Экспериментальная и техническая петрология
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Минералогия. Петрография
Издательство:
Научный мир
Авторы:
Граменицкий Евгений Николаевич, Котельников Алексей Рэдович, Батанова Анна Михайловна, Щекина Татьяна Игоревна, Плечов Павел Юрьевич
Год издания: 2000
Кол-во страниц: 416
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 5-89176-120-3
Артикул: 612446.01.99
В книге определены цели, задачи, содержание и необходимость эксперименталь- ных исследований в современной петрологии. Показана роль эксперимента в реше- нии главнейших петрологических проблем: создании количественных моделей эндо- генных процессов и понимания специфики состояния вещества в глубинах Земли. Продемонстрированы возможности эффективного решения прикладных вопросов (в металлургии, производстве стекла, силикатном производстве, захоронении радио- активных отходов и др.) с помощью петрологического эксперимента. Подробно рас- смотрены техническое оснащение, методика, проведение эксперимента, анализ получаемых в опытах продуктов и приемы обработки полученных данных. В прило- жении приводится большой справочный материал, необходимый каждому экспери- ментатору. Для студентов геологических специальностей высших учебных заведении, аспирантов и молодых научных работников.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 05.03.01: Геология
- ВО - Магистратура
- 05.04.01: Геология
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Федеральная целевая программа «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы» Е.Н. Граменицкий, А.Р. Котельников, A.M. Батанова, Т.И. Щекина, П.Ю. Плечов 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;552.08 Изданиеосуществлено прифшганоовой нод ББК 26.31 держке Федеральной целевой программы Г76 «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундамент алы г он пауки на 1997-2000 годы» Граменицкнй Е.Н., Котельников А.Р., Батанова A.M., Щскина Т.Н., П.1счов П.Ю. Г76 Экспериментальная и техническая петрология. - М.: Научный мир. 2000. - 416 с. ISBN 5-89176-120-3 В книге определены цели, задачи, содержание и необходимость экспериментальных исследований б современной нетролопш. Показана роль эксперимен т а в решении главнейших петрологических проблем: создании количественных моделей эндогенных процессов и понимания специфики состояния вещества в глубинах Земли. 11родемопетрированы возможности эффективного решения прикладных вопросов (в металлургии, производст ве стекла, силикатном производстве, захоронении радиоактивных отходов и др.) с помощью петрологического эксперпмеша. Подробно рассмотрены техническое оснащение, методика, проведение эксперимента, анализ получаемых в опытах продуктов и приемы обработки полученных данных. В приложении приводится большой справочный материал, необходимый каждому экспериментатору. Для студентов геологических специальностей высших учебных заведении, аспирантов и молодых научных работников. УДК 549.08;552.08 ББК 26.31 Рецензенты: докт. геол. -мин. наук Н.И. Перцев докт. геол. -мин. наук, проф. С. В. Ежов This book describes the most significant goals, tasks and problems of the modern experimental petrology and mineralogy. It consistsof the 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 of the reference data, which is nccessary for each experimental reasearcher. 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 experimental 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 "Нитрация", 2000
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ Символы минералов Символ Латинское название Русское название Aam Alkali amphibole щелочной (натриевый) амфибол Ab albite альбит Act actinolitc актнполит Adr andradite андрацит Aeg aegirinc 'пирип Aim almandine альмандин And aiidalusite андалузит An anorthite анортнт Ath aiitliophyllite антофилшгг Ар apatite апатит Arg aragonite apaioran' Bd baddeliit бадделииг Bt (Bi) biotite биотот Brc brucite брусиг Cam Ca clinoamphibole Саклнноамфибол ( p \ clinopyroxene клинопироксен Cg carnegiete карнегшгг Cal calcite кальщгг CnlM„ Mg caicite кальцит магне-гиаяьнын Chi chlorite хлорит Coes coesite коэспт Crd cordierite корднерит Crn corundum корунд Crs cristoballite кристобашпгг Dmnt diamond алмаз Di diopside диопсид Dol dolomite доломит Ds "днешшкат' Dvtr дешггрпт En enstatite (ortho) энстатит орто Fa fayalite фаялит HI fiuellite флюелшгг Fsp feldspar щелочной полевой шпат Fo forsterite форстерит Grt garnet гранат Gh gehlenite геленит Gr graphite графит Grs grossularite гроссуляр Hyp hypersthene nil герстен 3
Не hercynite Jd jadeite К Is kalsilite Kin kaolinite Kfs К feldspar К у kyanite [ill t laumontite Let leucite Mgs magnesite Mag magnetite Mtc monticellite Л Is muscovite Mul mullite Nc nepheline Ol olivine Omp omphacite Oam orthoamphibole Or orthoclase Opx orthopyroxene Pen protoenstatite Per periclase Phi phlogopite PI plagioclase Prp pyrope Prl pyrophyllite Py pyrite Qtz quartz S sulfur Sa sanidine Sdl sodalite Srp serpentine SSI sillimanite Sp sphalerite Spl spinel Tic talc Tr tremolite Toz topaz Trd tridimite V'rkt vairakite Wo wollastonite Zo zoisite Символы пород Р базальт Olp базальт оливиновый alkp базальт щелочной у гранит Ne £ сиенит нефелиновый si сланец герцинит жадеит калвсшшт каолинит калневьш полевой нгпат кианит ломонтит лейцит магнезит магнетит моншчелшп мусковит муллит нефелнн оливин омфапит ортоамфибол ортоклаз оргогшроксен протознстатат периклаз флогопит плагиоклаз пироп пирофиллит пирш' кварц сера санидин содалит серпенгин силшшанит сфалерит шпинель тальк тремолит топаз тридимит вайракит волластонит Ц0И31ГГ Другие сокращения F1 флюид G1 стекло liq ликвидус L расплав sol салидус ss твердый расгвор V nap
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие 7 I. ЭКСПЕРИМЕНТ И ЕГО МЕСТО В ПЕТРОЛОГИИ 9 П. П ОРОГЕНЕЗИС И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 15 TI-5, Проблемы магматизма 16 11-1-1. Петрологическое значение экспериментов в "сухих" системах .... 17 II-1-2. Петрологическое значение систем слегучими (Н20, СОг 02) компонентами 27 И-1 -3. Значение систем с солевыми компонентами 36 П-2. Проблемы метаморфизма 43 II-2-1. Общие особенности экспериментального подхода 43 II-2-2.'Гвердофазовые реакции минералов постоянного состава 45 II-2-3. Равновесия минералов постоянного состава с участием легучихкомпонентов 47 11-2-4. Равновесия минералов переменного состава 53 II-2-5. Реконструкция состава метаморфического флюида 59 II-3. Проблемы метасоматоза 65 П-4. Состояние вещества в глубинах Земли 83 II-4-1. Кристаллические фазы 86 И-4-2. Расплавы 89 II-4-3. Флюидные фазы 98 III. ЭКСПЕРИМЕНТ В ИЗУЧЕНИИ ПРИКЛАД НЫХ ПРОБЛЕМ 108 Ш-1. Получение технических материалов из расплава 111 III-1 -1. Производство стекла 112 III-1 -2. Производство ситаллов 121 III-1 -3. Производство плавленых литых огнеупоров 123 III-1-4. Петрургия 128 III-1 -5. Пирометаллургия 136 HI-1 -6. Другие технологии 144 III-2. Технологии, основанные на твердофазовых реакциях 149 III-2-1. Производство огнеупоров методом спекания 152 III-2-2. Производство керамических материалов 158 III-2-3. Производство и применение вяжущих веществ 164 5
Оглавление Ш-3. Взаимодействие техногенных расплавов с огнеупорами 171 III-4. Технологии, основанные на взаимодействии кристаллического вещества с водными растворами 1 79 Ш-4-1. Гидрометаллургия 1 79 III-4-2. Рост кристаллов из водных растворов 1 90 Ш-5. Обезвреживание радиоактивных отходов 192 IV. МЕТОДЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 206 IV-1. Общие принципы организации экспериментальной лаборатории 206 1V-2. Меры безопасности 209 IV-3. Техника эксперимента 2! 1 IV-3-1. Главные типы аппаратов высоких гсмперагури давлений 211 IV-3-2. Создание температуры 214 IY-З-З.Пзмерениетемнературы 216 1Y-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 1Y-3-8. Конструю (ионные приемы достижения сверхвысоких давлении на твердофазовых установках 251 IV-3-9. Измерение давления 255 IV-4. Проведение эксперимент 261 [V-4-1. Планирование 261 1Y-4-2. Исходные вещества 264 1V-4-3. Ввод в режим и поддержание заданных параметров опытов 270 IV-4-4. Химические условия эксперимента 274 IV-4-5. Вывод из режима 282 1Y-4-6. Разгрузка опыт ов 283 IV-4-7. Ведение лабораторного журнала 286 IV-4-8. Наблюдения в процессе опытов 287 IY-4-9. Методы изучения естественных включений в минералах 291 1V-5. Критерии равновесия 312 IV-6. Методы изучения продуктов опытов 319 V. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ 331 V-1. Представление п хранение данных 331 V-2. Простейшие приемы математической обработки 349 V-2-1. Расчеты с помощью определителей 349 Y-2-2. Применение методов математической статистики 351 Y-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 [ропшо более 15 лет после выхода из печати учебных пособий "Экспериментальная nerpoi рафия" 1_Ш.Грамсш1цкогоиЛ.Р.Когельниковаи "Техническаяпетрография" А.М.Батаиовой и Л.С.Бочаджиева. Они стали единственными учебниками, по которым читаются лекции и проводятся практические занят ия по соотвегствующим курсам на кафедрах петрологии и геохимии геологического факуль тета МГУ им. М.В.Ломоносова, проводится практика в Институте Экспериментальной Минералогии РАН. По нашим сведениям, они используются в учебном процессе Новосибирского и Gainer Петербургского университетов. 11особня оказались полезными не только студентам, но и аспирант ам 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 заведении, научных учреждении геологического и прикладного профиля России и республик бывшего СССР не т олько побуждали к работ е над переизданием пособий, но и содержали конструктивные пожелания об изменениях, дополнениях и т.п. За прошедшие 15 лег экспериментальная петрология, минералогия п геохимия не стояли на месте. Было выполнено большое количество интересных исследований, появилось много новых идей п даже целых направлений. Сменились акценты п появились новые приложения экспериментальных работ. В частности, специалисты в области экспериментальной и технической петрологии активно включились в решениеэкологнчсских проблем, ко торые приобрели в последние годы особую актуальность, и предложили принципиально новые подходы к утилизации и обезвреживанию радиоактивных и других опасных для биосферы техногенных от ходов. Расширились т ехнические и методические возможности экспериментальных и прикладных исследований. У нас на глазах происходит революционная компьютеризация науки п технологии. Возрастают возможности аналитических, в том числе локальных, методов исследования. Применение электронного микрозонда становится почти рутинным методом исследования вещества. Изучение минерального состава и структуры 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 втесном содружестве с Институтом Экспериментальной Минералогии преподавали курс, давший название книге. проводили практику в Н'ЭМ РАН и занимались научными исследованиями в этих направлениях. Накопленный опыт'положен в основу настоящего учебники, который ни в коей мере не является простой суммой названных выше книг. Все главы и разделы, сохранившие свои названия, nqieinicanbi заново, существенно переработаны п дополнены. В структуру кнш'и включены совершенно новые главы и разделы (среди которых назовем "Сост ояние 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 Ш-1,111-2 и участвовала в написании глав III-3 н III-4. Е.И.Граменицкий участвовал в написании всех без исключения глав учебника, а более половины из них написаны им почти целиком. Ему принадлежит общая комгюI ювка 11 редаы щя вей о текста. А.Р.Котельниковым написаны главы Ш-5, V-2, около половины г лав II-2, II-4, V-3 и много фрагментов практически во всех остальных тлавах. П.Ю.Плечовым написаны разделы, касающиеся работы с включениями. Т.И Л Цекина написала главу Ш-4и частично главы II-1, II-4, IV-6, V-1. Крометого, она курировала подготовку иллюстраций ко всему тексту. Многие разделы были обсуждены с З.А.Котельниковой, в некоторые из которых ею сделаны существенные дополнения. Большую работу по подготовке иллюстраций к печати проделал Д. В. Лобанков, а текст а и приложений - В.И .Свальнова. Значи тельную часть книги в рукописи прочитали В.Н.Коренева и студенты, проходившие в 1998 и 1999 году курс экспериментальной и технической петрологии. На семинарах, при сдаче коллоквиумов и 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 МГУ, ИЭМ и других институтов Российской Академии I I аук. Публикация учебника фннансировачась Центром содействия инти рации высшего образования и науки Минобразования России и РАН (Центр "Интеграция", фант №215-05(1999)). Вкнигеиспользованырезуль гаты и методическиеразработкн, полученные при работе по проекту 98-05-64182, финансировавшимся РФФИ (1998-2000г) и проекту № 501 3 программы Университеты России - фундаментачьные исследования (19981999г). Всем лицам и организациям, способствовавшим улучшению содержания и выходу в свет книп I, авторы выражают свою г лубокую 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 относительно более новым и особенно интенсивно развивается в последние десятилетия. По образному выражению Лейбница, это подход к природе как к большой лаборатории, в которой действуют то же законы физики и химии. Наиболее общим методом данного направления служит физико-химическое моделирование эндогенных процессов. Исходными для него могут быть наблюдения над природными объектами, т.е. данные по геологическим отношениям, структурным и текстурным особенностям горных пород, изменениям их минерального и валового химического состава, а также состава отдельных фаз. На их основе создаются модели природных процессов, которые по метшей мере не должны противоречшъ известным законам физики и ХИМИИ. Чем глубже продумано такое соответствие, тем "жестче" становит ся модель, т.е. появляется возможность ее строгого анализа и получения неочевидных выводов, которые могут быть проверены путем повторного целеустремленного изучения природного объекта или сравнением с результатами, полученными экспериментально. В настоящее время петрологам уже недостат очно экспериментов, просто воспрогнпо;щщих какой-либо процесс и показывающих качественно, что так могло происходить в природе. Часто требует ся количественная информация о параметрах (температуре, давлении и др.), делающая модель особенно жесткой. В случае ycnei иной проверки ее неочевидных выводов модель приобретает особую у бедительность. Единст венным 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 многих петрологических работах использовались и используются экспериментальные данные, полученные в неорганической и физической химии, а также в прикладных науках, обслуживающих производство (металлургию, силикатную технологию и др.). Однако эти результаты имеют ограниченное применение, поскольку эксперименты преследовали совсем иные цели, и многие петр о логически важные системы о ста: шел, 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 расширение многих укоренившихся понятии физической химии, развитие целого особого раздела термодинамики открьпых систем с вполне подвижными компонентами, введение ряда новых ггредставленгги: о дифференциальной подвижностикомпонентов, о мозаичном (локальном) равновесии и др. Соответственно возникла необходимость и в 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 эксперименты в целом не характерны. Невозможно достигнуть полной аналогии по масштабам, времени протекания, а главное, сложности процессов между явлениями, происходящими в земной коре - с одоюй 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 промышленпо ценных мшгсрало в и материалов, у пишзации 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 практичеекивсе изобретения человечества имели аналоги в природе. 10
Эксперимент и его место в петрологии Поэтому всегда следует помнить, что даже оторванные на первый взгляд от практических задач фундаментальные исследования могут иметь прикладное значение. А многие производственные процессы помогают понять некоторые стороны явле! шй, происходящих в глубинах земной коры. Эксперимент альная петрология решает четыре главные задачи. 1. Прямое моделирование процессов образования минералов, горных пород и руд путем их искусственного воспроизведения. 2. Изучение минеральных и других фазовыхравновесий. 3. Изучение состояния вещества в тех условиях, которые реализуются в природе. 4. Изучение кинет ики и динамики природных процессов. LLIirpoKO известны примеры экспериментов, решающих первые две задачи. Третья и четвертая являются относительно новыми: изучает ся не только то, что образуется в тех или иных условиях, но и каким образом, через какие промежуточные состояния и с какой скоростью. Главными задачами технической петрологии являются следующие. 1. Познание сути искусственного минералообразования путем контроля продуктов технологического процесса на разных его стадиях. 2. Совершенствование иликорректировка технологических процессов и улучшение свойств выпускаемой продукции. 3. Создание новых технических материалов с заданными свойствами, вплоть до разработки принципиально новых, технологий. Эксперименты, которые проводятся в петрологии, классифицируют по разным принципам. Часто их делят на моделирующие, т.е. воспроизводящие процесс, природный или технологический, напрямую во всей его сложности, и на строгие физико-химические эксперименты в систем ах, которые упр ощают и схем атизируют процесс, результаты которых применимы к более широкому кругу объектов. Оба подхода имеют право на сущест вование, у каждого из них есть свои последователи среди экспериментаторов. Другая распространенная классификация - по используемой аппаратуре, ограшгчивающей параметры опытов, и потому-крутрешаемых задач. Пределы температур и давлений, которые могут быть заданы на современных экспериментальных установках, показаны на рис. 1. Можно выделить эксперименты в высокотемпературных печах, в гидротермальной аппаратуре, в газовых бомбах, в твердофазовых аппаратах и на импульсных установках. В высокотемпературных печах изучаются конденсированные системы при атмосферном давлении или в вакууме. Наибольшая температура распространенных типов печей - 1300-2000°С. Онипозволяютмоделировать кристаллизацию лав на поверхности земли, а из технолошческих процессов - произ 11
Эксперимент и его место в петрологии Р, бар 701 п ! 10 м3 ю ш 5 г - 7 5 J-i 4-Y-, { ИП « н • q J г — T f r L l ? , 1 j. \ 5 1 ' i | й \ И I \ t г >» I I Т гт 7? 72 15 Т Т Т 1ООО 1500 2000 t°C Рие.1. Параметры экспериментальных установок и природного пстрогенезиса 1- 13 - установки: 1 - автоклавы, 2 - гидротермальные установки с внешним naqieвом, 3 -гидротермальные установки с трехслойными реакторами из молибдена, TZM, 4-установки с внутренним нагревом (газовые бомбы), 5-твердофазные уст ановки с внутренним на1ревом, б анвильные установки сверхвысокого давления с внешним нагревом, 7 - импульсные твердофазные установки (взрывы, ядерные взрывы), 5-электропсчи с нихромовым нагревателем, 9 - электропечи с еилитовыми нагревателями, 10 - печи с нагревателями из плат ины, 11 - электропечи с молибденовыми нагревателями (инертная атмосфера), 12-электропечи с графитовыми нагревателями (инертная баросфера), 13- электропечи с вольфрамовыми нагревателями (инертная баросфера) I—VIII - поля природного петрогенезнса: I - зеленосланцевого метаморфизма и гидротермального минерало- и рудообразования, II - метаморфизма фации глаукофановыхсланцев, III -амфиболитовой фации, IV- фанулитового метаморфизма, V - мантийных условий, зарождения базальтовых магм, VI - образования гранитоидов, VII - эффузивных и субвулканических процессов, VIII - ударного метаморфизма водство огнеупоров, стекла, фарфора, цементного клинкера, пиромегаллургические и петрург ические процессы, выращивание некоторых кристаллов (например, иттрий-алюминиевых гранатов). В ряде случаев в качестве приближенных моделей систем с летучими компонентами использовались системы с фторидами. Из технологических процессов к последним относится производство фторфлогопита, каменного литья и керамик на его основе. Гидротермальная аппаратура (автоклавы, экзоклавы- контуры 1,2,3 на рис.1) позволяет экспериментально воспроизводить процессы метаморфизма, метасоматоза и частично магматизма в условиях, характерных для болъ 12