УДК 548.736.5

 

Пузеева М.П.1, Портнов В.С.1, Токушева Ж.Т.1,  Юров В.М.2,

Пак Д.Ю.1, Турсунбаева А.К.1

 

1Карагандинский государственный технический университет

2Карагандинский государственный университет им. Е.А. Букетова

 

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

В ТЕРМОМЕТРИИ ГЛУБИННЫХ ПРОЦЕССОВ

 

 

Введение. Вопросы, связанные с процессами в земной коре и мантии, давно привлекают специалистов различных направлений. Это связано не только с чисто научным интересом, но и с их большим практическим значением: прогнозирование землетрясений, определение теплового режима нашей планеты и т.д. В настоящей работе вопросы оценки температуры образования твердых растворов рассматриваются в рамках термодинамической модели.

Термометрия глубинных процессов. В области термометрии глубинных процессов, происходящих в земной коре и мантии, определились и начали развиваться три основных направления исследований [1]:

- прямые измерения температур лав, газовых фумарол и жидких термальных источников, а также косвенные суждения о температурах магм по степени окисления ксенолитов в магматических породах и ококсовыванию углей на контактах с интрузивными породами;

- использование природных минералов и их парагенезисов для суждения о температурах, основываясь на морфологии кристаллов, их структурах, физических и химических свойствах, а также путем выращивания кристаллов в искусственных средах с известными физико-химическими параметрами;

- термометрия глубинных процессов и режимов рудообразования по газово-жидким включениям в минералах, являющихся остатками минералообразующих сред.

Первое направление термометрических исследований называется геологической термометрией, два других – минералогической термометрией.

В первой группе методов, базирующихся на использовании самих минералов и их парагенезисов на месторождениях, могут быть выделены три главных метода:

-               минералографический, использующий морфологию минералов, вариации габитусов кристаллов одного и того же минерала и особенности срастаний;

-       экспериментально-физический, основанный на установлении и использовании физических свойств минералов;

-       геохимический, опирающийся на аналитическое определение химического состава, изотопию элементов и на экспериментальное получение минералов в параметрах искусственно созданной среды.

Ко второй группе методов относятся:

-               микротермический, основанный на гомогенизации включений нагревом;

-       визуально-вычислительный, опирающийся на сопоставлении фаз во включениях, построение эмпирических зависимостей и фазовых диаграмм;

-       декрептометрический, основанный на взрывании включений.

Минералографический метод может дать только максимальное значение температуры формирования каждой данной ассоциации минералов, но при его использовании всегда требуется доказать, что они не связаны с перекристаллизацией или иными явлениями, которые могли протекать при температурах, совершенно отличных от первичных прорастаний. К тому же до сих пор надежная корреляция между формой кристаллов и температурой их образования еще отсутствует.

В экспериментально-физическом методе используют различные физические свойства минералов, но этот метод пригоден для суждений о тех или иных пределах температур, часто далеких от условий природного минералообразования. Наиболее важны температуры полиморфных превращений в энантиотропных парах, но они требуют осторожного подхода, так как их истинное значение сильно зависит от давления, химического состава среды кристаллизации.

Точки плавления многих гидротермальных минералов находятся часто выше температур их образования на (500-1000) °С. Температуры диссоциации и разложения минералов в очень большой степени зависят от неизвестных нам величин давлений, при которых они выделялись в природе, могут указывать лишь на то, что возможная температура минералообразования была существенно ниже точки разложения этих минералов.

Из физических методов надежным является использование точек обратимых превращений минералов и температур распада и гомогенизации твердых растворов.

Геохимический метод, использующий особенности химического состава минералов, их синтеза и изотопного состава входящих в них элементов, отличается значительным разнообразием подходов к решению вопроса, но основан лишь на качественных показателях.

Термодинамическая модель. Для коэффициента электропроводности в [2] нами получено

                                              ,                                                     (1)

где  (смысл входящих в это выражение величин такой же, как и в [2]). Используя аналогию между потенциальными полями получаем для коэффициента температуропроводности

,                                                  (2)

где le - коэффициент теплопроводности при переносе тепла электронами, cV – теплоемкость среды при постоянном объеме, ρ – плотность среды.

В общем случае С1 может не совпадать с С2. Тогда

                                                   .                                                   (3)

Перепишем уравнение (3) в виде

                                                    (4)

где N – общее число квазичастиц, участвующих в переносе тепла. При комнатных температурах и выше теплоемкости cV почти всех твердых тел близки к 3Nk, т.е 25 Дж/моль К (закон Дюлонга – Пти).

Уравнение (4) можно переписать в виде

.                                                    (5)

В уравнение (5) входят только два параметра минерала – плотность и энергия Гиббса, которые экспериментально определены для большого количества минералов и представлены во многих справочниках.

Оценка температуры образования твердых растворов. В случае образования идеальных твердых растворов
                                                                                                                     (6)

или:                                                                                                               (7)

где  - температура образования. Для бинарной системы

.                                                  (8)

Для двухкомпонентной смеси температура образования твердого раствора имеет вид:

                                               .                                     (9)

Для оценки Тобр возьмем экспериментальные данные [3] для бинарной смеси MgSiO3-FeSiO3. При Х1=0,4 и Х2=0,6 значение λ=12,3 Вт/(м∙К) и соотношение (9) дает Тобр » 766 К.

Для гранатовых и пироксен-гранатовых скарнов λ ~ 14 Вт/(м∙К), что даёт для температуры образования Тобр » 640 К [3]. По данным многих работ при парагенезисе магнетитовых руд с гранатом  диапазон Tобр от 670 до 870 К, а с гранатом и эпидотом – от 670 до 770 К. Полученные нами данные укладываются в приведенный диапазон температур, что оправдывает использование формулы (9) для оценки Tобр.

Заключение. Знание температуры образования минералов даёт возмож-ность не только определять генезис месторождения, но и прогнозировать фор-му образования рудных тел с учётом теории кристаллизации в больших объёмах.

Литература

 

1.                 Минералогическая термометрия и барометрия. М., Наука, 1964, 328 с.

2.                 Пузеева М.П., Портнов В.С., Юров В.М. Термодинамические модели в электроразведке полезных ископаемых // Труды III межд. конф. «Естественно – гуманитарные науки и их роль в реализации программы индустр.-иновац. развития РК». Алматы, 2007, С. 54-56.

3.                 Физические свойства горных пород и полезных ископаемых: Справочник геофизика / Под ред. Н.Б. Дортман. – М.: Недра, 1984. 455с.