цели определяют предметы соответственно экспериментальной и технической петрологии. У этих двух очень важных разделов общая техническая база, частично заимствованная у физических, химических и технологических лабораторий, общие методы исследований, требования к чистоте экспериментов, подходы к изучению продуктов опытов и др. Различие целей экспериментальной и технической петрологии не так уж контрастно. Известно, что практическивсе изобретения человечества имели аналоги в природе.

10