Проявление генетической памяти в физических свойствах минералов и горных пород

Успенская, Алла Борисовна

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Проявление генетической памяти в физических свойствах минералов и горных пород
ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Проявление генетической памяти в физических свойствах минералов и горных пород"

РГ6 од

/ о Российская Академия наук

1 о ■ " ■Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта

.Министерство науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт

На правах рукописи УСПЕНСКАЯ Алла Борисовна

УДК 552.1 :537

ПРОЯВЛЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ПАМЯТИ В ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ МИНЕРАЛОВ И ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 04.00.22 — Геофизика

Диссертация в форме научного доклада на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1993

Работа выполнена в ордена Ленина Институте физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН и Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте.

докт. физ.-мат. наук, проф. В. А. КАЛИНИН (Институт физики Земли РАН),

член-корреспондент Российской Академии наук, докт. геол.-минерал, наук, проф. А. С. МАРФУНИН (Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова),

академик Российской Академии естественных наук, докт. физ.-мат. наук А. И. САВИЧ (Государственный проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт «Гидропроект»).

Ведущая организация: ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН (ГеоХИ РАН).

в .(I/. час. на заседании специализированного совета по геофизике Д.002.08.02 ордена Ленина института физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН по адресу: 123810, Москва, Д-242, Б. Грузинская ул., д. 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФЗ им. О. 10. Шмидта РАН.

Официальные оппоненты:

Защита состоится (Р. час. на заседа

1993 г.

Диссертация разослана

г.

Ученый секретарь специализированного совета

канд. физ.-мат. наук А. М. АРТАМОНОВ.

1. ВВЕДЕНИЕ. Общая характеристика работ

Актуальность проблемы. Построение геоэлектрической модели земной коры и мантии, выявление в них зон высокой электропроводности, усовершенствование методов прогноза землетрясений, увеличение эффективности методов поиска, разведки и оценки запасов рудных месторождении, повышение экономичности технологических процессов в горном деле могут качественно осуществляться только при глубоком л всестороннем знании свойств основных породообразующих минералов и горных пород.

В этой области большой вклад сделали наши ученые: А. С. Марфунин, М. П. Воларович, Э. И. Пархоменко, П. И. Хитаров, Г. А. Соболев, В. А. Калинин, Г. Н. Петрова, 10. С. Геншафт, Т. Л. Челидзе, Е. Б. Лебедев, Г. Я. Новик, Ю. И. Протасов, А. П. Дмитриев, А. И. Савич, В. С. Куксенко, П. Б. Дортман, А. А. Воробьев, Г. М. Авчан, М. В. Добрынин, В. А. Жариков, В. Н. Морозов, В. С. Ямщиков, В. В. Ржевский, Л. В. Бершов, А. Т. Бондаренко, Е. И. Баюк, И. С. Томашевская, Г. А. Ефимова, С. М. Киреенкова, Т. С. Лебедев, М. Л. Марморштейн, 3. Б. Стефанкевнч, 'Г. М. Салехлн, М. X. Бакиев, В. А. Тюремпов, П. А. Туезо-ва и др. В исследовании электрических свойств минералов и горных пород при высоких температурах и давлениях следует отметить работы зарубежных ученых X. Хыо-за, В. Бренса, Ф. Бредли, А. Дюба, Т. Шенкланда, X. Штиллера, У. Зайпольда, М. Лаштовичкову и Б. Хннца.

Многолетние исследования ученых в идшей стране и за рубежом позволили создать уникальные установки и методики для изучения физических свойств природных объектов при комнатных температурах и при высоких р, Г-условиях, с помощью которых получен обширный экспериментальный материал о физических параметрах минералов и пород в широком интервале р, Т-условий. Анализ экспериментальных данных выявил закономерности, определяющие величину и поведение физических характеристик под влиянием физико-химических процессов, протекающих в Земле. Результаты экспериментальных и теоретйческнх исследований обобщены

в справочниках, монографиях и кадастре, но при изучении физических свойств минералов и горных пород уделялось мало внимания области р, Г-условий их образования, где нами обнаружено аномальное поведение физических параметров. Объяснение этого эффекта стало возможно только тогда, когда к изучению природных объектов стали применять современные фнзикс-химическпе методы. Нами использовались такие методы, как ЭПР, ИК-спектроскопия, масс-спектрометрня, термобарогеохимия и др. (см. вкладку). Применение их и введение понятия.. генетической памяти позволили решить проблему установления влияния генезиса на физические свойства и аномальное поведение физических параметров в различных полях. По исследованиям геологов тииоморфные признаки минералов отражают генезис, но не всегда вскрывают их физическую природу.

Генетическая память —это информация о фнзико-хпмнче-скнх условиях образования природного объекта, запечатленная в дефектах его структуры.

Цель работы — выявить влияние генетической памяти па физические свойства и аномальное поведение физических параметров при воздействии полей различной природы.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

— исследовать генетическую память в кварце как в наиболее распространенном породообразующем минерале, формирующемся в широком спектре физико-химических параметров,

— изучить структуру кварца различных генетических групп, установить отличия в дефектах структуры для каждой группы,

— исследовать упругие, электрические, пьезоэлектрические свойства кварца при воздействии тепловых и электрических нолей,

— установить влияние физико-химических условий образования кварца на процессы, протекающие в дефектах структуры п обуславливающие аномальные изменения физических параметров при действии полей различной природы,

— определить сферы применения полученных закономерностей в геологии, геофизике и горном деле.

Защищаемые положения.

1. В диссертации развито новое научное направление в изучении физических свойств минералов и горных пород, основанное на генетической памяти об условиях их образования, запечетленной в дефектах структуры минералов и горных пород.

2. Генетическая память проявляется в дефектах структуры минералов и горных пород и несет информацию о физико-химических условиях кристаллизации .минералов, что отражается на их физических свойствах [1—3, 12—14]:

а) совокупность примесей, количество оксигпдрильных групп ОН-1, расположенных на дефектах структуры, обусловлены температурой кристаллизации минералов [4—6];

б) содержание газово-жидких включений в парагенных минералах зависит от окислительно-восстановигельиых свойств минералообразугощей среды [11, 12];

в) тип симметрии пьезоэлектрической текстуры жильного кварца оловорудных месторождений отражает характер па-леотектопнческпх напряжении, сопровождавших процесс формирования месторождений [8, 9].

3. Впервые установлено наличие дифференциации упругих, электрических, пьезоэлектрических свойств кварца разных генетических групп:

а) но характеру ИК-спектра в области 3800—2000 см^! из всей совокупности кварца выделяются две разновидности— параморфоза а-кварца по р-кварцу (ради краткости далее называем ее — параморфоза) к альфа-кварц, отличающиеся по плотности, диэлектрической проницаемости, температуре ияверсин, теплоте фазового перехода, пьезоэлектрическому эффекту, составу газово-жидких включений и характеру выделения воды при нагревании [12];

б) жильный кварц представлен обеими разновидностями в разном процентном отношении и характеризуется широким спектром значении плотности, электрического сопротивления, скоростей распространения упругих продольных волн, модулей упругости, пьезоэлектрических модулей, в пределах одной генетической группы кварц, образовавшийся на большой глубине, имеет наибольшие значения физических параметров [13, 14;]

в) высокотемпературный кварц резко отличается но своим параметрам от низкотемпературного [13, 10].

4. Впервые определено, что в жильном кварце оловорудных месторождений пьезоэлектрическая текстура симметрии т-3:т является наиболее распространенной, но иногда в нем могут сосуществовать несколько типов пьезотекстур в разной степени подчиненности [8, 9];

а) величина пьезоэлектрических модулей кварца зависит от генезиса, для кварца одной формации с одинаковой симметрией пьезоэлектрической текстуры пьезомодуль возрастает с увеличением количества групп ОМ-1, расположенных на дефектах структуры [16];

б) при идеальной пьезоэлектрической текстуре скорости распространения упругих продольных волн ниже теоретически рассчитанных из-за присутствия газово-жидких включений [16].

5. Характер изменения электрического сопротивления, диэлектрической проницаемости, модулей упругости и коэффициента линейного расширения от температуры нагревания зависит от генезиса:

а) процентное содержание параморфозы в кварце определяет поведение электрических и упругих параметров при нагревании [17—19];

б) окислительно-восстановительные условия образования влияют на величину и характер зависимости электропроводности от температуры нагревания [11, 12];

в) при температурах образования кварца наблюдаются аномалии электрического сопротивления, коэффициента линейного расширения, модуля упругости [17, 19, 20, 24].

6. Определяющая роль генезиса проявилась при изучении физических свойств кварцсодержащих, нефелнпсодержащих [25, 26], хлоритсодержащих [27], соляных [28—31] горных пород и при исследовании изотопного состава парагенпых минера,1тов гидротермальных месторождении дорулпой, рудной и послерудиой стадий [33, 34].

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются:

— корректным планированием проведения экспериментов с выполнением требований онтогении и филогении, предъявляемых к геологическим объектам, соблюдением постоянства тепловых режимов при исследовании зависимостей физических параметров от температуры,

— получением комплекса экспериментальных данных о генетической памяти одновременно несколькими методами,

— экспериментальным подтверждением выводов работы о поведении физических параметров в р, Т-условнях на всех объектах исследования,

— положительными результатами применения выводов и рекомендаций в практике геологэ-разведочпы.х работ, результатами изучения материалов по сверхглубоким скважинам, предвестникам и прогнозу землетрясений.

Научная новизна. Автором впервые:

1) сформулировано и экспериментально обосновано наличие генетической памяти минералов об условиях образования;

2) установлено существование генетической памяти о фп-зическс-.хнмпческих условиях образования исследуемых объектов и проявление ее в физических свойс1ва на основе комплексного исследования упругих, электрических, пьезоэлектрических свойств породы с одновременным изучением их структуры различными методами (см. вкладку);

3) доказано, что содержание параморфозы в жильном кварце существенно влияет па его свойства и характер изменения физических параметров при нагревании;

4) установлено влияние генетической памяти па величину пьезоэлектрического модуля и скорости распространения упругих соли в кварце касситерит-пегматитовой формации.

Практическая ценность.

Результаты работы могу г быть использованы для:

1) объяснения причин изменения значений физических характеристик минералов и горных пород в земной коре с увеличением глубины залегания, образования зон повышенной проводимости горных пород в период, предшествующий сейсмическому событию;

2) обоснования возможности появления области разупроч-ненных пород в земной ксре, в том числе в очагах землетрясений;

3) оценки запасов золоторудных, олово-вольфрамовых месторождении по характеру ИК-спектров;

4) наиболее экономичного разрушения горных пород за счет определения температурного интервале декреннтацчи включении;

5) увеличения эффективности пьезоэлектрического метода разведки (ПЭДЛР) на месторождениях, где кварн является основным парагенным минералом;

(3) оценки флотационных свойств касситеритов по харак-Iеру ИК-спектров, так как при протекании технологических процессов обогащения изменение характера ИК-снектроо касситеритов выступает критерием преобразования флотационных свойств;

7) составления шкалы гермобурнмосгн пород, содержащих мпнерал-пьезоэлектрик, по величине пьезоэлектрического модуля;

8) установления связи магматического и рудообразуюше-го процессов; создания генетической модели концентрации рудного вещества на гидротермальных месторождениях, что ускоряет поиск месторождений полезных ископаемых.

Автору принадлежит приоритет в установлении новых свойств материалов, защищенных тремя авторскими свидетельствами.

Научные и практические результаты работ нашли отражение в двух учебных пособиях, используемых при подготовке специалистов в области физических процессов горного производства.

Использованные материалы.

Доклад составлен на основе опубликованных работ, выполненных непосредственно автором в МГИ и НФЗ за период с 1905 по 1991 год (соавторы указаны в списке литературы). Привлечены материалы исследования физических свойств жильного кварца, соляных горных пород, кварцео-держащпх, пефелннсодержащнх, хлорптсодержащих горных пород, а также масс-спектрометрическне исследования пара-гепных минералов 150 гидротермальных месторождений до-рудной, рудной и послерудной стадий, результаты псследова-

ний структуры минералов, проведенных с помощью современных методов ФТТ и термобарогеохимни, осуществленных как самим автором, так и совместно с коллегами МГИ и других институтов (ИГЕМ АН СССР, ИФЗ АН СССР, ВИМС, МИСиС, ЦНИГРИ Тульское отделение, МГУ).

Апробация работы. Публикации.

Основные положения работы были доложены на ¿Межвузовских научных конференциях с участием научно-исследовательских институтов «Физика горных пород и процессов» (Москва, 1967, 1977, 1984, 1987), совещании по типоморфнз-му (Москва, 1970), Пятом всесоюзном совещании «Физические свойства горных пород при высоких термодинамических параметрах» (Баку, 1978), Седьмом всесоюзном совещании по физическим свойствам горных пород при высоких давлениях и температурах (Ереван, 1985), Ежегодном семинаре экспериментаторов ГеоХИ АН СССР (Москва, 198G), Пятом всесоюзном совещании «Комплексное использование вольфрамовых месторождении» (Ленинград, 1986), Восьмом всесоюзном совещании «Физические свойства горных пород при высоких давлениях н температурах» (Уфа, 1990), Итоговом международном симпозиуме проекта 11-3 КАПГ «Геофизические свойства вещества и внутреннее строение Земли» (Махачкала, 1990), Шестой всесоюзной конференции «Текстура и рекристаллизация в металлах и сплавах» (Свердловск,

1990), Международном симпозиуме «Проблемы геофизики высоких давлений и температур» (КАПГ, 11-3 Острава.

1991).

Результаты исследований опубликованы в 50 научных статьях в центральной, республиканской и зарубежной печати, в трех авторских свидетельствах. В настоящую диссертацию включена 41 работа.

Диссертационная работа выполнена в Московском горном институте в соответствии с планом научно-исследовательских работ по решению научно-технической проблемы ОЦ.039 во исполнении пост. ГКНТ от 12.12.1980 Кя 473/249 и координационного плана АН России па 1981 —1990 гг. «Естественные науки», код 3.2.2.1.1.12.

Данная работа базируется на результатах многолетних исследовании, выполненных автором в Московском горном институте и лаборатории высоких давлении ИФЗ АН СССР. Автор выражает благодарность коллегам институтов, способствовавшим выполнению этих работ, соавторам статей и докладов, принимавшим участие в получении и обсуждении результатов исследования, коллегам в ИГЕМ АН СССР, ИФЗ АН СССР, ЦНИГРИ Тульского отделения, ВИМСа, МГУ, МИСиС, помогавшим проведению широкого круга исследований.

Автор глубоко благодарен Н. В. Белову, Ю. Л. Косыгину, Ф. В. Чухрову, В. В. Ржевскому, Л. А. Пучкову, А. П. Дмитриеву, Э. И. Пархоменко, .Г- А. Соболеву, В. А. Калинину, Г. Я." Новику, Л. П. Носику, 10. И. Протасову, В. С. Ямщикову, В. Л. "Шкуратнпку, Ю. Б. Войтковскому за постоянное внимание и содействие в осуществлении работы и считает своим долгом отметить большую помощь, оказанную ему па всех этапах проведения исследований Е. И. Доломановой, РТв. Ф. Григорьеву и в разные годы Л. В. Бершозу, А. Т. Бондаренко, Р. В. Боярский, Е. П. Вальяншхшшй, Г. А. Ефимовой, С. С. Квитка, С. М Киреенковой, А. И. Левыкипу,

A. М. Подольскому, О. И. Силаевой, П. В. Скоробогатовой,

B. А. Терентьеву, И. С. Томашевскои н О. Н. Третьякову. При оформлении работы автору большую помощь оказали В. А. Винпиков, А. Д. Завьялов, П. В. Зверькова, Е. С. Успенская, которым она приносит искреннюю благодарность.

2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КВАРЦА

ОЛОВЯННО-ВОЛЬФРАМОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

2.1. Выбор объекта исследования. Основным объектом исследования был кварц оловяпно-вольфрамовых месторождений Забайкалья в силу следующих причин:

— образование его происходило в широком спектре термодинамических параметров и длилось от начала и до конца гидротермального процесса;

— среди кварцев обнаружен такой, который формировался выше температуры инверсии;

— состав мннералообразующих растворов н расплавов отличался разнообразием примесей, содержание которых определяется генезисом;

— формирование рудных тел протекало в разнообразной тектонической обстановке, которая осталась в «памяти» кварца в виде ориентировки оптических и электрических осей зерен кварца;

— кварц является одним из наиболее распространенных породообразующих минералов в земной коре, по массе он составляет 12%.

Следуя требования м онтогении и филогении, предъявляемым к геологическим объектам, в качестве эталонов изучался монокристалл пегматитового кварца Волынского месторождения. Выводы и рекомендации проверялись при исследовании кварцсодержащих, нефелнпсодержащих, хлорнтсодер-жащих и соляных пород.

2.2. Геолого-минералогическое описание основного объекта исследования.

Генетическая классификация оловорудных месторождений Забайкалья была сделана Ив. Ф. Григорьевым и Е. И. Дол-

мановой на основании детального исследования особенностей геолого-структурмого развития оловянно-вольфрамового пояса, изучения положения, петрографических и петрохимиче-ских особенностей мезозойских гранитоидов, связи с ними оловянного и вольфрамового сруденеиия, условий образования оловянио-вольфрамовых месторождений, их пространственного положения, формы рудных тел, метасоматпческнх преобразований вмещающих пород при формировании рудных тел, их минералогического состава и геохимических особенностей (1985).

Геологическая позиция изучаемых месторождений, кроме месторождения Бай-Мурза, следующая. Все они расположены в так называемом оловянно-вольфрамовом поясе Забайкалья, длина которого достигает 1000 км, а ширина 200 км.

Этот пояс вытянут в СВ направлении от границы с Монголией па юго-западе до Хниганского хребта па северо-востоке. Па всем протяжении его широко развиты пеечанико-слапцевые породы. Карбонатные отложения встречены в северо-восточной части поясов на его стыке с полиметаллическими. Эффузивные образования имеют не широкое распространение в разных местах пояса. Возраст осадочио-мета-морфических пород, в которых залегают оловоносные гранн-тоиды и связанные с ними месторождения, палеозойский и мезозойский. Адун-Чолонское, Ононское и Зун-Ундурское месторождения располагаются -в тектонических нарушениях, обрамляющих Агинский выступ, представляющий собой часть суши, смывавшейся мезозойским морем. Этот выступ сложен главным образом осадочно-метаморфнческнмн породами палеозойского возраста. На тектонические движения мезозойского возраста он реагировал как жесткая глыба п раскалывался в разных направлениях. Большая часть тектонических нарушений приурочена к периферической части выступа. Особенно широко там развиты надвиги. По этим тектоническим нарушениям внедрялись гранитовые интрузии верхиеюрского возраста, вблизи которых формировались оловорудные месторождения, в том числе н те, кварц которых изучался нами [10].

Кварц рассматриваемых месторождений можно разделить на следующие генетические типы: а) кварц пегматитовых тел, б) кварц гидротермальных жил: высокотемпературный, кварц грейзенов, среднетемпературный и низкотемпературный гидротермальный кварц, образованием которого заканчивался гидротермальный процесс на месторождениях. Он не подвергался тектоническим нарушениям, в нем выделяют: гребенчатый кварц, халцедон, кварцнн.

Жильный кварц оловорудных месторождений представляет собой зернистый агрегат, в котором преобладает вытяну-

тая форма зерен с размером от 0,5X0,4 до 6,0X3,0 мм, преобладающими являются размеры зерен 1,8X1,2 и 1,8X0,8 мм [10].

Внутри зерен кварца закономерным образом расположены газово-жидкие включения. Форма и 'содержание их разнообразны. Это — трехфазные: газ, жидкость и мпиералы-уз-пнки, газово-жидкие и жидко-газовые. Содержимое их вакуолей позволяет определить свойства минералообразуюшей среды, из которой кристаллизовался кварц [1].

Кварц и касситерит являются нарагенными минералами отоворудпых месторождении. Формации месторождений, глубина залегания, температура образования, свойства минералообразуюшей среды представлены в табл. 1. *

2.3. Методика исследования. Из достаточно больших выделений кварца одного блока вырезались ориентированные образцы для всех видов исследований и шлифы. Для изучения физических свойств выбирались образцы размерами, превосходящими размеры представительного образца. По шлифам строились диаграммы направленности оптических осей зерен кварца на столике Федорова по методу Зандера и определялся тип симметрии пьезоэлектрической текстуры. Для образцов кварца всех формаций проводились химические, спектральные, рентгенометрические анализы, выполнялись исследования с применением методов ЗПР, ИК-спектроско-пнн, масс-снектроскопин, термогравиметрин, оптической и электронной микроскопии, термобарогеохнмни (см. вкладку).

Одновременно с кварцем изучался парагеинып ему касситерит. Во всех исследованиях зависимостей физических параметров от температуры сохранялся один и тот же режим нагревания, что находится в соответствии с работами В. В. Цнзерлинг (1908), требующими сохранения теплового режима для получения адекватных картин двойпиковання.

2.4. Результаты исследования кварца различными методами.

Методы, используемые нами при изучении кварца, представлены па вкладке 1, данные о химическом составе кварца, полученные полуколичественным спектральным и химическим анализами, представлены в табл. 2. Они показали, что наблюдается убывание количества элементов-примесей как в пределах одного месторождения от ранних стадий минерализации к поздним, так и от месторождений более высокотемпературных к более низкотемпературным (или от месторождений более глубинных к менее глубинным) [1]. Следовательно, вхождение элементов-примесей в кварц обуславливается в большей мере Т и р, при которых 'Кристаллизуется кварц. Если при этом учесть, что наибольшее количество га-зово-жндких включений сосредоточено в кварце ранних ста-

дни минерализации, то можно предположить, что большая часть элементов-примесей обусловлена присутствием этих включений.

Результаты исследования другими методами представлены в табл. 3. Изучение твердой, жидкой и газовой фаз вакуолей, содержащих гидротермальный раствор, из которого кристаллизовался кварц, выявили в минералах-узниках и в порошковом осадке на стенках вакуолей более 30 элементов. Наличие С1, К, Ыа подтверждено рентгеноспектральным микроанализом и сканирующей электронной микроскопией в составе о'садков разбрызганной жидкой фазы, выброшенной под давлением при вскрытии вакуолей и в составе минералов-узников (галит, сильвин). Бор в очень малых количествах обнаружен во всех исследованных кварцах (чувствительность химического метода 0,001%), но лишь в кварцах, кристаллизовавшихся одновременно с турмалином, содержание бора выше минимально определяемой величины и колеблется от 0,002 до 0,018%. В большинстве случаев бора больше в кварцах пегматитовых тел и месторождений касситерит-кварц-сульфидной и касситерит-сульфидной формаций, для которых характерно наличие в минеральных ассоциациях борсодержа-щих минералов, преимущественно турмалина. Хлор, как показали химические анализы, присутствует в большинстве кварцев, но в количествах, не превышающих 0,02%, и только в кварцах I и II стадии минерализации и в кварце грейзена (по гранитам) содержание хлора колеблется от 0,03 до 0,06%. Фтор химическим анализом ввиду низкой чувствительности метода — 0,02% не обнаружен [1].

Вода отсутствует только в кварце магматического генезиса и всегда отмечается >в кварце гидротермального генезиса разными методами: ИК-спектроскопии, масс-спектрометрии, причем, чем ниже температура образования кварца или более близповерхностное месторождение, тем воды больше. При нагревании из кварца гранитов, некоторых типов пегматитов и высокотемпературных гидротермальных жил выделяется газ и лишь из последних еще немного и жидкой фазы. Количество ее увеличивается с понижением температуры образования кварца, а газа уменьшается или он отсутствует. В подавляющем большинстве случаев из кварца грейзенизирован-ных пегматитов и высокотемпературного кварца месторождений касситерит-полевошпат-кварцевой и касситерит-кварцевой формаций вода выделяется до 380—400° С, прп более высокой температуре (до 600° С) выделяются жидкая фаза и газ или один газ. Из кварца, взятого из занорышей жил, преимущественно выделяется газ. Все выделения из кварца занорышей заканчиваются к 500°С, а из жильного — к 600°С, т. е. во время инверсии кварца.

Температура массовой декрепитащш газово-жидких включений была близка к критической температуре воды в исследованных кварцах пегматитовых тел из указанных выше формаций. При вскрытии этих включении выделяются газ и вода. При нагревании жильного кварца из месторождений касситерит-кварц-сульфндной формации выделение одного газа происходит редко и при температурах ниже 360° С, что резко отличает этот кварц от вышеописанного. В кварце этой формации больше существенно-водных включений. Все выделения кварца I и II стадии минерализации заканчивались к 600° С, а из кварца более поздних стадий — к 500° С. Температура начала массового растрескивания включений в первом случае близка к 380°С, а в последнем — ниже.

Гребенчатый нерудоносный кварц, образованием которого заканчивается гидротермальный процесс на месторождениях, отличается от кварца не только ранних стадий, но и поздних рудоносных тем, что содержит несколько большее количество и разнообразие элементов-примесей, чем кварц последних рудоносных стадий. При нагревании из него выделялись газ и вода или только вода при температурах 200—300°С. Все выделения из этого кварца заканчивались до 560° С, т. е. при температуре более низкой, чем у рудоносного кварца.

В исследуемом кварце обнаружены пьезоэлектрические текстуры симметрии оо-т, т-3:т, 2-оо, 4: оо. У большинства исследуемого кварца обнаружена текстура симметрии т-3:т, но если для пегматитового н высокотемпературного гидротермального кварца такой тип текстуры возник в результате сильных тектонических воздействий, то для низкотемпературного гидротермального гребенчатого кварца — это текстура роста [8, 9].

Тип симметрии пьезоэлектрической текстуры отражает характер тектонических воздействий, сопровождавших формирование рудных тел на месторождениях [8, 9]. По типу симметрии пьезоэлектрической текстуры пегматитового кварца Ононского месторождения и высокотемпературного гидротермального (образец 32 и 46) установлено, что внедрение оловоносного гранита на этом месторождении и образование в его куполе пегматитовых тел происходили до надвига палеозойских пород на юрские, а рудных жил — позже, так как они заполняют «рубцовые» трещины растяжения, секущие зону надвига, и после своего образования подвергались местами слабым тектоническим нарушениям сбросо-сдвнгового характера, что отразилось на типе симметрии пьезоэлектрической текстуры [8, 9].

Соотношение величин скоростей распространения упругих продольных волн и пьезоэлектрических модулей вдоль осей пьезоэлектрической текстуры совпадает с теоретическими

значениями в жильном кварце, где сформировалась пьезоэлектрическая текстура, с симметрией, близкой к идеальной [9], табл. 4.

Для 'пегматитового кварца с пьезоэлектрической текстурой симметрии т-3:т максимальная величина пьезоэлектрического модуля зависит от количества групп — ОН-1, расположенных на дефектах структуры: чем выше содержание этих групп, тем больше значение модуля [16].

3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КВАРЦА РАЗНОГО ГЕНЕЗИСА ОЛОВОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

3.1. Формирование некоторых оловорудных месторождений. Формирование их началось вскоре после кристаллизации гранита, поэтому в таких месторождениях встречается кварц, претерпевший инверсию, т. е. параморфоза.

Жильные кварцы оловорудных месторождений представляют собой зернистые агрегаты, которые могут быть представлены только а-кварцем (низкотемпературным гидротермальным, гребенчатым) или же смесью его и параморфозы в различном процентном соотношении. Приняв за эталон р-кварц Волыни, который является параморфозой, будем сопоставлять с ним все характеристики кварца разного генезиса.

3.2. Свойства эталонных образцов.

Исследования свойств проводились для эталонов: а-квар-ца и параморфозы, вырезанных из большего монокристалла кварца Волыни. Параморфоза обычно представлена кварцем с «сотовым» строением. Сотовая структура свидетельствует о прошедшей инверсии при всестороннем и быстром охлаждении кварца, которое сопровождается образованием трещин, где располагаются газовые и газово-жндкне включения с минералами-узниками.

ИК-спектры поглощения эталонных образцов резко отличаются в области 3800—2000 см-1, где наибольшая интенсивность и ширина полосы поглощения у «-кварца, наименьшее — у кварца, претерпевшего инверсию. Наличие полосы поглощения в этой области связано с дефектами кристаллической решетки кварца, которые содержат группы ОН-1. ИК-спектры эталонов отличаются и в области собственных колебаний решетки [4—7].

Параморфоза с сотовым строением отличается от обычного «-кварца большей мозаичностыо и тонким двойнпкова-пнем, что установлено в результате прсцезиопного рентгенометрического анализа. 'На диаграммах, полученных при обратной съемке вдоль оси с, выявляется одинаково четко ось

симметрии шестого порядка: интенсивности отдельных пятен существенно отличаются от интенсивности аналогичных пятен на снимках «-кварца (С. С. Квитка, 1970). Мозаичность структуры параморфозы и отсутствие в нем групп ОН-1, по ИК-спектрам позволяют определять присутствие его в слиз-пых жильных мелкозернистых агрегатах.

Температура инверсии и теплота фазового перехода меньше у «сотового» кварца. Эталоны кварца отличаются по составу газово-жндкнх включении и характеру выделения воды и углекислого газа. Экспериментальные данные подтверждают изоморфное вхождение в кварц алюминия и титана В параморфозе обнаружен большой спектр элементов примесей. В монокристалле кварца Волыни четко прослеживается граница между «-кварцем и параморфозой. В параморфозе содержится большое количество газовых включений, что снижает значения его физических параметров. Так, плотность «-кварца — 2,646 г/см3, параморфозы — 2,641 г/см3, диэлектрическая проницаемость соответственно равна — 4,72±0,05 и 4,50 + 0,03. Затухание ультразвука в параморфозе больше, а величина пьезоэлектрического эффекта на 2 порядка ниже, чем у «-кварца. Скорости распространения упругих продольных волн, модули упругости и сдвига выше у «-кварца, они близки к расчетным значениям для природного пьезокварца. Для обоих кварцев максимальное и равнее значение ■скорости распространения упругих продольных волн наблюдается вдоль оптической и механической осей, а наименьшее— вдоль электрической, пьезоэлектрический эффект вдоль нее — наибольший. Такое соотношение скоростей распространения упругих продольных волн вдоль оси объясняется тем, чю кварц представлен бразильским двойником, как показало травление его плавиковой кислотой.

3.3. ИК-спектры поглощения кварца разного генезиса.

Изучение ИК-спектров поглощения прозрачных кварцев разного генезиса с газово-жидкимн включениями и без них при пошаговом нагревании от 50 до 650°С с шагом 50° показало, что интенсивность полосы поглощения не зависит от содержания в кварце газово-жндкнх включений, а полностью определяется генезисом кварца.

Агрегаты кварца, содержащие «-кварц и параморфозу, имеют ИК-спектры поглощения, занимающие промежуточное положение между эталонами, т. е. интенсивность полосы поглощения в области 3800—3300 см-1 этих кварцев имеет величину, ограниченную значениями, даваемыми «-кварцем и параморфозой [4—6]. Полоса поглощения в ИК-спектре в указанной области связана с наличием молекулярной воды, содержащейся в каналах кварца. Увеличение интенсивности полосы поглощения происходит от высокотемпературных к

низкотемпературным кварцам, что свидетельствует о возрастании количества воды в кварце при понижении температуры его образования (см. рис.).

В ИК-спектрах кварца между величиной относительной глубины-поглощения (/0—/) //о, соответствующей длине волны 3420 см-1, и содержанием параморфозы установлена линейная зависимость. На основе этого разработана методика определения процентного содержания параморфозы в сливных мелкозернистых агрегатах кварца гидротермальных жил. Интенсивность полос поглощения в области 3800—2000 см увеличивается от кварца магматического генезиса к гидротермальному тем больше, чем ниже температура его образования. Увеличение интенсивности полосы поглощения в этой области от высокотемпературных к низкотемпературным кварцам свидетельствует о возрастании содержания воды в структурных каналах кварца при понижении температуры его образования. Наличие в кварце параморфозы является доказательством того, что формирование его началось при температуре выше температуры инверсии. Все исследованные нами кварцы по характеру ИК-спектра поглощения можно разделить на четыре группы [4—6]:

— ИК-спектры поглощения магматического кварца пород глубинного происхождения (гранита), имеющие простую форму, сходную с ИК-спектром поглощения паров атмосферной воды;

— ИК-спектры поглощения кварца близповерхностных магматических пород (кварцевые порфиры) и пегматитов по-зднемагматического генезиса, имеющие незначительную по интенсивности полосу поглощения с рядом узких, четко проявленных максимумов;

— ИК-спектры поглощения гидротермальных смешанных жильных кварцев, содержащих и а-кварц, и параморфозу, имеющих полосу поглощения средней интенсивности с менее четко проявленными максимумами;

— ИК-спектры поглощения низкотемпературных а-квар-цев, имеющих интенсивную полосу поглощения с максимумом 3420 см-1.

При температуре жидкого азота снятые ИК-спектры позволяют установить четкую корреляцию между положением дополнительных максимумов на широкой фоновой полосе поглощения в области 3600—3000 см-1 и содержанием в кварце примесей. Появление этих дополнительных максимумов связано с колебаниями групп ОН-1, ассоциированными с ионами щелочных металлов или протонами, которые могут выступать компенсаторами зарядов в дефектных тетраэдрах, где ионы кремния замещены ионами алюминия. Максимумы в области 3000—2300 см-1 связаны с наличием в кварце моногалоидных соединений метана типа СН-Х, где Х = С1, Т7 и газообразной

углекислоты. Область 3800—3600 см-1 представлена максимумами, принадлежащими фтору [4—6]. Наличие в кварце щелочных элементов примесей подтверждается данными химического анализа.

3.4. Физические свойства.

Плотность кварца измерялась методом гидростатического взвешивания в лаборатории ИГЕМ АН СССР. Она для кварца разных генетических групп отличается от теоретической плотности кварца 2,65. Плотность рудоносного кварца выше безрудного, присутствие газово-жидких включений снижает ее величину [13].

Результаты термогравиметрических исследований кварца [13] показали, что в пределах одного месторождения наблюдается тенденция увеличения потери массы при нагревании от высоко- к низкотемпературным рудоносным кварцам. Гребенчатый нерудоноспый кварц имеет меньшую потерю массы, так как содержит много мелких включений, которые не вскрываются при нагревании до 900° С. Величина потери массы при. нагревании зависит от степени катаклаза кварца, от состава вмещающих пород [13].

Измерение диэлектрической проницаемости гетеродинным методом на частоте 1 МГц при температуре +25° С позволило выделить три группы образцов кварца, характеризующихся различной зависимостью от содержания суммы щелочей в кварце, от степени дефектности, обусловленной вхождением в кварц изоморфных примесей алюминия и титана и от состава газово-жидких включений. В первую группу вошел кварц оловоносных гранитов, пегматитов и жильный кварц первой стадии минерализации месторождений касситерит-по-левошпат-кварцевой и касситерит-кварцевой формаций, состоящий из «-кварца и параморфозы. Во вторую группу вошли кварцы II стадии минерализации из месторождений кае-ситерит-кварц-сульфидной и касситерит-сульфидной формаций. Они относятся к «-кварцу и содержат больше щелочен и меньше изоморфных примесей алюминия, особенно титана. В третью группу объединяются нерудные гребенчатые «-кварцы, содержащие много щелочей и мало изоморфных примесей [13].

Впервые были определены пределы изменения величины скорости распространения упругих продольных волн кварца разных генетических групп (см. гистограмму). Наименьшие скорости распространения упругих продольных волн имеют нерудопссные гребенчатые кварцы. Среди кварцев, принадлежащих разным формациям, наименьшие значения принадлежат кварцам касситерит-сульфидной формации. Наибольшие— кварцам касситерит-пегматитовой формации. Далее в порядке убывания идут кварцы касситерит-полевошпат-квар-

девой и касситерит-кварцевой формаций [14]. Обнаружено, что величины упругих параметров кварца зависят от глубины его образования: значение модуля упругости, модуля сдвига и коэффициента Пуассона тем выше, чем больше глубина, на которой кристаллизовался кварц.

3.5. Пьезоэлектрический эффект.

До 1946 года пьезоэлектрический эффект исследовался лишь у монокристаллов нецентросимметричных классов. Учение А. В. Шубникова о пьезоэлектрических текстурах открыло поиск новых естественных и искусственных пьезоэлектрических материалов. На основании теории текстур А. В. Шубникова, М. П. Воларович и 3. И. Пархоменко сделали предположение о возможности существования пьезоэлектрического эффекта в горных породах, а в 1953 году он был ими экспериментально установлен. Пьезоэлектрический эффект кварцсодержащих горных пород стал физической основой пьезоэлектрического метода разведки, разработанного в ИФЗ АН СССР им. О. Ю. Шмидта под руководством М. П. Вола-ровича. Этот метод нашел широкое применение на месторождениях золота, платины, полиметаллических руд, слюды и пьезокварцевого сырья. Шахтный вариант был создан в ИФЗ АН СССР прн участии Г. А. Соболева, наземный — создан в Ленинграде в ВИТРе Н. М. Нейштадтом.

Изучение пьезоэлектрического эффекта автором проводилось в ИФЗ АН СССР. Пьезоэлектрические модули измерялись динамическим методом по усовершенствованной методике [21].

3.5.1. Пьезоэлектрический эффект кварца оловорудных месторождений. Область значений пьезоэлектрического эффекта определялась для кварца пегматитовых и гидротермальных жильных оловорудных месторождений, последовательно сменяющихся во времени и отличающихся геологическими условиями образования [10]. Анализ полученных экспериментальных данных о величине пьезоэлектрического эффекта кварца разных генетических групп позволяет сделать следующие выводы:

а) величина пьезоэлектрического эффекта выше у рудоносных кварцев по сравнению с безрудными, поэтому может служить поисковым признаком оловорудных месторождении. У кварцииа, завершающего гидротермальный процесс, пьезоэлектрический эффект отсутствует;

б) величины пьезоэлектрических модулей кварца одной генетической группы разных месторождений лежат в определенном интервале значений;

в) величина пьезоэлектрических модулей зависит от степени катаклаза, пористости. По отношению максимального значения пьезоэлектрического модуля к минимальному для

каждого кварца можно судить до некоторой степени о силе катаклаза [10].

Кварц является пьезоактивным минералом, поэтому в результате тектонических воздействий в нем возникает пьезоэлектрическая текстура. Тип ее симметрии определяется характером тектонических напряжений. Установление типа симметрии пьезоэлектрической текстуры проводилось на основании анализа диаграмм направленности оптических осей зерен кварца, построенных на столике Федорова по методу Зандера [8, 9]. В исследуемом кварце обнаружены пьезоэлектрические текстуры симметрии оо-т, т-2>\т, 2-оо, 4-оо. У большинства исследованного кварца обнаружена текстура симметрии т-3:т, но если для пегматитового и высокотемпературного гидротермального кварца такой тип текстуры возникал в результате сильных тектонических воздействий, то для низкотемпературного гидротермального гребенчатого кварца — это текстура роста. Такой кварц образовывался на завершающей стадии гидротермального процесса и не испытывал сильных тектонических воздействий.

Тип симметрии пьезоэлектрической текстуры отражает характер тектонических воздействий, сопровождавших формирование рудных тел на оловорудных месторождениях. По типу симметрии пьезоэлектрической текстуры кварца установлено, что внедрение оловоносного гранита на Опонском месторождении и образование в его куполе пегматитовых тел происходили до надвига палеозойских пород па юрские, а рудных жил — позже, так как они заполняют «рубцовые» трещины растяжения, секущие зону надвига, и после своего образования подвергались местами слабым тектоническим нарушениям сбросо-сдвигового характера, что и отразилось на типе пьезоэлектрической текстуры [8, 9].

Для пегматитового кварца с пьезоэлектрической текстурой симметрии m-3:/n максимальная величина его пьезоэлектрического модуля изменяется от месторождения к месторождению. Наличие текстуры одного типа симметрии говорит об одинаковых или близких по характеру тектонических воздействиях, которые испытал кварц при образовании и последующем существовании. Условия кристаллизации зависят от р и Т, при которых он формируется. В силу этих причин кварц будет иметь различную степень дефектности структуры: количество групп ОН-1, расположенных на дефектах структуры, увеличивается с понижением Г-образова-ния кварца. Присутствие групп ОН влияет на процессы электрической поляризации, возникающей в кварце при различных воздействиях: чем выше содержание этих групп, тем больше значение пьезоэлектрического модуля. Для кварца касситерит-пегматитовой формации с пьезоэлектрической текстурой симметрии m-3:m установлена прямая связь меж-

ду максимальным значением пьезоэлектрического модуля и количеством оксигидрильных группировок, входящих в структурные дефекты кварца {'16] (см. рис.).

3.5.2. Пьезоэлектрический эффект и термобуримость горных пород [25, 26]. Сопоставление величины пьезоэлектрического эффекта со склонностью к термобуримости кварцсо-держащих и нефелпнсодержащих пород [25, 26] показало, что чем выше величина пьезоэффекта, тем быстрее и экономичнее разрушается горная порода (см. табл. 5).

Исследования ИК-спектров кварцсодержащих и нефелпнсодержащих пород, проведенные нами, обнаружили присутствие п них групп ОН-1. Однако ИК-спектрьт каждого типа пород имеют свои особенности, определяемые их генезисом. ИК-спектры нефелпнсодержащих пород напоминают спектр нефелина, но имеют более сложную форму, что связано с наличием иной водородной связи.

4. ЗАВИСИМОСТЬ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КВАРЦА РАЗНОГО ГЕНЕЗИСА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВАНИЯ

4.1. Процессы гомогенизации и декрепитации газово-жид-ких включений. Эти процессы оказывают существенное влияние на изменение физических свойств минералов и горных пород при нагревании, создавая область аномального поведения физических параметров. Включения располагаются закономерно: по зонам роста и вдоль залеченных трещин, этим создается дополнительная анизотропия свойств. Области температур аномального поведения физических параметров смещены по температурной шкале к более высоким — по сравнению с температурами декрепитации включения, так как последняя изучается на фракциях, а свойства — на образцах достаточно большого размера в сравнении с размерами фракций.

Зависимости от температуры всех физических параметров кварца определялись нами с соблюдением постоянства теплового режима, так как процессы, протекающие в кварце, от него существенно зависят.

Электрическое сопротивление измерялось в ИФЗ АН СССР по методике, описанной в монографии Э. И. Пархоменко и А. Т. Бондаренко '1972 года. По сравнению с монокристаллами поликристаллические агрегаты имеют более высокую электропроводность. Механизм электропроводности в оловорудном кварце весьма сложен в силу того, что носителями тока в нем являются не только элементы-примеси, по катионы и анионы, расположенные на дефектах структуры и по границам зерен. Как показали исследования И. И. Плюс-

О&ьекты исследования

Таблица 1

Оловорудные месторождения Забайкалья

Формация Месторождения Минерал ооб-разующая среда* Глубина, км Темпера УРа образования, С**

Касситерит-пег-матито-вая Бай-Мурза (Казахстан) , Апун-Чолон. Онон, Малая Ку-линда, Завитая окислительная (свойства понижаются) 3-4 450 - 370

Касситерит-поле-вошпат-кварцевая Эшка. Ималка восстановит ельная (свойства понижаются) 2-3 400-300

Кассите-рит-квар-цевая залегающие в гранитах: Бай-Мурза, Зун-Унпуо. Онон, Молодежное, Шу-миловское, Дедова гора, Аксамн Залегающие на контакте гранитов и песчанико-сланце-вых пород: Алдака-чан. Ушмун, Бу-дюмкан, Привалов-ское, Балжираевское окислительная (свойства повышаются) 2-3 400-300

Кассите рит-ква' рц.-суль фидная Комсомольское, Бе-реинское, Сохондо, Игнодннское, ИТер-ловая гора. Тарбаль-яжей; Лифузинское окислительная (свойства повышаются) 1-2 ниже 300

Касситерит-сульфидная Хапчаранга, Южно-Хлратуйское восстановит ельная (свойства повышаются) ниже 2СО

* по данным масс-спектрометрических анализов газово- жидких включений в касситерите и кварце (в скобках указан характер изменения свойств после кристаллизации ЗпОг)

Таблица 2

Химический состав кварца по данным полуколичествен_нрго спектрального и химического анализов_

Генетическая группа кварца Содержание элементов, %

п-10"1 п-10 п-10-3 п-10'4 П'10

Оловоносных гранитеидов - А1, Са, Ыа, Ре Мд,Т1, Мп, Ва, Си. гп. 2г V. Сг, N1, и, В, Бп, РЬ, W. йа -

Месторождений касситерит-пег матитовой формации А1 Са, Мд. №, и. Ре, Аз Ва, Мп, Т1. N15. гг, Бп. Си, РЬ. гг.. Се. С1, В Ве. Сг, Мо, N1, ЧЯ. V, Йа Ад

Гидротермальные высокотемпературные

Месторождений касситерит-поле вопшат- кварцевой формации N8, А1 Ре. Са Мп, РЬ, Бп, Ба, И. Си, гп, Т1. '."д. В.С1 №. В1, Мо. V, N1, Сг Ад

Месторождений касситерит-квар цевой формации А1. Са, Ва N3. Мд. Ре. Бп. Си, БЬ, А», С1 л, мп, гп. РЬ, В1.гг. \Л/, №. и. Бг, В Сг, N1, V, йе, Ба, Мо, Ве Ад

Гидротермальные среднетемпературные

Месторождений касситерит-ква рц-сульфидной формации (1-Ш стадий) А1. Са, Ра, А>. Сг Ыа, Ва, Мд, Мп, Бп, 2п, гг, w. БЬ. С1 и, Ве, Бг, В, РЬ, В1. Мо, Т1, Си ва, Jn, Ад. N1), V, NI.Be -

Месторождений касситернт-ква рц-сульфидной формации (IV-VII стадий) Ре. А1 Ма.Мд. Са. гп, БЬ Бп, Си. В1. РЬ, Мп. Т1, Ва. В. №. у, и ба, \Л/, V, N1, Сг. Ва, йе Ад

Гидротермальные низкотемпературные, гребенчатые

Месторождений касситерит-пале вошпат-кварцев ой формации - А1. Ре Мп. и. Си, N1. гп. п.. гг, Мд. Са, Ва Ве. №. \Н. Са, В

Месторождений кассктерит-квар цевой формации - А1, Ре и, Си. гп. Иа, Т1, Мд. Ва БЬ, Мп. РЬ. Бп. №, йа. V Ад, Сг

Халцедон и кварцин

Месторождений касснтерит-квар цевой формации Гт А». Си, 2п. А1. Са Бп. Са. Мд Ве. Мп. РЬ. Се. В1. Мо. V. Т1, Ва Ад. N1

Изученные свойства кварца

Модуль упругости

При температуре 20°С

Скорость уп ^угих продольных волн

Затухание упругих волн Пьезомодуль

Диэлектрическая постоянная

При высоких Т условиях

Газовые

включения

Гомогенизация Д крепитация Потеря веса

метры

Коэффициент линейного расширения

Электрические параметры

Диэлектрическая постоянная

Сопротивление -.при МО3 Гц

Сопротивление при постоянном токе

Модуль упругости

Области применения результатов исследования

Спецтематика

• Геофизика

Зоны повышенной проводимости Зоны разуп-рочненных пород Состояние вещества земной коры в зависимости от Р,Т

Оценка за то рожден: СПС1 пасов мес-ий по ИК-стру --

Золота Олова фр, воль-ама Кварца

г*-* H-HÍH'MUMi

artHDMoñ vactjj

Гистограммы скоростей распространения упругих волн

Касситерит-пегматитовая формация

80 60 40 20

5,0 6,0 7,0 Ур-Ю , м/с

Касситерит-полевошпат-кварцевая формация

5,0 6,0 7,0 Ур-Ю3, м/с

Касситерит-кварцевая формация

5,0 6,0 7,0 ур-103, м/с

80 60

Касситерит-сульфидная формация

5,0 6,0 7,0 ур-103, м/с

Гистограммы значений энергии активации проце :а электропроводности Ео кварца разных генетических групп

40 30 20 10

0.6 1,2 1,8 Пегматитовый кварц

Ео, эВ

40 30 20 10

» " " Ч: : -"I

0,6 1,2 1,8 Ео, эВ

Гидротермальный высокотемпературный кварц

40 30 20 10

......

т ш щ

0,6 1,2 1,8 Ео, эВ Гребенчатый кварц

Таблица 3

Результаты исследования кварца

Метод исследования Объект исследования Что обнаружено

Микроспектрал ьный эмиссионный анализ Жидкая фаза га- зово-жидких включений С1, И, В, Б, Ыа, К, и, Са, Mg, Бг, Ва, А1, ТЧ, Ве, Бс, ва, Ре, Сг, Мп, V, Си, Бп, ЫЬ, Та, V/, Мо, Сг, 2п, РЬ, Бе, Ах, БЬ, У, На, Эе, гг, В1, С, N

Метод п-, а- радиографии Газово-жидкие включения Присутствие и

Газовый метод, масс-спектроме трия, ИК-спект-роскопия Газовая фаза вакуолей, каналы кварца Н2, С02. N2, Аг, СН4, СНзХ, где Х-Р,С1; Ог, БОг, НгБ

ЭПР Изоморфная примесь А), Ре, Т1

В кремнекисло-родных тетраэдрах Компенсатор заряда - дырочный парамагнитный центр - О"

ИК-спектроско пия Каналы кварца Стабилизатор заряда в кварце: высокотемпературном - Ыа + ни^коте пе-ратурном - Ы , Н

Таблица 5

Сопоставление величин пьезомодулей с критерием термобуримости кварцсодержащих горных пород

Порода Месторождение Содержание кварца в % по весу Величина пьезомодулей в ед. СОБЕ/дн ¿шах Критерий термобуримости П, см /кал Категория термобуримости Удельные энер-гозатра- ™/ 3 ккал/см

¿Иш-Ю10

Кварцит "Перво-уральское" 98,00 3,0 1,00 3,0 0,174 18 '3.65

Гранит "Ю" "Ровное" 25,23 1,3 0,74 2,0 0,073 8 6.34

Гранит"В" "Ровное" 28,25 1.9 0,90 2,0 0,067 7 7.64

Гранит"У" "Ровное" 22,75 2,7 1,85 1,5 0,063 7 8.25

Таблица 4

Величины пьезоэлектрических модулей (¡¡¡к. и скоростей упругих продольных волн ур вдоль осей пьезоэлектрической текстуры для кварца разного генезиса оловорудных месторождений

Образец Величина пьезоэлектрического модуля &,к-10 Кл/Н Величина скоростей упругих продольных волн у„, км/с

П элект. оси П механич. оси П оптич. оси П элект. оси П механич. оси П оптич. оси

3120 10,6 10,1 6,6 6,0 5.3 6,3

3271 3,3 1,7 1,5 5,5 6,2 6.4

32 3,3 1,9 0,5 6,2 6.7 6.4

46 6,9 2,7 0,5 5,4 5,4 6,3

TTafihHnaift

Marry-in ïapîEOCTrt npw 2t)i°t (Eah.MaMCiiwufciiiti;- (EmmcK.MHiiiii-Kuvn« aanetne npta iJ>anoKirii« nqjeocttt (Cnrin)) xim k napuai pa» ma renerrettemat rpynrno.mimpya»nxtMcirropu»3e3iiiHi

kbmcpt oCipatm» OC& cmimnm pin» m>e- 3ÏTTCKXT Tyjmi n»-3!:jni Eaii - i:orl№ nta £fïiutt* toi10* ntn ^Rlintl ira"*' nie i ; ''iniiKV ; ¡¡20) 1 < ! ^raiiii fiaii AIE-no;10' nui

nkrMarHTOBijt>ïHanmiTHi

402 Cl), X 3137- J172 ! 350411 H8» ; 1E,,70) 01911 2fi®

4mm X 4190) ¡3-1» USE liuis 01 7777 2fi>77

225 z 5^40) ÎS» Ufl» i u,10) 11,00) 0(50)

32TÎ z 11.6» 3V1IT \THJB. HJffi UffiS ll.fi» 0)4155

32 il» X 2,44! 31,4») <№ 3OT 0)39) 240)

32. m X 2,281. 2,Sfl) QOT) 3}JM \№ 0135» 11,90)

32 «3)1 z 01,33 11,437 i un« U(ÎH \\M1 UJI77 014®

RWiiïKCTCwfiiijyaîTypiiiaj^'riiaparrïrïçniiiiiaiiiiti'HBaniUiij

35$ il» 41,00) 5U12 '2J3BS HZ77

39» (2» 232 313>* ii USB 2J23J 114,43) oi m iU8»

tôt 3172 U4® :U25 UJM7 1U1S

*8> 2.7® Usa« H№> S1135« Olffll 11.4Î77

3316(0) K.fift 1I.SJ !;2»J2! \\W U50) 11,2» 010»

airs m 2,2® 2, ,4$ l:25jm H225 i;js» 019» 013®

2CT73 | J\3S ftvlflB 2ÉÈM 230) lUtt 0)4®

370) (D) x 41,40) !!5fîÉ6 m© 118% 1UW

37a®) z 11,4» 2®s 1S® № Ufi3i 11,277 015»

KBapitwirpsiËRnan

2022 ¡2,40) uro |j Uffi77 1U1S 0)6®

202$ - № 05S7Î 1.2437 1UÎ77 101477

rpeSeHMaxbie,, inniammnspasiypmiienisTynetiMaiiuiiuffiKBapuui

229 (D) X I3U® 3Ï4I I4J3ŒI U2J1 0)ZS 3№*1

229) m z 0158 0;89î 23» 208 01911 lUi»

229 <(5)) z I2CS ¡3UX») mas ¡282 !U3ffi 0)52 202

275 G 11,29 ! ii,e* niœ |U4® S \%T31 0)®5 0)5Stt

Таблица 7

Физико-химические характеристики хлористосодержа-ших пород и их электрические параметры. Образцы оловорудных месторождений

Состав пород, их физико-химические и электрические параметры Обр. 336 (Амгань-1 ское месторождение) Обр. 300/1 (Канды-чанское месторождение) Обр. 1094/Л (Лиственное месторождение) Обр. Б-9 (Боливия)

БЮг 20,61 27,51 22,22 18,10

БпОг 6,00 4,00 2,15 30,95

А120З 22,79 21,52 17,35 14,64

РсгОз 6,73 4,19 13,10 -

РсО 32,21 30,08 27,24 25,44

мго 0,65 1,40 6,48 2,38

Н20+ 10,00 10,67 11,60 5,81

Общая желези-стость, Р 97,10 90,20 83,70 90,30

Коэффициент окисления( 15,80 10,10 30,00 -

Электропровод-ностьа, Ом^см"1 при 200°С 0.2410-7 0,1110-6 0,2610-5 0,2110-10

Электропроводность О, Ом"1 см"1 при 600°С 0,7210-3 0,8910-3 0,5210-3 0,110-4

Энергия активации, эВ 0,87-0,72 0,50-0,60 0,42-0,67 1,22, р-0 кбар 0,86, р-0,9 кбар

ниной, вдоль границ зерен кварца и халцедона располагаются группы —ОН, безусловно, вносящие свой вклад в электропроводность кварца. Кроме того, расположение газово-жид-ких включений по зонам роста п по залеченным трещинам создает разные условия прохождения электрического тока и упругих волн по различным направлениям. Нагревание изменяет фазовое состояние содержимого вакуолей включений: из многофазного оно превращается в жидкий электролит, в котором растворяются не только твердые осадки, расположенные на стенках вакуоли, но и минералы-узники. Таким образом, процесс гомогенизации приводит к увеличению электропроводности и скорости распространения упругих волн в тех направлениях, вдоль которых закономерно расположены включения.

Нагревание выше температуры гомогенизации приводит к выделению углекислого газа и групп ОН-1 из вакуолей и вскрытию последних, что приводит к разрушению токопрово-дящих каналов: проводимость падает. В процессе первичного нагревания разрушаются наиболее уязвимые включения: самые крупные и расположенные в местах с максимальными термонапряжениями.

4.2. Изучение электрического сопротивления кварца разного генезиса. На первом этапе мы определяли области значений удельного электрического сопротивления, измеренного на постоянном токе кварца разных генетических групп [17]. Для каждой группы устанавливались средние значения электрического сопротивления. Величина средних значений удельного электрического сопротивления для пегматитовых и 'высокотемпературных гидротермальных кварцев на порядок выше, чем у низкотемпературных гребенчатых кварцев. Пегматитовый кварц имеет наибольшее сопротивление.

На графике зависимости логарифма сопротивления от 1 /Т для каждого образца кварца можно выделить несколько участков с линейной зависимостью, но разными наклонами прямых, и аномальную область поведения сопротивления, ширина интервала и температурные границы которой зависят от генезиса кварца. Следует отметить, что область аномалий включает в себя несколько ОТТ воды: 225, 270, 340, 410° С.

При сопоставлении областей изменения логарифма сопротивления в интервале температур от 100 до 1050° С нами обнаружены общие и отличительные черты каждой генетической группы. Так, область значения удельного электрического сопротивления для пароморфозы лежит в области его значений для пегматитового кварца выше высокотемпературного гидротермального во всем интервале температур, кроме фазового а-р-перехода. Такое отличие объясняется тем, что пегматитовые кварцы практически не содержат группу ОН-1 в дефектах, что установлено при изучении их ИК-спектров.

В высокотемпературном гидротермальном кварце присутствует группа ОН-1 в дефект-каналах. В таком кварце присутствуют газово-жидкпе включения с разным соотношением газовой п жидкой фазы, жидкие включения. В пегматитовом кварце преобладают газовые включения [1, 36].

Области изменения величин электрического сопротивления от температуры нагревания для пегматитового и высокотемпературного гидротермального кварца лежат ниже области изменения гребенчатого. Следует отметить, что нижняя граница* области изменения электрического сопротивления гребенчатого кварца определяется сопротивлением , кварца месторождения Бай-Мурза. У гребенчатого кварца этого месторождения оказалось наибольшее значение электрического сопротивления в группе гребенчатого кварца. Это объясняется тем, что месторождение Бай-Мурза является наиболее глубинным по сравнению с остальными. Его формирование шло при больших давлениях, что отразилось на его составе, структуре и других свойствах. Наиболее низкое сопротивление гребенчатого кварца по сравнению с другими кнарцамц в основном объясняется тем, что в его составе, по данным ИК-сиек-троскопии [4—6], присутствует больше воды, а вакуоли содержат менее концентрированные растворы.

По величине электрического сопротивления можно судить испытал ли кварц фазовый а-р-переход или нет [17]. Так, если при 200°С кварц имеет верхний предел значения сопротивления ниже 10 Ом-м, как у образцов из месторождений Адун-Чолон, Молодежное, Зун-Ундур и Ушмун, то можно утверждать, что эти кварцы не претерпели инверсии и являются «-кварцем, это установлено и по ИК-спектрам.

Впервые при изучении электрического сопротивления в зависимости от температуры нагревания нами было проведено сопоставление его поведения и процессов, протекающих в газово-жндких включениях [1, 18]. Изменение сопротивления при определенных температурах сопровождается появлением процесса поляризации и звуковыми эффектами разной интенсивности п тембровой окраски [1]. В области фазового перехода сопротивление остается постоянным. Жидкие включения способствуют возникновению поляризационных процессов, вскрытие их приводит к падению сопротивления в начальный момент. Вскрытие газовых включений приводит к росту сопротивления [1].

Одной из существенных характеристик кварца является энергия активации процесса электропроводности Е0. Энергия активации для всех типов кварца различна в разных температурных интервалах, она позволяет судить о токоносителях в кварце. Нами построены гистограммы Е0 для каждой генетической группы (см. гистограммы). Анализ гистограмм Е0 процесса электропроводности выявляет различные распреде-

ления эиерпш активации по интервалам значении. Высокотемпературный гидротермальный кварц имеет наиболее широкий интервал значения Е0. Он перекрывает значение Е0 гребенчатого кварца, которому присущ сложный состав токо-посптелей. В области примесной проводимости у кварца обеих групп присутствуют токоносителн сходной природы. Вероятно, для высокотемпературного гидротермального кварца свой вклад в электропроводность дают вторичные газово-жндкие включения.

■ Следующим этапом изучения электрических свойств жильного кварца было одновременное исследование зависимости от температуры электрического сопротивления, измеренного на постоянном токе ti на переменном частоты 103 Гц, а также исследования зависимости от частоты и температуры диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь. Мы выделили несколько групп жильного кварца для изучения электрических свойств при нагревании от 20 до 900°С [17]. К первой группе мы отнесли «-кварцы, представленные низкотемпературным]! гребенчатыми кварцами, ко второй — кварц, названный параморфозой. Третья группа представлена пегматитовыми и высокотемпературными гидротермальными кварцами, являющимися смесью a-кварца и параморфозы.

Для кварца всех генетических групп во всем интервале температур электрическое сопротивление, измеренное па постоянном токе, выше сопротивления, измеренного па переменном, что объясняется сложными поляризационными процессами, протекающими при нагревании. Значение электрического сопротивления для «-кварца во всем интервале температур 20—900° С па порядок меньше, чем у параморфозы. Отличие в значениях электрических сопротивлений, измеренных па постоянном и переменном токе для параморфозы, сохраняется до более высоких температур (800° С),-в то время как для a-кварца уже при 600° С оба значения сопротивления становятся одного порядка. Это свидетельствует о том, что поляризационные процессы в большей мере присущи параморфозе, что обусловлено более высоким содержанием газо-во-жидких включении, которые вносят существенный вклад в процесс поляризации.

В пегматитовом и высокотемпературном рудоносном гидротермальном кварце, зерна которого представлены в основном параморфозой, проявляются те же закономерности, что и для параморфозы. В гидротермальном перудоносном низкотемпературном гребенчатом кварце, являющемся «-кварцем, наблюдаются те ж'е закономерности, что и для эталона «-кварца. Впервые проведенное изучение зависимости от температуры электрического сопротивления, измеренного одновременно на постоянном и перемепом токе для каждого нс-

следуемого образца, позволяет оценить вклад поляризации в электросопротивление для всех генетических видов кварца.

4.3. Зависимости от температуры и частоты диэлектрических параметров кварца разного генезиса [18]. В экспериментальных зависимостях от температуры диэлектрической проницаемости кварца разного генезиса можно выделить три типа:

а) монотонно возрастающие функции от 200° С и выше наблюдаются у низкотемпературного кварца, являющегося а-кварце.м;

б) для жильного рудоносного кварца первой стадии генерации на кривой зависимости диэлектрической проницаемости от температуры наблюдается ступенька, интервал температур которой для кварца касситерит-пегматитовой формации из центральной части жилы 300—450° С, касситерит-кварцевой формации 400—600° С;

в) для параморфозы в области 350—700° С имеется и возрастание и убывание диэлектрической проницаемости. Для этого кварца в том же температурном интервале наблюдается аномальное поведение электрического сопротивления.

Различный характер зависимости диэлектрической проницаемости от температуры объясняется разным содержанием в кварце газово-жидкнх включений и количеством структурных дефектов, содержащих группы ОН-1 [18].

Зависимости диэлектрической проницаемости от частоты позволяют оценить время релаксации. Измерение зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь от частоты проводилось при комнатной температуре в диапазоне частот 102—107 Гц. При наличии нескольких времен релаксации зависимость диэлектрической проницаемости от частоты имеет несколько ступеней, а зависимость тангенса угла потерь от частоты — несколько максимумов. Если имеется непрерывный набор значений времен релаксации, то кривые этих зависимостей становятся более размытыми. Для каждого жильного кварца имеется набор времен релаксации, что свидетельствует о сложном характере процесса поляризации в них {18]. Интенсивность поляризации и ширина набора времен релаксации зависят от генезиса кварца, поэтому результаты анализа диаграмм Коула — Коула можно использовать для установления типоморфных признаков кварца, что сделано нами впервые [28]. Для жильного кварца на кривых зависимости диэлектрической проницаемости от частоты наблюдаются максимумы при наиболее характерных частотах б.ОХ'Ю5, 5,5х105 Гц. Следует отметить, что для низкотемпературного гидротермального кварца имеется большее число резонансных частот, это является следствием сложных поляризационных процессов, протекающих в них. При частоте Ю6 Гц отличие в значениях диэлектрической проницаемо-

стп кварца разных генетических групп самое наименьшее, и в достаточно широком интервале частот это значение остается постоянным [18].

4.4. Связь удельного электрического сопротивления с физико-химическими условиями образования [11, 12, 35—37, 39—41].

На последнем этапе изучения электрических свойств кварца устанавливалась связь удельного электрического сопротивления с физико-химическими условиями образования оло-вяшго-вольфрамовых месторождении. Изменение окислительно-восстановительных свойств минералообразующен среды в процессе последовательной кристаллизации иарагенных минералов определялась нами методами масс-спектрометрнч. Для оловянно-вольфрамовых месторождений они установлены по изменению изотопного состава углерода в углекислом газе и содержанию двуокиси углерода в вакуолях кварца н касситерита (см. табл. '1).

Зависимость удельного электрического сопротивления изучалась в кварце оловорудных месторождений при нагревании от 100 до 1050° С. В этом интервале были выделены две области изменения электрического сопротивления, учитывая кинетику выделения углекислого газа из минералов при разных температурах нагревания: при 250—500° С выделяется углекислый газ из вакуолей, при 550—900° С происходит разложение карбонат-иона. Одновременно с определением электрического сопротивления фиксируется выделение воды и двуокиси углерода [11, 12].

Наименьшее значение сопротивления и изменения его величины в обоих интервалах температур наблюдается у кварца касситерит-кварцевой формации, чуть большее — у кассн-терит-полевошпат-кварцевой формации, а наибольшее — у кварца касситерит-пегматитовой формации. Количество выделяемых воды н углекислого газа в интервале температур от 250 до 500°С постепенно возрастает от касситерит-пегматитовой к касситерит-кварцевой формации [11, 12].

Самое низкое удельное электрическое сопротивление кварца касситерит-кварцевой формации по сравнению с кварцем других формаций можно объяснить большим содержанием воды н углекислоты в вакуолях и дефектах кристаллической структуры. Высокое содержание углекислого газа и воды в кварце касситерит-кварцевой формации обусловлено, с одной стороны, усиливающимися окислительными свойствами минералообразующен среды, с другой стороны — большей скоростью кристаллизации кварца касситерит-кварцевой формации, чем касситерит-пегматитовой. Известно, что чем больше скорость кристаллизации по сравнению со скоростью транспортировки из раствора веществ к фронту кристаллизации и отвода углекислого газа, воды и др., не принимающих участие в кристаллизации минерала, тем больше углекислого

газа н воды будет накапливаться перед фронтом до вскипания, и тем больше они будут захватываться растущими кристаллами.

В интервале 250—500°С удельное электрическое сопротивление уменьшается для кварца всех формаций. Однако характер его изменения весьма сложен по ряду причин. В частности. массовое вскрытие газово-жндких включений приводит к образованию микротрещин. В микротрещнны могут поступать как содержимое газово-жндких включений, так и дефекты кристаллической структуры («-вакансии, дислокации, примесные атомы и др.), для которых эти трещины будут являться стоками. Увеличение температуры нагревания до 500° С, т. е. выше температуры массового вскрытия газово-жндких включений, приводит к тому, что кристалл, образованный при неравновесных условиях, стремится освободиться от избыточного количества дефектов, так как в кристалле устанавливается равновесная концентрация, которая зависит от температуры [11, 12].

Изменение удельного электрического сопротивления в обоих температурных интервалах кварца разных формаций неодинаково: наибольшее оно у кварца касснтерит-пегматнто-вон формации, а наименьшее — у кварца касситерит-кварце вой. Эту закономерность можно объяснить тем, что кварц касситерит-пегматитовой формации образовывался при восстановительных условиях, которые приводили к консервации в дефектах кристаллической структуры кварца восстановительных компонент минералообразующей среды (С, И, О, Б, N и др.). Для кварца касситерит-кварцевой формации условия образования были окислительные и при неравновесном образовании на фронте кристаллизации скапливались окислительные компоненты раствора (С.02, СО, Н20, ОН, БОа и др.). Известно, что при повышении температуры скорость диффузии восстановительных компонент больше, чем скисли-гельных, в результате чего изменение удельного электрического сопротивления в интервалах температур 250—500°С и 550—900° С для кварца касситерит-пегматитовой формации больше, чем для касситерит-кварцевой.

Самое низкое значение удельного электрического сопротивления кварца касснтерн I-кварцевой формации можно объяснить не только тем, что он изобилует газово-жидкнми включениями, которые служат стоками для дефектов кристаллической структуры, но и уменьшением времени жизни дефектов, а это способствует увеличению проводимости. Наибольшее значение удельного электрического сопротивления кварца касситерит-пегматитовой формации объясняется тем, что в нем дефекты находятся в основном в виде вакансии, которые не могут быть стоками дефектов и тем самым увеличивают время жизни дефекта, одновременно уменьшая проводимость кварца [11, 12].

5. ЗАВИСИМОСТЬ УПРУГИХ ПАРАМЕТРОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВАНИЯ

5.1. Изучение коэффициента линейного расширения жильных кварцев. Изучение проводилось в лаборатории физики горных пород МГИ на установке, разработанной В. В. Ржевским н В. С. Ямщиковым по ими же разработанной методике. Объектом исследования был жильный кварц разных генетических групп [20].

Установлено, что общий характер зависимости коэффициента линейного расширения о г температуры для кварца всех генетических групп совпадает с аналогичной зависимостью для искусственного кварца, по на его фоне обнаруживаются аномалии в температурных интервалах протекания гомогенизации и декрепнтацнн газово-жндких включений, подобное поведение наблюдалось и V электрических параметров [17, 18].

На кривых зависимости коэффициента линейного расширения от температуры максимум приходится па температуру инверсии [20]. Как установлено, состав примесей в кварце влияет на температуру фазового перехода, поэтому максимум значения коэффициента линейного расширения для кварца разных генетических групп наблюдается при температурах, отличающихся от теоретической температуры фазового перехода кварца — 573°С. В ряде случаев она несколько ниже, а для кварца с большим содержанием лития может быть равной 540° С.

Величина коэффициента линейного расширения зависит от системы дефектов присутствующих в кварце. Она имеет разброс значений при температуре инверсии для кварца одной генетической группы, но взятого из разных месторождений. У кварца из центральной зоны пегматитовых тел пр г температуре инверсии она изменяется о г 8,9(>ХЮ~5 до 11,08 X Х10-5 град-1, у высокотемпературного гидротермального — от 8,95Х10~5 до 14,02X 10~5 град у низкотемпературного гидротермального — от 9,41 X Ю-5 до 12,03x10-5 град-1.

Наименьший разброс значении коэффициента линейного расширения при температуре инверсии у кварца низкотемпературного гидротермального объясняется тем, что в нем меньше содержание примесей в структуре кристаллической решетки, много групп ОН-1 н лития, плотность его — самая низкая из всех кварцев, структура самая рыхлая [20].

Наибольшее колебание значений коэффициента линейного расширения при температуре инверсии у высокотемпературного гидротермального кварца объясняется тем, что температура его образования имеет широкий спектр значений, поэтому содержание в нем параморфозы изменяется от 0 до 100%, и в дефектах кристаллической решетки содержится

разное количество групп ОН-1. Кроме того, при неспокойной тектонической обстановке формирования месторождения в кварце могут существовать несколько типов пьезоэлектрических текстур различной степени подчиненности.

Для халцедона, имеющего криптокристаллическую структуру и образующегося в самом конце гидротермального процесса, коэффициент линейного расширения увеличивается при нагревании до 550° С, а по достижении этой температуры халцедон разрушается. На кривых зависимости коэффициента линейного расширения, получаемых при пошаговом нагреве образцов, прослеживается изменение величины коэффициента линейного расширения при повторном нагревании и изменения положения интервалов па температурной шкале с его аномальным поведением: аномальные области сдвигаются в область более высоких температур [20].

5.2. Изучение модуля упругости кварца оловорудных месторождений при нагревании. Жильный кварц представляет собой пьезоэлектрическую текстуру m-3:m. Величины коэффициентного линейного расширения и модуля упругости Е, измеренные вдоль электрической текстуры для всех генетических групп кварца во всем интервале температур от 20 до 800° С, выше, чем те же величины, измеренные вдоль оптической оси [19, 24] (см. табл. 6).

Для кварца всех генетических групп наблюдается разный характер зависимости коэффициента линейного расширения и модуля упругости от температуры, измеренной вдоль электрической и оптической осей пьезоэлектрической текстуры, исключение составляет халцедон. Величина модуля упругости, измеренная вдоль оптической оси (Ez), возрастает при нагревании от 20 до 150° С, дальнейшее нагревание вплоть до температуры инверсии не изменяет величины Ег, приобретенной при 150°С. На зависимостях от температуры модуля упругости, измеренного вдоль электрической оси (Ех), наблюдаются два экстремума: максимум при 150, 200 или 250° С (в зависимости от типа кварца) и минимум — при температуре фазового перехода.

Температурный ход кривых Е после фазового перехода зависит от процентного содержания в кварце параморфозы: у ц-кЕарца после температуры инверсии дальнейшее нагревание не изменяет величины Е, приобретенной им при фазовом переходе. Для кварца, представляющего собой смесь «-кварца и параморфозы, нагревание выше температуры инверсии приводит к росту величины Е, причем скорость увеличения определяется генезисом кварца: глубиной залегания, степенью катаклаза [20, 24].

Следует отметить, что в области температур массового вскрытия газово-жидких включений наблюдается самое большое расхождение в величинах Ех и Ег, что создает в кварце аномальный температурный анизотропный эффект [20, 24]. Причиной его возникновения является присутствие в кварце достаточно большого количества газово-жидких включении, расположенных закономерным образом: но зонам роста и по залеченным трещинам. Разрыв вакуолей происходит тогда, когда термопапряження внутри них превзойдут предел прочности па разрыв зерен кварца. Для кварца предел прочности на разрыв в направлении, перпендикулярном оптической оси, меньше, чем вдоль нее: ах =8,ЗЗХ 107, а2~ 1,07х IО3 Пм~2 Разрыв газово-жидких включений происходит в плоскости, перпендикулярной оси симметрии третьего порядка пьезоэлектрической текстуры. Совокупность вскрытых включений образует систему трещин, вдоль которых распространяется жидкая фаза включении. На вакансиях в трещинах располагаются оксигидрильные группы ОН/1, так как за счет новых поверхностей внутри трещин возрастает монослой «воды», а поэтому в ИК-спектрах фиксируется увеличение полосы поглощения в длинноволновой части спектра в области, соответствующей слабым связям групп ОНг-1. В указанном температурном интервале кварц быстрее и легче разрушается при любом воздействии.

Для кварца оловорудных месторождений в пределах одного месторождения наибольшее значение модуля упругости имеют пегматитовые и высокотемпературные гидротермальные кварцы, а наименьшие — гребенчатые безрудные. В каждой генетической группе кварц, образовавшийся на большей глубине но сравнению с остальными, имеет наиболее высокое значение модулей упругости [20, 24].

Явление аномального температурного анизотропного эффекта лежит в основе объяснения разупрочнения пород на глубине, что подтвердилось результатами исследования сверхглубоких скважин, где вместо предполагаемого слоя базальтов были обнаружены разупрочненные граниты. На этих глубинах достигаются термодинамические условия декренп-тации газово-жидких включений. Процессы гомогенизации создают условия для лучшего прохождения электрического тока через породу, а протекание их возможно не только в результате нагревания, но и путем создания сильных тектонических напряжений, что обычно существует в породах во времена, предшествующие сейсмическому событию. Если тектонические напряжения превосходят пределы прочности на разрыв, то в породе развивается процесс декрепнтацин включений и порода разупрочняется. Это явление наблюдается в зонах, прилегающих к эпицентру сейсмического события.

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ХЛОРИТСОДЕРЖАЩИХ И СОЛЯНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД [27—31]

G.I. Исследования дегидратации и электропроводности нри высоких р и Т проводились нами для хлоритсодержащих горных пород оловорудпых месторождений, хлорит которых ассоциирует с кварцем, касситеритом, вольфрамитом, флори-том, слюдой, церконом, редко с топазом п кальцитом [27]. В этих породах хлорит и кварц часто окаймлены гидроокислами железа. Изучены 11 типов образцов, любезно предоставленных нам А. М. Подольским.

Хлориты — гндроалюмоснликаты магния и железа, широко распространены среди низкотемпературных метаморфических, метасоматнческих и жильных образований, являющихся характерными минералами в фации зеленых сланцев. Гид-рокснл ОН содержащийся в хлоритах, выделяется при температуре 480—700°С и зависимости от содержания железа. что выражается в виде эндотермических пиков на кривых нагревания. Этот эффект сопровождается резким повышением электропроводности, понижением прочности, увеличением порпстостп и трещпповатостп, изменением объема, что обусловливает интерес к физическим свойствам хлорита (см. табл. 7).

Наши исследования показали, что аномальные участки электропроводности у хлоритсодержащих пород хорошо коррелируют с температурами эндотермических эффектов этих же образцов (Е. П. Вальяпшхпна, 1975 г.). Высокое давление заметно сдвигает начало дегидратации в область более низких температур, в некоторых случаях сокращается п дегпдра-тацнонный интервал температур. В соответствии с этим энергия активации носителей зарядов при процессе электропроводности в интервале 150—450° С значительно понижается.

Отмечается хорошее совпадение экзоэффекта со вторым (высокотемпературным) аномальным ходом электропроводности, которое наблюдается при 700—850° С. Этот интервал температур соответствует фазовой перестройке обезвоженного вещества в оливнноподобпую структуру '(Е. П. Вальяшн-хнна, 1975 г.).

Вещество, образовавшееся в результате физико-химических реакций, характеризуется, по данным электропроводности, высокой энергией активации '1,22—1,8 эВ, а в некоторых случаях 2,24 эВ. Колебания величины энергии активации определяется количеством железа в химическом составе пород.

Анализ полученных данных приводит к выводу, что величина электропроводности изученных образцов при 200 и 000° С увеличивается с повышением коэффициента окисления

f, а понижение его и возрастание в породах содержания касситерита (БпОг) приводит к значительному уменьшению электропроводности.

Электропроводность является чувствительным параметром к физико-химическим изменениям в хлорптсодержащих породах, а полученные зависимости электропроводности в функции давления и температуры могут быть использованы при качественной оценке термодинамических условии формирования месторождении определенного типа.

G.2. Исследование остаточной объемной поляризации соляных горных пород. Исследование показало, что генезис играет определенную роль в ее возникновении [29]. Различные проявления остаточной объемной поляризации изучались нами на осадочных снльвннит-карпаллитогшх соляных горныv породах Верхнекамского месторождения. Эти породы представляют собой сложные по составу и строению кристаллические образования из легко растворимых в воде калиевых и калнево-магппеных минералов, важнейшими из которых являются сильвин и карналлит. Экспериментально изучались появление и изменение тока в цени, содержащей образен, и заряд на его поверхности при изменении температуры и деформации, изменение диэлектрической проницаемости при нагревании, кривая дифференциального термического анализа, зависимость токов термостимулированпой деполяризации, измерение токов смещения при перенолярпзацпи образцов плавно нарастающим нолем.

Проведенные исследования позволили установить в образцах соляных горных пород наличие макроскопической остаточной поляризации, которая в принципе может иметь электретную пли сегпетоэлектрпческую природу. Применение установленных закономерностей поведения соляных горных пород нашло отражение в работах [29—32].

0.3. Изучение изотопного состава парагенных минералог» (сульфатов и сульфидов). Изучение 100 гидротермальных месторождении доруднон, рудной и послерудной стадий позволило установить связь магматического и рудообразующего растворов и создать генетическую модель концентрации рудного вещества [33, 34, 38].

Генетическая модель гидротермальной концентрации рудного вещества состоит из магматическо-гидротермалыюго и метеорно-гидротермального раствора. На ранних этапах геологической истории шток (магматическая интрузия) магма-тическо-гидрогермальная система и метеорно-гидротермаль-ная система действуют одновременно, но внешняя система продолжает функционировать и после прекращения существования гидротермально-магматической системы. Со временем, по мере охлаждения источника тепла, внешняя гидро-

термальная система скорее всего перемещается в зону гидротермально-измененных пород, сформированных под влиянием внутренней системы, тогда происходит локальное наложение зон аргиллизацни, серитизацни и пиритизации на бно-тизнрованные и калпшпатизироианпые породы пли па свежие интрузивные породы.

Окислительный режим образования гидротермальных месторождений от кислородсодержащих (оловорудных) к серосодержащих стадиям контролируется по утяжелению изотопного состава серы сульфатов от +10 до +30%о, а сульфидов от — 10 % о До + 10 % о. В кислородсодержащих стадиях пре-имуществено содержатся сульфатная сера (барит-флюорито-вые месторождения барнт-кварц-флюорнтовые стадии) с 6343 ~ 10 % о, а у серосодержащих стадий сульфидная сера (барит-флюоритовые кварц-сульфпдпой стадии) с 6345 ~ 10%0

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В диссертации в форме научного доклада развито повое научное направление в изучении физических свойств минералов и горных пород, основанное па генетической памяти об условиях образования, запечатленной в дефектах структуры минералов и горных пород.

2. При исследовании дефектов структуры кварца олово-рудных месторождений разных генетических групп определена температура их образования по характеру ИК-спектров и температуре гомогенизации газово-жидких включений. Свойства минералообразующей среды установлены по результатам масс-спектрометрическпх исследований парагенных минералов: кварца и касситерита. Содержание элементов-примесей определено но данным химического и спектрального анализов. В вакуолях включений разными методами обнаружены в жидкой фазе 42 элемента, а в твердой — 30. Методом ЭПР определены изоморфные' примеси алюминия, железа и титана, компенсатор заряда в кремнекнслородных тетраэдрах— дырочный парамагнитный центр 0~. По данным ИК-спектров стабилизатором заряда в высокотемпературном кварце является ион натрия, в низкотемпературном — ион лития или протон.

Память о характере палеотектоинческнх напряжений определяет тип симметрии пьезоэлектрической текстуры кварца. Для кварца оловорудных месторождений пьезоэлектрическая текстура симметрии т-3:т является основной.

Генетическая память является физической основой типо-морфизма минералов.

3. Температура образования кварца определяет количество групп ОН-1, расположенных на дефектах структуры. В ИК-спектрах частоты колебаний этих групп лежат в обла-

стн 3800—2000 см-1, где наибольшая полоса поглощения наблюдается у низкотемпературного «-кварца, наименьшая — у параморфозы. Обе разновидности отличаются по составу газово-жндких включений, характеру выделения воды при нагревании и по физическим свойствам: плотности, диэлектрической проницаемости, скорости распространения упругих еолн, пьезоэлектрическому модулю, температуре инверсии, теплоте фазового перехода. В жильном кварце оловорудных месторождении параморфоза содержится в разном процентном отношении.

4. Высокотемпературные и глубинные кварцы отличаются ог гребенчатых низкотемпературных кварцев по плотности, скорости распространения упругих волн, пьезоэлектрическим модулям, электрическому сопротивлению, диэлектрической проницаемости, модулю упругости; первые характеризуются большими значениями перечисленных параметров.

5. Установлено влияние температуры образования кварца на зависимость физических параметров от температуры: существует три типа зависимости от температуры электрических характеристик для а-кварца, параморфозы и кварца, представляющего собой их смесь.

Характер изменения от температуры модуля упругости после фазового а-р-иерехода имеет свои особенности для кварца разных генетических групп. Для а-кварца значение модуля упругости, приобретенное им при инверсии, сохраняется при дальнейшем нагревании; у кварца, содержащего параморфозу, оно возрастает после температуры инверсии, причем скорость роста определяется генезисом.

6. Наличие газово-жндких включений и другие дефекты сказываются на величинах электрического сопротивления, измеренного на постоянном токе и переменном — частоты 103 Гц. С повышением температуры отличие в значениях этих сопротивлений уменьшается, н они становятся одного порядка для низкотемпературного кварца при 600° С, а у высокотемпературного— при 800° С. Состав газово-жндких включений влияет на величину энергии активации процесса электропроводности, особенно в облает]! примесной проводимости.

7. Показано, что величина электрического сопротивления и характер его изменения при нагревании зависят от окислительно-восстановительных свойств минералосбразующей среды. Самое высокое сопротивление наблюдается у кварца касситерит-пегматитовой формации, самое низкое — у кварца касситерит-кварцевой формации. Скорость изменения электрического сопротивления с ростом температуры больше у первого кварца, так как он содержит восстановленные компоненты, скорость диффузии которых выше, чем у окисленных компонентов, существующих в кварце касситерит-кварцевой формации.

8. Установлено, что газово-жндкпе включения приводят к снижению скорости распространения упругих продольных волн вдоль оптической оси пьезоэлектрической текстуры симметрии т-3:т, вдоль которой они располагаются, по сравнению с теоретически рассчитанными значениями.

9. Установлен термический анизотропный эффект, возникающий как результат отличия в поведении ЕЛ. и Ez при нагревании. Во всем температурном интервале исследования Ех Есегда больше Ez для кварца всех генетических групп.

10. Процессы гомогенизации и декрепитацип газово-жчд-кпх включении влияют па поведение коэффициента линейного расширения, модуля упругости, электрического сопротивления при нагревании: так на кривых температурных зависимостей этих величин наблюдаются аномалии при температурах образования кварца.

11. Изучение электропроводности хлоригсодержащих пород при высоких р, Г-условпях показало, что величина энергии активации и температурный интервал протекания процесса дегидратации зависят от их генезиса.

Учет генетических особенностей при исследовании электрических характеристик соляных горных пород позволило установить в них новые свойства вещества, защищенные авторскими свидетельствами.

Генетический подход к изучению изотопного состава пара-генных минералов гидротермальных месторождений доруд-пой, рудной и послерудиой стадии дал возможность установить связь магматического и рудообразуютцего процесса и создать генетическую модель концентрации рудного вещества.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Удельное электрическое сопротивление кварца оловорудных месторождении при нагревании. Новые данные о минералах. — Л\.: Паука, 1981, ЛЬ 29, с. 117—126. В соавторстве: Поидаренко Л. Т., Доломапо-ва Е. II.

2. Влияние газово-жндких включении на физические свойства жильного кварца оловорудных месторождении. ДЛИ СССР, 1983, т. 271, № 6, с. 1218—1222.

3. Зависимое 1ь физических свойств горных пород от полиморфных переходов, совершавшихся в них. ДЛИ СССР, 1983, т. 271, № G, с. 1-165— 1967.

-I. Возможность применения ПК-спектроскопии для определения темпера iypu образования сливпвх жильных кварцев. ДЛИ СССР, 1970, 1. 192, № 1, с. 155—158 В еоапюрстве: Доло.маиова li. П., Гасояп М. С., Рудницкая С. С., Тюшева Г. К-

5. Определение состава примесей и температуры образования жильного и других кварцев по инфракрасным спектрам. — В кн.: Новые данные о минералах. — М.: Наука, 1972, вып. Л!> 21, с. 35—50. В соавторстве: Доло.маиова Е. П., Гасояп Д1. С., Рудницкая Е. С., Тютпева Г. К.

6. Тппоморфные особенности гидротсрмлл: пых жильных кварцев.--В сб.: Типоморфп.эм минералом н его практическое применение. — М.: Недр;), 1972, с. 138—N8. В соавторстве: Доломаиова к. П., Гасоян ,М. С., -Короле» 11. В., Рудницкая Е. С., Тютпева Г. 1С, Элнсоп М. М.

7. Интерпретация температурных зависимостей физических характеристик горных пород но данным масс-снектрометрни, термограпиметрип п ПК-споктроскошш. Деп. н ВИНИТИ ЛЪ 493-83 от 27.02.83.

8. Генетические особенности (формирования Ононекого месторождения (Забайкалье).— Изв. вузов, Геология и разведка, 1985, № 7, с. 20—31. В соавторстве: Григорьев Ив. Ф., Доломаиова Е. И.

9. Зависимость типа симметрии пьезоэлектрической 1екс1уры, анизотропии упругих и пьезоэлектрических свойств кварца от его генезиса. ДЛИ СССР, 1985, т. 280, № 1, с. 185—189. В соавюрстве: Григорьев Ив. Ф., Доломаиова Е. П., Русакова Е. И.

10. Пьезоэлектрические свойства кварцев оловорудных месторождении. — В кн.: Очерки но геологии п геохимии рудных месторождений (развитие идей акад. Д. И. Щербакова). — М.: Изд. ЛИ СССР, 1909. с. 222—235. В соавторстве: Доломаиова Е. II.

11. Влияние физико-химических условий обрастания кварца оловяп-но-вольфрамовых месторождении на величину его удельного сопроышде-шш. ДЛИ СССР, 1985, т. 291, ЛЪ 2, с. 131-137.' В соавторстве: Носик Д. П.

12. Связь удельного электрического сонро1 ип.тения кварца оловяппо-вольфрамовнх месIорождеиий с их физико-химическими условиями образования.— Изв. вузов. Геология и разведка, 1980, ЛЪ 9, с. 31—13. В соавюрстве: Носик Д. П., Носик В. П.

13. Температура инверсии, диэлектрическая пронимаемоем> и другие свойства кварца разного генезиса. — В кн.: Новые данные о минералах.— М.: Паука, 1981, вып. № 29, с. 19—53. В соавторстве: Доломаиова Е. П., Горбатова Г. П., Пплояп Г. О.

11. Зависимость скорости распространения упр\гих продольных воли в ж.ч.'1М1ы.\ кварцах оловянных моаорожденпп ог генезис;!. — Изв. вузов. Геология и разведка, 1970, № 7, с. 26—30. В соавюрстве: Доломаиова Е. П., Лбдульманов И. Г.

15. Генетические эффекты памяти и фп'.пчеекпе свойства горных пород.— В кн.: Эффекты памяы! в юрных породах (сб. науч. 1р. МГИ).— Л1.: ЛГИ, 1986, с. 60—07.

10. Влияние оксигпдрнльпых гр\пп, входящих в струм урные дефекты и га.зово-жпдкпе включения, па физические свойства горных пород. ДЛИ СССР, 1985, т. 281, № 5, с. 1185—1187. В соавюрстве: Гасояч М. С., Тюшева Г. К-

17. Температурные зависимости удельного элекIрпчеекого сопротивления жильного кварца оловорудных месторождении. — В кн.: Новые данные о минералах. — М.: Паука, 1985, вып. Л? 32, с. 1 15—15-1.

18. Температурные п частотные зависимое тп дпэлек I рнческнх харак-к'ппстнк жильного кварца оловорудных месторождении. — В кн.: Новые данные о минералах. — М.: Наука, 1985, вып. ЛЪ 32, е. 151 —102.

19. Температурные зависимости упругих свойств жильного кварпа разного генезиса оловорудных месторождений. — В кн.: Новые данные о минералах. — Л1.: Паука, 1985, вып. № 32, с. 162—171.

20. Измерение коэффициента линейного расширения жильных кварцев оловорудных месторождений в записи мости <и температуры нагревания.— Изв. вузов, Геология и разведка, 1970, ЛЪ 7, е. 25—30.

21. Измерение продольного и поперечного пьезоэлектрического .эффекта жильного кварца н кварцита динамическим методом. Труды ИФ.З ЛИ СССР им. О. Ю. Шмидта. — М.: Наука, 1900, ЛЪ 37, с. 233—242. В соавторстве: Пархоменко Э. И.

22. Проявление генетической памяти в электрических и других свойствах жильного кварца. — В сб. научи, тр. ИФЗ АН СССР им. О. Ю. Шмидта, —М.: Наука, 1991, с. 149—154.

23. Исследование электрического сопротивления жильных кварцев ог температуры нагревания. — В сб. на)чн. тр. ИФЗ ЛИ СССР им. О. Ю. Шмидта. — М.: Наука, 1978, с. 196—200. В соавторстве: Пархоменко Э. И.

24. К вопросу о причинах изменения модуля упругости горных пород при нагревании. — Изв. вузов. Геология и разведка. 1983, № 7, с. 07—73.

25. Сопоставление тсрмобурпмостп кварцеодержащпх горных пород с величиной пьезоэлектрического эффекта. Физико-химические проблемы разработки полезных ископаемых. СО АН СССР, 1965, Л» 3, с. 78—81.

26. Сопоставление тсрмобурпмостп с величиной пьезоэлектрического эффекта горных пород, содержащих минерал—пьезоэлектрнк.— Изв. вузов. Горный журнал, 1966, № 4, с. 9—12.

27. Дстндротацня и электропроводность хлорптсодсржащпх пород при высоких давлениях и температурах. — Изв. вузов. Геология и разведка, 1980, № 1, с. 30—30. В соавторстве: Бондаренко А. Т.

28. Анализ диэлектрических характеристик жильного кварца разного генезиса, —В сб. научи, тр. МГИ. — М.: МГП, 1989, с. 133—130. В соав-юрстве: Куликова Е. В.

29. Об объемной поляризации соляных торных пород. П.АН СССР. 1983, т. 2, № 6, 1983, т. 273, ЛЬ 5, е. ¡210—1213. В соавторстве: Шувалов Л. А., Ямщиков В. С., Шкуратппк В. Л., Фарафоиов В. М.

30. Авторское свидетельство ЛЬ 788925, приоритет от 8 августа 1979 года. В соавторстве: Ямщиков В. С., Шкуратппк В. Л. и др.

31. Авторское свидетельство ЛЬ 803621, приоритет от 10 октября 1979 года. В соавторстве: Ямщиков В. С., Шкуратник В. Л. и др.

32. Авторское свидетельство Л"» 104014, приоритет от 10 мая 1983 года. В соавторстве: Ямщиков В. С., Шкуратник В. Л. и др.

33. Гидротермальная концентрация рудного вещества и ее влияние па физические параметры минералов. ДАН СССР, 1991, т. 316, Лг? 3, с. 691—693. В соавторстве: Носик Л. П.

34. Изотопный критерий для оценки влияния магматических процессов в гидротермальной и сегрегационной концентрации рудного вещества. Тез. докл. Международного симпозиума «Проблемы геофизики высоких давлений и температур» (КАПГ 11—3). г. Осграна, 1991, с. 30. В соавторстве: Носик Л. П.

35. Проявление генетической памяти в минералах и их физических свойствах п использование их в теологии н геофизике. Тез. докл. Международного симпозиума «Проблемы геофизики высоких давлений и температур» (КАПГ 11—3), т. Острава, 1991, с. 34. В соавторстве: Носик Л. П.

36. Зависимость электрического сопротивления жильного кварца с пьезоэлектрической текстурой /;г-3 : т от структурных дефектов и состава газово-жндких включений. Тез. докл. VI всесоюзной коиф. «Текстура и рекристаллизация в металлах и сплавах», г. Свердловск, 1991, с. 160. В оавюрсгве: Носик Л. П.

37. Влияние микро- н макродефектов структуры жильного кварца с пьезоэлектрической текстурой т-3 : т на величину пьезоэлектрического эффекта и скоростей распространения упругих продольных волн. Тез. докладов VI всесоюзной конф. «Текстура и рекристаллизация в металлах и сплавах», г. Свердловск, 1991, с. 159. В соавторстве Куликова Е. В.

38. Влияние гидротермально-магматических растворов и />, 7"-уел опий на физические параметры жильного кварца оловянно-вольфрамовых месторождении. Тез. докл. Итогового международного симпозиума проекта 11—3 КАПГ «Геофизические свойства вещества и внутреннее строение Земли СССР», г. Махачкала, 1990, с. 44. В соавторстве: Носик Л. П., Куликова Е. В.

39. Влияние температуры образования кварца оловянных месторождений на зависимость его электрических параметров от температуры нагревания. Тез. докл. VIII Всесоюзного совещания по физическим свойствам горных пород при высоких температурах и давлениях, г. Уфа, 1990, с. 114—115. В соавторстве: Куликова Е. В.

-10. Зависимость удельного электрического сопротивления оловянно-вольфрамовых месторождении от температуры нагревания для различных физико-химических условий его образования. Тез. докл. VIII Всесоюзного совещания по физическим свойствам горных пород при высоких температурах и давлениях, г. Уфа, 1990, с. 99—100. В соавторстве: Носик Л. П.

41. Влияние генезиса на электрические свойства жильных кварцев. Тез. докл. IX Всесоюзной конференции «Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов», г. Москва, 1987, с. 19. В соавторстве: Куликова Е. В., Носик Л. П.

Информация о работе

Успенская, Алла Борисовна
доктора физико-математических наук
Москва, 1993
ВАК 04.00.22

Автореферат

Похожие работы

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему Проявление генетической памяти в физических свойствах минералов и горных пород ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Проявление генетической памяти в физических свойствах минералов и горных пород"

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Проявление генетической памяти в физических свойствах минералов и горных пород
ВАК РФ 04.00.22, Геофизика