Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ
УДК 553.31+553.061.17.001+551.71+552.1
ОРЛІНСЬКА Ольга Вікторівна
РОЛЬ ЕЛЕКТРИЧНИХ ПОЛІВ
У ФОРМУВАННІ РУДНИХ РОДОВИЩ
(на прикладі залізорудних формацій докембрію)
Спеціальність:
04.00.11 - “Геологія металевих і неметалевих корисних копалин”
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора геологічних наук
Дніпропетровськ
1999
Дисертація є рукописом
Робота виконана в Національній гірничій академії України
|
Науковий консультант: доктор технічних наук, старший науковий співробітник, професор кафедри будівництва шахт і підземних споруд Національної гірничої академії України (м.Дніпропетровськ) |
СОБОЛЄВ Валерій Вікторович |
|
Офіційні опоненти: доктор геологічних наук, професор, завідувач кафедри загальної і регіональної геології Львівського державного університету ім.І.Франка |
СИВОРОНОВ Альберт Олексійович |
|
доктор геологічних наук, професор кафедри геології і розвідки родовищ корисних копалин Криворізького технічного університету |
КАТАЛЕНЕЦЬ Анатолій Іванович |
|
доктор геологічних наук, професор, завідувач кафедри геології і розвідки родовищ корисних копалин Донбаського гірничо-металургійного інституту (м.Алчевськ) |
ГОРОВИЙ Анатолій Федорович |
Провідна установа: Інститут мінеральних ресурсів Держкомгеології,
відділ благородних металів (м.Сімферополь)
Захист відбудеться « 18 » листопада 1999 р.
о 14 год. на засіданні спеціалізованої ради Д 08.080.05 при Національній гірничій академії України за адресою : 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К.Маркса,19,
тел.( 0562) 47-24-11
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національної гірничої академії України
за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К.Маркса,19,
Автореферат розісланий « 14 » жовтня 1999 р.
Вчений секретар спеціалізованої ради Д 08. 080.05,
кандидат геологичних наук, доцент А.Л.Лозовий.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Стан і актуальність проблеми. Дисертаційна робота присвячена питанням вивчення генезису залізорудних формацій докембрію (ЗФД), родовища яких містять до 80% світових ресурсів залізних руд. Промислове значення їх винятково велике внаслідок концентрації запасів у значних і унікальних родовищах, високої якості та легкого збагачення руд, компактного розташування родовищ у вигляді великих районів і гігантських залізорудних басейнів. Історія промислового використання родовищ ЗФД нараховує понад 100 років, і якщо раніше розроблялися лише багаті залізні руди, то за останні десятиліття намітився новий етап - залучення до експлуатації родовищ важкозбагачуваних бідних руд. Запаси таких руд в Україні дуже великі, а їх розміщення дозволяє забезпечити рівномірний розподіл джерел сировини щодо центрів металургії. Залізорудні концентрати, які виробляються збага-чувальними комбінатами Кривбасу, - одне з основних джерел валютних надходжень в Україну. З родовищами ЗФД пов'язаний і підвищений вміст інших корисних компонентів, які раніше не розглядалися як джерела сировини з причин низької концентрації. Так, у залізистих кварцитах Білозерського залізорудного родовища виявлені підвищені концентрації бла-городних і рідкісних елементів. Перші рудопроявлення золота, відкриті в Україні, просторово тяжіють до Сурської та Чортомлицької зеленокам’яних структур - областей розвитку ЗФД.
Наукове значення ЗФД не поступається практичному. В їх геологічній історії закладено багато питань докембрійського розвитку Землі: еволюція атмосфери й гідросфери, особ-ливості процесів інтрузивного та ефузивного магматизму, вивітрювання, осадонакопичення, метаморфізму, тектоніки і т.п. Формування родовищ ЗФД відділене від нас значним часовим відрізком, що утруднює вирішення питань генезису, оскільки в даному випадку механістичне перенесення сучасного геологічного стану в докембрій невиправдане. За понад ніж столітню історію розвитку геології залізорудних утворень в усьому світі накопичений величезний фактичний і експериментальний матеріал, висловлені найрізноманітніші точки зору на походження ЗФД. Але, незважаючи на це, питання генезису родовищ ЗФД до сьогоднішнього дня залишається дискусійним. У цьому плані показова багатотомна монографія «Залізорудні формації докембрію Європейської частини СРСР», видана наприкінці 80-их років і відображаюча різні погляди як на окремі питання генезису родовищ ЗФД, так і на всю проблему в цілому.
В Україні накопичений унікальний геологічний польовий матеріал, здійснений значний обсяг експериментальних і теоретичних досліджень. Аналіз цієї бази даних показав, що найбільш розробленою й заснованою на величезному фактичному матеріалі має бути первинно- осадова гіпотеза. В її рамках виділяються літологічні, тектонічні, кліматичні та ін. моделі. Причому кожна з них вирішує тільки свої конкретні геологічні проблеми. Так, наприклад, літологічні в основному розглядають фізико-хімічні умови вивітрювання, переносу, відкладення, діагенезу, метаморфізму залізисто-кременистого осаду, тектонічні - палеотектонічні умови формування басейну, розвиток розривних й складчастих деформацій та ін. Проте, незважаючи на різноманіття наведених дослідниками чинників, що впливають на формування ЗФД, подив викликає та обставина, що з їхнього числа були практично усунені електричні поля. Заповнити цей пропуск і покликана дана робота.
Результати наукових досліджень, наведені в дисертаційній роботі, отримані під час виконання держбюджетних НДР у Проблемний науково-дослідній лабораторії №1 (ПНДЛ 1) НГА України відповідно до Координаційного плану Міністерства освіти № 35 «Дослідження та науковий прогноз закономірностей розміщення та формування родовищ корисних копалин України». Теми фундаментальних досліджень, в яких у якості наукового керівника й відповідального виконавця брала участь автор, відповідають пріоритетним напрямкам розвитку науки й техніки, схвалені експертною радою по геології Міністерства освіти України і затверджені наказами по Національній гірничій академії України.
Мета й задачі досліджень. Мета - оцінити рівень електричного поля, що виникає в кварцвміщуючих породах (залізисто-кременистому осаді) під час динамічних навантажень, і обгрунтувати його роль на кожному етапі формування ЗФД.
Для досягнення поставленої мети вирішені такі задачі:
1. Встановлено просторові взаємовідносини між різноманітними типами ЗФД і глибинними розломами на Українському щиті й КМА. Обгрунтована роль глибинних розломів як джерел аномалій фізичних полів.
2. Розроблені фізико-математичні моделі: механізмів генерації електричних полів у результаті прояву п’єзоефекту; утворення нових мінеральних фаз.
3. Здійснено комплекс експериментальних досліджень, присвячених вивченню термоелектричного впливу на електропровідність, склад, текстурно-структурові особливості деяких мінералів і гірських порід.
4. Отримані результати теоретичних розрахунків і експериментальних досліджень співставлені з відомими геолого-геофізичними даними по складу, будові, тектоніці й метаморфізму ЗФД.
Основна ідея роботи пов'язана з розкриттям ролі електричних полів як одного з основних чинників, що беруть участь в утворенні залізорудних формацій докембрію.
Методи досліджень. Методичну основу складає комплексний підхід, що включає аналіз і узагальнення відомої геолого-геофізичної інформації з проблеми; фізико-математичне моделювання; проведення експериментальних досліджень по вивченню впливу термоелектричних полів на мінерали і гірські породи; співставлення результатів експериментів із геолого-геофізичними даними по складу, будові й метаморфізму ЗДФ.
Наукові положення, які захищаються в дисертації:
1. У результаті динамічних навантажень, що формуються під час закладення й активізації глибинних розломів, у залізисто-кременистій породі (осаді) за рахунок розвитку п’єзоефекту виникають електричні струми, величина яких достатня для ініціювання в ній фізико-хімічних процесів.
2. Тільки під час комплексної дії електричного поля й температури в мінералах і гірських породах (яшма, сидерит, сидеритоліт, сидероплезит) спостерігається стрибкоподібний характер збільшення електричної провідності, обумовлений спонтанним утворенням нових електропровідних фаз. В результаті впливу термоелектричних полів повна дисоціація сидериту, одного з первинних мінералів ЗФД, завершується при температурах 700-800К, що на 100-150 градусів нижче, ніж при простому нагріванні. Нові мінеральні фази формують смугастість (чергування рудних і нерудних мінералів), орієнтовану паралельно струмові, що проходить.
3. Такі процеси, як діагенез, епігенез і метаморфізм залізорудних формацій докембрію, обумовлені впливом чотирьох чинників: температури, тиску, флюїдів і електричного поля. Причому головну роль, при всіх інших рівних умовах, може виконувати будь-який із перерахованих чинників.
Наукова новизна отриманих результатів.
1. Вперше на підставі фізико-математичного моделювання проведені розрахунки рівнів електричних полів, що виникають у гірських кварцвміщуючих породах (залізисто-кременистому осаді) в результаті розвитку в них п’єзоефекту.
2. Експериментально виявлене нове раніше невідоме явище стрибкоподібного зменшення електричного опору гірських порід і мінералів під час комплексної дії температури й електричного поля.
3. На підставі квантово-механічних закономірностей, кінетичних особливостей і мінералогічних досліджень розроблено фізичний механізм формування електропровідних шарів, пов'язаний з утворенням у мінералах і гірських породах нових фаз (маггеміту, магнетиту, магнезіофериту, гематиту, графіту). Запропонована модель формування шарів, що характеризуються аномально високою електричною провідністю в земній корі.
4. Встановлено, що повна дисоціація сидериту, одного з первинних мінералів ЗФД, що призводить до утворення маггеміту, гематиту, графіту під час термоелектричної обробки, відбувається на 100-150 градусів нижче, ніж при простому нагріванні. У цьому випадку температура повної дисоціації залежить від напруженості електричного поля, швидкості нагрівання, хімічного складу, кількості домішок і їхньої електропровідності, текстурно-структурових особливостей досліджуваних зразків.
5. У результаті термоелектричної обробки нові мінеральні фази формують смугасту текстуру, аналогічну тій, що спостерігається в залізистих кварцитах.
6. Виділено четвертий чинник метаморфізму ЗФД - електричне поле. Встановлені взаємозв'язок і взаємозумовленість чотирьох чинників. Визначена роль електричних полів на етапах діагенезу, епігенезу й метаморфізму залізисто-кременистих порід. Розроблено фізико-хімічний механізм руйнації кварцу в кварцевих шарах при метаморфогенній метасоматичній усадці. Запропонований механізм доповнює відому метаморфогенно-гіпергенну модель утворення багатих залізних руд саксаганського та першотравенського типів.
Наукове значення роботи - на підставі теоретичних розрахунків, експериментальних досліджень і аналізу відомих геолого-геофізичних даних виділено четвертий чинник метаморфізму залізорудних формацій докембрію - електричне поле.
Практичне значення роботи полягає в наступному:
1. Фізико-хімічну інтерпретацію одержав геотектонічний критерій пошуків багатих залізних руд саксаганського та першотравенського типів. Раніше на підставі цього критерію було виділено чотири перспективних ділянки в Криворізько-Кременчуцькій і Білозерській структурно-фаціальних зонах.
2. Карта глибинних розломів Дніпровсько-Донецької западини, складена за геофізичними зйомками масштабу 1:200000, 1:500000, передана й успішно використовується як тектонічна основа для пошуків малоамплітудних порушень на вугільних родовищах Донбасу, про що свідчить акт запровадження.
Обгрунтованість наукових позицій базується на сучасних положеннях й закономірностях квантово-механічної теорії кінетики утворення нових фаз і встановлених фізичних ефектах, що характеризують явище стрибкоподібного збільшення електропровід-ності деяких діелектриків - мінералів і гірських порід під час комплексної дії температури і слабкого електричного поля. Вони строго аргументовані й підтверджені великим обсягом експериментальних даних, отриманих за допомогою сучасних методів досліджень.
Особистий внесок автора.
1. Встановлення просторових взаємозв'язків між ЗФД і глибинними розломами. Обгрунтування глибинних розломів як одного з природних джерел аномалій фізичних полів.
2. Створення мінералогічних і електричних моделей для розрахунків рівнів полів, що виникають під час розвитку п’єзоефекту в гірських кварцвміщуючих породах.
3. Проведення експериментальних досліджень комплексного впливу термоелектричних полів на мінерали й гірські породи.
4. Створення фізичної моделі формування нових фаз із високою електропровідністю і єлектронно-провідних шарів: у зразках мінералів і гірських порід; у зонах аномальної електричної провідності в земній корі.
5. Обгрунтування ролі четвертого чинника метаморфізму ЗФД - електричних полів, а також взаємозумовленості й взаємозв'язку всіх чотирьох чинників метаморфізму.
6. Основні висновки про роль електричних полів у формуванні залізорудних формацій докембрію та багатих залізних руд.
Апробація роботи. Основні положення, наукові й практичні результати доповідались і обговорювалися на науковій конференції: «Проблеми геологічної науки та освіти в Україні» (Львів, 1995); міжнародних конференціях: «Закономірності еволюції земної кори» (Санкт-Петербург,1996), «Глибинна будова літосфери та нетрадиційне використання надр» (Київ, 1996), «Проблеми комплексного освоєння надр» (Дніпропетровськ, 1998), «Актуальні проблеми геології та раціонального природокористування» (Дніпропетровськ, 1999), на перших наукових читаннях ім.акад.Лазаренка «Проблеми регіональної мінералогії» (Львів, 1997).
Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 2 монографіях, 20 статтях у наукових фахових виданнях, 20 тезах доповідей на конференціях - усього в 42 наукових працях
Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, переліку посилань з 166 найменувань на 16 сторінках, містить 204 сторінки машинописного тексту, 62 малюнки на 36 сторінках, 11 таблиць на 4 сторінках, загальним обсягом 260 сторінок і 3 додатки на 15 сторінках.
Автор висловлює щиру вдячність: науковому консультанту д.т.н., с.н.с. В.В.Соболєву за численні консультації та рекомендації; д.г.н., проф. О.Д.Додатку за підтримку автора на всіх етапах роботи над дисертацією; д.г.н., чл.-кор. НАН України К.Ф.Тяпкіну-першому вчителю; д.г.н., проф. В.М.Кравченку за критичні зауваження й поради; к.т.н., провід.науковому співробітнику ПНДЛ-1 А.В.Чорнаю за допомогу в розрахунках; В.І.Ганоцькому, Ю.Т.Хоменку, Д.С.Пікарені за активну участь у мінералогічних і рентгено-структурних дослідженнях; к.г.н. Г.М.Стовас за надані геолого-геофізичні матеріали; інженерові О.О.Ващенку - за участь в експериментальних дослідженнях; В.В.Мотенко, Л.В.Огульчанській, М.П.Добренко, Г.І.Кириченко - за дружню допомогу і підтримку.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Розділ 1. Сучасний стан уявлень про генезис залізорудних формацій докембрію.
Проблема утворення докембрійських залізистих кварцитів і пов'язаних із ними багатих залізних руд, що неодноразово була темою обговорення, продовжує залишатися актуальною. Перші значні дослідження геологічної будови докембрійських залізорудних басейнів нашої країни пов'язані з іменами П.П.П’ятницького, М.І.Світальського, І.І.Танатара. Подальший розвиток теорія утворення ЗФД одержала в роботах Я.М.Белевцева, М.О.Плаксенка, М.П.Семененка, М.М.Страхова, Ю.П.Мельника, В.М.Кравченка, Л.Я.Ходюш, Д.О.Кулика, Р.Я.Белевцева, Г.І.Каляєва, І.М.Щоголева та ін. Проте, незважаючи на значну кількість публікацій, дотепер немає узвичаєного погляду не тільки на генезис залізистих кварцитов і багатих залізних руд, але й на класифікацію та часові взаємовідносини різних типів ЗФД. У розділі показано, що найбільш аргументованою постає класифікація В.М.Кравченка і Я.М.Белевцева, в основі якої лежить поділ стратиформних ЗФД на дві групи: сингенетичні формації бідних руд і епігенетичні формації багатих руд. Серед сингенетичних залізоносних формацій, у свою чергу, виділяються за особливостями утворення вулканогенні, вулка-ногенно-осадові й осадові формації. Існуючі уявлення про генезис можна розбити на три великі групи гіпотез: первинно-осадові; первинно-магматогенні і вулканогенні; метаморфо-генно-гідротермально-метасоматичні. Найбільше серйозно обгрунтованими й розробленими вважаються гіпотези первинно-осадового походження, які підтверджуються величезним фактичним матеріалом. У рамках цього напрямку відокремлюється ряд моделей докемб-рійського залізонакопичення, кожна з яких базується на розвиткові одного або декількох аспектів проблеми формування ЗФД. Так, в одних детально розглядаються умови осадження заліза й кремнезему (хемогенне, евапоритове, біогенне, фотохімічне й ін.) і практично не приділяється увага тектоніці басейнів седиментації. В інших при достатньо складних палеотектонічних побудовах не враховується речовинний склад, текстурно-структурні особливості залізорудних товщ. Аналіз моделей докембрійського залізонакопичення показав, що найбільш привабливою, з погляду автора, має бути евапоритова модель осадження заліза у формі карбонату й кремнезему у вигляді силікатів натрію та калію. Маючи ряд переваг, вона не одержала широкого визнання, оскільки не відомі фізико-хімічні умови перетворення сидериту в магнетит і гематит в умовах зеленосланцевої фації регіонального метаморфізму. Аналіз особливостей складу, будови різних типів ЗФД і у цілому проблеми утворення сингенетичних формацій дозволяють дійти таких висновків:
1. На сучасному етапі не існує єдиної моделі, яка б задовольняла генетичним особливостям усіх залізорудних формацій докембрію.
2. Спостерігається чітка відособленість літологічних моделей від тектонічних. У літологічних моделях вирішуються питання джерел, шляхів і умов міграції заліза та кремнезему, чинників їхнього осадження, діагенезу й метаморфізму залізисто-кременистого осаду, палеотектонічні умови накопичення приймаються у вигляді постулатів - спокійний тектонічний режим шельфової зони, диференційований тектонічний рух в прогинах і т.д. У тектонічних моделях детально розроблені палеотектонічні умови накопичення й наступного перетворення залізисто-кременистих осадів, але практично не приділяється увага основним проблемам літологічних гіпотез.
3. У розвитку тектонічних уявлень спостерігається така закономірність - поступовий перехід від поглядів на розломи, як на структури, що беруть участь тільки у формуванні тектонічного плану родовищ, до точки зору про просторовий і генетичний взаємозв'язок розломів і ЗФД.
4. При обговоренні причин формування ЗФД у жодній моделі не розглядаються фізичні поля, зокрема, електричні, хоча цілком очевидно, що вони не могли не впливати на утворення таких мінералів як сидерит, магнетит, гематит і ін.
Серед епігенетичних формацій найбільшу увагу привертають багаті залізні руди саксаганського і першотравенського типів, що складають основну масу всіх залізорудних родовищ Криворізького басейну. У розділі наведені дані про склад і будову родовищ багатих залізних руд. Нині в результаті вивчення їх геологічних особливостей висунуто три групи генетичних гіпотез: гідротермальні, гіпергенні та метаморфогенно-гіпергенні. Гіпотези пер-ших двох напрямків пояснюють утворення багатих руд якимось одним процесом. Найбільш аргументованою виглядає метаморфогенно-гіпергенна гіпотеза, у якій обгрунтовується дво-стадійне збагачення залізистих кварцитів: формування на першій стадії метаморфічних бага-тих руд, а потім перетворення їх на стадії гіпергенезу до сучасного вигляду. Проте автори цієї гіпотези інтерпретують усі ці процеси з позицій класично простих хімічних реакцій окислювання, що створює певні труднощі при поясненні розчинення й переносу величезних мас кремнезему при збагаченні залізистих кварцитів. Визначним кроком вперед у пізнанні генезису багатих руд стали експериментальні дослідження, проведені Л.Г.Прожогіним і В.Г.Борисенком. Результати експериментів показали, що зони окислювання і поклади бага-тих мартитових руд можуть бути обумовлені електрохімічними явищами. Проте при цьому залишається не зовсім зрозумілим питання щодо джерел електричної енергії.
Аналіз огляду генетичних гіпотез утворення ЗФД дозволяє зробити висновок, що на сьогодні запропоновані, мабуть, усі найбільш ймовірні моделі формування докембрійських залізистих кварцитів і пов'язаних із ними багатих залізних руд. Натомість стає зрозумілим, що для вирішення проблеми необхідні як якісно новий підхід, так і нові методи досліджень. Певні можливості в уточненні генезису ЗФД можуть бути закладені в об'єднанні літологічної і тектонічної моделей на базі нових експериментальних даних. Першою ланкою в такому об'єднанні були дослідження, проведені автором раніш. Так, використовуючи основні положення нової ротаційної гіпотези структуроутворення К.Ф.Тяпкіна, виявлені просторові і часові взаємозв'язки різноманітних типів ЗФД із глибинними розломами. Встановлена пряма залежність між обсягами залізонакопичення, розмірами областей розвитку основних і ультраосновних порід і рангами розломів. Виділено геотектонічний пошуковий критерій на багаті залізні руди саксаганського й першотравенського типу, суть якого полягає в наступному. Стовпоподібні поклади багатих залізних руд на Українському щиті просторово тяжіють до значних регіональних розломів з азимутом 17о , розташовуються у вузлах перети-нання широтних і меридіональних розломів високих порядків з пластами залізистих квар-цитів криворізької та білозерської формацій і контролюються мінімумами магнітного поля. Виявлений геотектонічний пошуковий критерій не одержав серйозної геологічної або фізико-хімічної інтепретації, оскільки не зрозумілим залишалося питання про вплив розломів на збагачення залізистих кварцитів у період формування залізних руд.
Узагальнення огляду генетичних гіпотез і досліджень, проведених автором, дозволило висловити припущення, що глибинні розломи на момент їх закладення або активізацій мають бути потужними джерелами електричної енергії, котра не могла не впливати на утворення ЗФД. У цьому зв'язку сформульована основна мета роботи - оцінити участь електричних полів на різних етапах формування родовищ залізистих кварцитів і багатих залізних руд.
Розділ 2. Глибинні розломи - природні джерела аномалій фізичних полів.
Раніше проведені дослідження, як наголошувалося вище, дозволили встановити регіо-нальні просторові та часові взаємозв'язки типів ЗФД із глибинними розломами визначених азимутів простягань. Для розвитку цих уявлень проведене вивчення локальних просторових закономірностей розміщення різноманітних типів ЗФД на Українському щиті і КМА. Ідеологічною основою для визначення цих закономірностей став принцип успадкованого розвитку Н.С.Шатського й А.В.Пейве. Під локальними закономірностями припускаються просторові взаємозв'язки між розміщенням залізорудних товщ і розломами різноманітних простягань, встановлені по геолого-геофізичним даним масштабу 1:200000 і більше. Для виявлення цих закономірностей проведені триразові незалежні виміри азимутів простягань і довжин прямолінійних ділянок пластів залізистих кварцитів і сформовані дві вибірки. Перша - для пластів залізистих кварцитів УЩ обсягом 1200 одиниць, друга - для КМА обсягом 600 одиниць. Третя і четверта вибірки отримані при вимірах азимутів простягань індикаторів розломів на УЩ і КМА, обсягами відповідно - 1260 і 550 одиниць. На підставі результатів статистичного опрацювання 4 вибірок побудовані гістограми, аналіз яких свідчить про близькість азимутів простягання прямолінійних ділянок пластів залізистих кварцитів і індикаторів розломних структур на УЩ і КМА.
Подібні закономірності, напевно, не випадкові. Можна запропонувати три варіанти їхньої інтерпретації. Перший варіант - ЗФД формувалися на межах блоків, розділених глибинними розломами. І в цьому випадку роль розломів полягала в створенні басейнів накопичення ЗФД; участі в процесах денудації і седиментації за рахунок тектонічних ко-ливальних рухів. Другий варіант - збіг азимутів простягання пластів залізистих кварцитів і індикаторів розломних структур свідчать про єдиний напрямок поля тектонічних напруг у момент процесів перетворювання ЗФД і формування розломів. Іншими словами, поля тектонічних напруг при утворенні складчастості метаморфічних товщ ЗФД і розривів були однаковими по напрямку. І, нарешті, третій варіант - суміщення перших двох припущень. В цьому випадку розломи повинні брати участь на всіх етапах формування ЗФД. Причому на кожному етапі найбільш яскраво будуть проявлятися певні ознаки або властивості глибинних розломів.
У класичному варіанті під глибинними розломами розуміють протяжні, долгоживучі, витримані по простяганню розривні структури, які розділяють блоки земної кори різні за історією розвитку, складу порід, сучасній структурі. Глибинний розлом є областю (зоною) розрядки механічних напруг. Останні дослідження, як експериментальні, так і польові, показали, що до приведеного вище визначення необхідно додати ряд істотних ознак. Так, глибинні розломи - об'ємні геологічні структури, у яких найбільш активно протікають фізико-хімічні процеси перетворення гірських порід і мінералів. Джерелами енергії для них можуть служити природні електричні поля, що виникають у під час закладення або акти-візацій розломів. Непрямим підтвердженням виникнення електромагнітних полів у зонах глибинних розломів мають бути наступні дані:
1. Експериментально встановлено, що під час механічного навантаження й пластичних деформацій гірських порід відбувається розрив великої кількості хімічних зв'язків, іонізація атомів, утворення твердотільної енергетичної плазми.
Процеси регіонального розсланцювання, катаклазу, зминання, роздрібнення в зонах глибинних розломів генерують електричні поля напруженістю 2· 10 -3 В/м.
Зсув блоків по розломах супроводжується виділенням енергії (2,2-6,3)107Дж/рік на 100 км довжини розлому. До 70% цієї механічної енергії переходить у теплову й електромагнітну.
80% атмосферних світінь строго локалізуються в зонах центральних зсувів глибинних розломів у періоди їх активізацій.
Аналіз матеріалів по добовому ходу геомагнітних варіацій за 40 років у різноманітних точках Землі дозволив припустити тектонічну природу походження природних електричних полів і пов'язаних із ними геомагнітних варіацій.
Цей перелік можна продовжити, проте, незважаючи на різнї посилання на можливість виникнення електричних полів у зонах глибинних розломів, числових значень рівнів полів дотепер отримано не було. Складність, напевно, полягала в створенні фізико-математичної моделі, що задовольняла б складу, текстурно-структурним особливостям різних типів гірських порід, засобам їх навантажения і т.п.
Аналізуючи відомі факти, висловлено припущення, що під дією динамічних навантажень у зонах глибинних розломів електричні поля можуть виникати в результаті розвитку п’єзоефекту, зсувних деформацій, тріщиноутворення.
Пропонується наступна фізико-математична модель. Нехай у конденсованому діелектричному середовищі розміщені вкраплення мінералів-п’єзоелектриків (кварц, турмалін, цинкова обманка й ін.). На речовину діють стискувальні та зсувні напруги. У результаті дії зазначених вище навантажень середовище набуває рівноважного стану за рахунок пружної або пластичної деформації, проте стосовно дії зовнішніх сил вона стає нерівноважною як електрична система, оскільки в результаті прямого п’єзоефекту на поверхні зерен мінерала-п’єзоелектрика виникають поляризаційні заряди. Взявши в якості мінерала-п’єзоелектрика кварц (найбільш поширений мінерал у ЗФД і в земній корі в цілому), розглянемо умови, за яких середовище набирає електронейтрального стану. Будь-який фрагмент гірської породи можна уявити у вигляді електричного ланцюга, де конденсатори - зерна кварцу; мінерали-діелектрики - високоомні опори; мінерали з низьким опором, межа зерен, розчини, флюїди - провідники. Врезультаті динамічних навантажень на гранях кристала кварцу виникають електричні заряди. Розрахунки показують, що при тискові не нижче 108 109 Па, спрямованому перпендикулярно до граней кристала кварцу товщиною 10-3 м, на їх поверхні створюється різниця потенціалів 0.2 кВ, а щільність зарядів досягає 10-6 - 10-4 Кл/м. При дії зсувних деформацій виникає щільність зарядів, менша приведеної в 2,7 раза, оскільки зсувні напруги в цьому випадку спрямовані не по нормалі до граней кристала.
Розглянемо процес розряду окремого зерна кварцу (конденсатора) крізь високопровідне середовище, яке його містить. Залежність струму розряду від часу в такому ланцюгові записується формулою:
(1)
де : Q - заряд на обкладинках конденсатора, ? = R · C , R - опір навантаження, C - ємність конденсатора.
У п’єзоелектрика зовнішнього поля немає, його поляризація - наслідок механічного впливу, і в цьому випадку
(2)
де: S - площа поляризації, V - напруга на гранях.
Нехай площа граней зерна кварцу дорівнює 10 -6м2, у цьому випадку С= 8 ·10 -14 Ф, тоді час зарядження конденсатора (зерна кварцу) складе 8 · 10 -1 с.
Інакше кажучи, час електричної релаксації дуже малий і реалізація наведеної схеми в природі малоймовірна. Вона може мати місце лише при розрядці великих скупчень п’єзоелектричних кристалів.
Якщо припустити, що механічні напруги породжує стороннє зовнішнє джерело електричної енергії, підключене паралельно конденсатору (зерну кварцу), то в цьому випадку струм у розрядному ланцюзі буде визначатися:
(3)
де : a величина q- миттєве значення заряду на конденсаторі; d11 - п’єзоелектричний модуль.
Ввівши позначення , рівняння (3) запишемо у вигляді:
(4)
Загальне розв’язання такого неоднорідного диференційного рівняння (4) першого порядку з постійними коефіцієнтами має вигляд:
(5)
Розглянемо окремі випадки розв’язання рівняння (5). Нехай динамічні навантаження, спрямовані перпендикулярно до граней кварцу, ростуть за лінійним законом ? =аt , у цьому випадку f(t)=a, струм через опір навантаження R дорівнює J = q / RC або (6)
З формули (6) з’ясовуємо, що струм, який проходить крізь розрядний ланцюг, спочатку дорівнює 0, а потім зростає за законом . Якщо час навантаження t>>RC, то в процесі його струм швидко стабілізується і стає рівним I=a. Sd11.
У цьому випадку конденсатор практично не заряджається, тому що властивий час його розрядження набагато менший властивого часу зарядження. Тому кристали кварцу можуть генерувати електричний струм аж до тисків, близьких за величиною динамічній межі міцності речовини. Іншими словами, електричний пробій кварцу не відбудеться, тому що опір навантаження R шунтується С.
Нехай час навантаження до максимальної напруги ? 1max = t0 , RC << t0. Тоді
(7)
Час встановлення механічної рівноваги кристала дорівнює tуст ~ h/Cзв, де h -товщина кристала, Сзв - швидкість звуку. Тому t0 ~ 0,1 см/(2· 105см/с)~0,5· 10-6с.
Якщо задатися дійсними параметрами геологічного середовища, то виявляється, що при динамічних навантаженнях в 5· 109 Па максимальне значення струму в розрядному ланцюгові кварцу з площею граней 10-6 м 2 і товщиною 10-3 м складатиме 0.24А. У природі тиски такого розміру можуть виникати при формуванні ударних хвиль у результаті розрядження механічних напруг на момент закладення або активізації розломів.
Проте в реальній геологічній ситуації навантаження змінюється з часом за законом
=a· sin(щ· t), і тоді f(t)=a · щ ·cos(щ · t).
Інтеграл у виразі (5) уявимо у вигляді
(8)
де: Re -дійсна частина значення комплексного інтеграла.
Звідси
(9)
У цьому випадку струм крізь опір R дорівнює
(10)
Дослідимо рівняння (10) за таких умов: нехай характерний час розрядження конденсатора значно менший періоду часу навантаження RСc<< T, крім того, тривалість дії навантаження t0 << T, а також t0 > RC. Ці умови приблизно відповідають розглянутій вище задачі. У цьому випадку справедливе наближення cos ? t0~1, sin щ t0~ щ t0, exp(-t0/RC)~0
Тому
(11)
Тоді, а· щ = ф1 мах/tо, а вирази (11) і (7) співпадають.
Якщо час впливу великий (t >> RC), то третій доданок у (10) можна не брати до уваги. Усереднивши за часом отриманий вираз, знайдемо, що I = 0, тому що соs ·t = sin ·t = 0. Це означає, що струм, який протікає за один півперіод, дорівнює струмові в іншому напівперіоді, але напрямки їх протилежні.
Тому середнє значення за повний період дорівнює нулю. Звідси знайдемо середнє значення квадрата струму:
(12)
Тут А = Sа/RC. Тому що cоs2 (щ· t) = sin2 (щ· t) = 1/2, cоs (?· t) sin (щ· t) = 0, тоді:
(13)
Вираз (13) дорівнює нулю при ? =0 і зростає при , спрямовуючись до
I2 = А2 (RC)2
Таким чином, чим вища частота зовнішнього впливу, тим більше середньоквадратичне значення струму. Висока інтенсивність зростання струму спостерігається при збільшенні ?, якщо RC - дуже мало [(1/RC) >> ?], у протилежному випадку темп зростання I2 незначний.
Підводячи підсумок теоретичному моделюванню, необхідно зробити такі висновки:
1. При динамічних навантаженнях не нижче 5108Па за рахунок розвитку п’єзоефекту в кварцвміщуючих породах, на гранях одного зерна кварцу в залежності від його розмірів виникає різниця потенціалів 0,26 - 26кВ.
2. Електричний струм у розрядному ланцюгові зерна кварцу буде мати місце тільки за впливу динамічного навантаження, прикладеного протягом 5· 10-6с. У протилежному випадку зерно кварцу практично не розряджається, оскільки характерний час його розрядження набагато менший від часу зарядження.
3. Динамічні навантаження 5· 109Па протягом незначного проміжку часу можуть бути реалізовані в природних умовах у результаті проходження ударних хвиль, що супроводжують активізацію й утворення розломних структур, під час землетрусів і вулканічних вивержень. Розрахунки показують, що в цьому випадку в розрядному ланцюгові тільки одного зерна кварцу виникають струми не нижче 0,2-0,3А.
4. Якщо динамічне навантаження змінюється з часом не за лінійним (=a·t), а за синусоїдальним(=asin(w·t)) законом, то тоді середньоквадратичне значення струму в розрядному ланцюгові зерна кварцу за інших рівних умов буде залежати від частоти зовнішнього впливу.
5. П’єзоелектричний ефект є інтегральним, тому рівень його в гірському масиві буде визначатися кількістю і розміром зерен кварцу або інших мінералів п’єзоелектриків.
Непрямим підтвердженням фізико-математичному моделюванню мають бути дослідження природного імпульсного електромагнітного поля Землі (ПІЕМПЗ), проведені на вугільних родовищах Донбасу. Результати досліджень показали, що малоамплітудні порушення фіксуються негативними аномаліями природних електромагнітних полів на поверхні й у гірничих виробках, а зони напруженого стану гірських порід - позитивними. Співставлення карт розривних порушень, складених за даними бурових і гірничопрохідницьких робіт, і тектонічних схем за матеріалами інтерпретації ПІЕМПЗ показало 90% збіг результатів. Більше того, при накладанні цих карт на тектонічну схему глибинних розломів ДДВ, побудовану автором, виявилася така закономірність - розривні порушення в осадовому чохлі Донбасу просторово тяжіють до зон глибинних розломів, наслідуючи їх простягання. Виділені залежності, певно, визначають успадкованість розвитку малоамплітудної тектоніки карбонових відкладень від глибинних розломів фундаменту.
Природні імпульсні електромагнітні поля Землі в цьому випадку мають бути індикаторами розривних порушень як у карбонових відкладеннях, так і у фундаменті й обумовлені тектонічними процесами, що протікають і зараз у цих двох структурних поверхах.
Розділ 3. Вплив термоелектричних полів на склад, текстурно-структурні особливості мінералів і гірських порід.
На сьогодні існують принципові розбіжності в думках щодо фізичних параметрів, відповідальних за метаморфічні перетворення в мінералах і гірських породах. З одного боку - уявлення, засновані на фізичних експериментах із речовинами в області високих тисків і температур , а також термодинамічні розрахунки, не підлягають сумніву, але, з іншого, - існує ряд теоретичних передумов, які свідчать про те, що роль електричних полів у ініціюванні та перебігу фізико-хімічних перетворень може бути дуже істотною, а іноді й превалюючою. Оскільки в геологічних процесах тиск і температура можуть бути постійними на великих площах достатньо довго, то дуже активним енергетичним джерелом, яке виводить фізичну систему зі стаціонарного стану мають стати електричні поля. Аналіз численних публікацій показав, що вплив електричних полів на фізико-хімічні процеси, які проходять у гірських породах і мінералах, експериментально не вивчався. Подібна ситуація пояснюється низкою причин. По-перше, дія слабких електричних полів вважається неефективною і малозначущою. Передбачається, що вплив їх практично не позначається на фізичній системі в цілому і на її окремих елементах. По-друге, багатьох бентежать масштаби геологічного часу, протягом якого проходять фізико-хімічні процеси в мінералах і гірських породах.
У розділі наводиться аналіз відомих даних про зміну фізичних властивостей, складу, текстурно - структурних особливостей мінералів і гірських порід під впливом температури і тиску. Показано, що подібні експериментальні дослідження, присвячені вивченню впливу електричних полів на мінерали і гірські породи, не виконувались.
Беручи до уваги всі перераховані вище міркування і теоретичні розрахунки, наведені в розділі 2, автором здійснені експериментальні дослідження з вивчення комплексного впливу теплових і електричних полів на хімічний склад, структуру, текстуру мінералів і гірських порід.
Схема проведення експериментів така. Досліджуваний зразок встановлювався у центр циліндричного корпусу з нагрівальним елементом і затискався з боків стрижнями - електродами. Для створення надійного контакту між зразками й електродами розміщалася мідна фольга товщиною 0,5 мм, що притискалася зусиллям 15 -20 кг. У одному з електродів, виконаному з осьовою порожниною, розміщалася платино-родієва термопара, відградуйо-вана з точністю +5. Напруга, яка виникала на кінцях термопари, вимірювалась вольтметром. Для пропускання струму крізь зразок використовувалося джерело живлення постійного струму, за допомогою якого встановлювався режим стабілізації за струмом (J=299m) або за напругою (Umax = 299В).
Дослідження проводилися на зразках, вирізаних із кернів або блоків гірських порід у вигляді паралелепіпедів із довгою стороною до 20 мм, короткою - 10 мм. Такий розмір вибирався з урахуванням можливостей установки й основної вимоги, яка ставиться до зразків, при вимірюванні електропровідності мінералів і гірських порід - зразок гірської породи повинен в декілька разів перевищувати розміри зерен, оскільки в протилежному випадку він не може вважатися представницьким через превалюючу роль окремих мінералів або їхнього випадкового сполучення, а також неоднорідності структури.
Експерименти здійснювалися в таких модифікаціях: просте нагрівання зразка (без пропускання струму) до 900К; одноразове нагрівання з одночасним пропусканням струму й охолодження зі струмом; багаторазове (максимально до 4 разів) нагрівання з одночасним пропусканням струму й охолодження зі струмом; нагрівання і одночасне пропускання струму, витримка зі струмом при визначеній температурі протягом 1-3 годин, а потім охолодження зі струмом.
Термоелектричній обробці були піддані яшми з родовищ Південне (Камчатка) і Середнього Побужжя; сидерити Алапаєвського родовища (Урал); сидеритоліти - Білозерського родовища УЩ; залізисті кварцити п'ятого залізистого горизонту саксаганської світи Криворізького залізорудного басейну.
Перед комплексною обробкою у термоелектричних полях усі зразки пройшли хімічні і мінералогічні дослідження, а після експериментів проводився комплекс хімічних, мінера-логічних та рентгено-структурных аналізів.
Перед обговоренням результатів експериментів необхідно відзначити, що параметри електричного поля чітко відповідали розрахунковим (див. розд. 2) і складали: (V300 В/см, J0,3А, T1000К).
Аналіз отриманих експериментальних даних дозволив дійти таких висновків:
1. Всі мінерали і гірські породи, які були були піддані комплексній термоелектричній обробці ( Е300 В/см, Т1000К), зазнають стрибкоподібного зменшення електричного опору (табл.1).
Таблиця 1
Результати комплексної обробки сидеритів і сидеритолітів
|
Назва, №№ зразків |
Параметри обробки |
Початковий опір при 293К, 0м |
Температура стрибка, Тст. , К |
Електр.опір в момент стрибка, Ом |
|
|
Е, В/см |
I, мА |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Сидерит |
|||||
|
1 |
320 |
50 |
4106 |
633 |
61048101 |
|
2 |
240 |
50 |
7106 |
660 |
1,51048101 |
|
3 |
100 |
50 |
1107 |
690 |
104 7101 |
|
4 |
66 |
50 |
6106 |
700 |
31041,2102 |
|
5 |
0,02 |
50 |
5106 |
720 |
21041,5102 |
|
Продовження табл.1 |
|||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Сидеритоліт |
|||||
|
952/1 * |
50 |
200 |
8106 |
693 |
51062102 |
|
952/2 |
300 |
300 |
2107 |
648 |
31051,1102 |
|
1015/6 |
300 |
200 |
3,7106 |
680 |
5,61051,3102 |
|
1015/7* |
50 |
200 |
8,2107 |
670 |
51065102 |
|
1015/11 |
50 |
200 |
1,5108 |
660 |
31051102 |
|
989/5 |
50 |
200 |
1,6106 |
740 |
51052,7102 |
|
989/4 |
50 |
200 |
8107 |
690 |
9,81052,6102 |
|
989/11 |
300 |
200 |
2,5106 |
740 |
5,51052,6102 |
|
989/10 |
100 |
200 |
7,7106 |
760 |
1,91055,1101 |
|
989/12 |
300 |
200 |
1,9106 |
700 |
1,51052,4101 |
* вздовж шаруватості
2. Спостерігається залежність між температурою (Тск) у момент стрибкоподібного зменшення електричного опору, напруженістю електричного поля (Еск) і швидкістю нагрівання. Так, з збільшенням напруженості електричного поля Тск зменшується, а зі зростанням швидкості нагрівання - збільшується. Виявлені закономірності добре про-стежуються на мінералах і гірських породах, що містять до 5% домішок. Ріст кількості домішок призводить до більш складних залежностей. У цьому випадку Тск буде визначатися не тільки Еск і швидкістю нагрівання, але й електропровідністю усіх домішок, які містить зразок.
3. На величину Тск і кінцевого опору зразка значний вплив чинять текстурно-структурні особливості. За інших рівних умов, зразки, що мають смугасту текстуру і вміщені в установку шаруватістю паралельно дії струму, відчувають стрибкоподібне падіння електричного опору при температурах на 50 - 70 градусів нижче, ніж ті, які мають масивну текстуру. Дрібно- й тонкозернисті зразки мають Тск нижче, ніж грубозернисті. Часте розтріскування, руйнація зразків, які піддавались термоелектричній обробці, свідчать, певно, про збільшення шпаристості.
4. У результаті комплексної термоелектричної обробки в зразках сидеритів, сидеритолітів формуються нові електропровідні фази, відбувається зміна іонної провідності на електронну. Утворення електропровідних фаз (маггеміту, магнезіофериту, гематиту, графіту) відбувається при температурах на 100-150о нижче раніше відомих (табл.1)
5. Кількість і склад утворених фаз залежать не тільки від рівня термоелектричних полів, важливу роль при цьому грає чинник часу. Зокрема, після одноразової комплексної обробки в сидеритолітах формується значно менше маггеміту й магнезіофериту, зерна дрібні й слабко оформлені, гематит не утворюється. У результаті багаторазових дій термоелектричними полями або обробці з витримкою залізисті карбонати цілком перетворені до маггеміту й магнезіофериту, з'являється гематит, зерна нових фаз значно більші, ніж у першому випадку, виявляється смугастість - чергування рудних і нерудних скупчень. *
6. Нові електропровідні фази утворюють або дрібнодисперсні частки, або подовжене зерно, яке формує "скупчення", орієнтовані паралельно дії струму, чим, певно, і визначаються нові текстурні особливості (смугастість, шаруватість) оброблених у термоелектричних полях зразків.
7. Утворення нових фаз супроводжується виділенням значної кількості тепла, тобто реакції екзотермічні.
8. Під час охолодження зразка аж до кімнатної температури після одноразової термоелектричної обробки електричний опір збільшується лише на 1-2 порядки, після багаторазової або з витримкою спостерігається зростання на 3 - 4 порядки, природа якого, можливо, пов'язана з поверхневими струмами провідності. У цьому випадку електричний опір може бути зумовлений землистими агрегатами гематиту, що сформувався за рахунок процесів окислювання на поверхні зразка.
9. Залізисті кварцити, встановлені смугастістю перпендикулярно дії струму, відчувають різке зменшення електричного опору в результаті термоелектричної обробки при температурах на 200-300 градусів нижче, ніж інші вивчені зразки мінералів і гірських порід. В данному разі залізисті карбонати окислюються, а магнетит переходить у гематит. З одного боку, це може бути пов'язане з їх нижчим початковим опором, з іншого, - з тим, що це породи, у яких текстурно-структурні особливості, мінеральний склад остаточно сформувались під дією процесів регіонального метаморфізму.
10. У результаті термоелектричної обробки зразків, вміщених шаруватістю паралельно дії струму, відбувалася руйнація кварцу в кварцевих шарах, а в рудних -дисоціація сидериту й сидероплезиту; магнетит окислявся. Передбачається, що це явище пов'язане з розвитком оберненого п’єзоефекту по такій схемі. Початковий електричний опір зразків, обмірюваний вздовж смугастості, на 2-3 порядки нижчий ніж впоперек шаруватості. Таким чином, при однакових параметрах термоелектричної обробки в першому випадку крізь зразки буде проходити струм значно більшої сили, ніж у другому. Встановлено, що між сусідніми рудними шарами споконвічно існує різниця потенціалів, яка прямо пропорційна різниці утримань магнетиту в цих шарах. Проходження струму крізь зразок, призводить до того, що різниця потенціалів збільшується, а отже, зростає і напруженість поля, прикладена до кварцевих шарів. Розміщений в електричному полі кристал кварцу буде намагатися змінити свої лінійні розміри, причому дія ефекту тим більша, чим вища різниця потенціалів на гранях кристалу.
11. Розрахунки показали, що енергія активації струмоносіїв на момент стрибкопо-дібного зменшення електричного опору прагне до незкінченності, отже жодний із відомих
* Петрографічний аналіз виконано разом із В.І. Ганоцьким.
дифузійних механізмів формування електропровідності в мінералах і гірських породах не підходить. Таким чином, необхідне залучення кінетичної моделі утворення електропро-відних шарів.
Аналіз досліджуваних закономірностей і результатів комплексу мінералогічних досліджень свідчить про те, що в міжфазних межах зразків гірських порід і в міжзернових межах мінералів формуються нові мінеральні фази з високою електропровідністю. У гірських породах, що складаються з різноманітних мінеральних фаз, шпар і тріщин, перенесення електричного заряду буде здійснюватися, в основному, по межах фаз, а в мінералах-діелектриках - по межах зерен, тобто по перехідній зоні між двома різними мінералами (у гірських породах) або між поверхнями двох зерен одного мінералу (у мінералах). Фундаментальна характеристика першого шару атомів поверхні мінеральної фази - незавершеність зв'язків, тому атомам знаходитися в регулярних вузлах решітки енергетично невигідно - вони залишають свої місця, решітка на поверхні релаксує, тобто реконструюється, зачіпаючи два - три атомних шара, що лежать нижче. У зв'язку з цим поверхня знаходиться в хиткому стані, який припускає наявність у системі “поверхня - частки перехідної зони” різного роду переміщень. Електричне поле стає параметром, що порушує рівновагу в системі атомів і в цих умовах система прагне до такого стану, коли ефект зовнішньо збурюючої дії поля слабшає. Таким чином, з одного боку, температура сприяє термічному розкладенню вихідної мінеральної фази і збільшенню числа рухливих компонентів у системі, а з іншого, - електричне поле стимулює утворення електропровідних фаз, намагаючись при цьому сформувати найкоротший шлях із мінімальним електричним опором.
Під час зростання температури і впливові електричного поля деякої постійної величини виникає ситуація, за якої зниження опору зразка на декілька порядків реєструється у вигляді стрибка. Це явище зумовлене лавиноподібним характером появи носіїв електричного заряду або утворенням суцільного шару, який складається з нової мінеральної фази з високою електропровідністю. Різка зміна електропровідності характеризується межовим значенням температури Тск.
Охолодження з одночасним впливом електричного поля призводить до природного зменшення електропровідності зразків у цілому, оскільки концентрація носіїв заряду при зниженні температури зменшується. Стрибок, який призводить до збільшення опору до значення, яке відповідає простому нагріванню при такій же температурі, спостерігається тільки в тому випадку, коли відключається електричний струм. Отже, доти острівці нових фаз поєднуються один з одним за допомогою іонів, електропровідність варто характе-ризувати як нестабільну.
Шлях, який проходить електричний струм по міжзернових і міжфазних межах, спочатку має вигляд ламаної лінії, а надалі в процесі розвитку хімічних реакцій у перехідних зонах стає коротшим, прагнучи до прямої лінії. Передбачається, що подібний механізм дає істотний внесок в утворення смугастості залізистих кварцитів.
Розділ 4. Фізико-хімічний механізм утворення нової фази при впливові електричного поля і температури.
У природному мінералоутворенні крім тиску, температури та флюїдів активну роль грають електричні поля. Від того, який із цих чинників за інших рівних умов має стати превалюючим, будуть залежати умови реалізації механізму росту, фізико-хімічні характеристики мінералу, хімічна спеціалізація включень і т.д. У результаті зміни тиску, температури або напруженості зовнішнього електричного поля система “мінерал-вміщуюче середовище” переходить у хиткий стан, змінюються енергетичні параметри поверхні мінералу, її структурно-функціональний покрив. В данному випадку атоми поверхневих шарів, частки, адсорбовані поверхнею мінералу, і компоненти флюїду вступають між собою в активні фізико-хімічні взаємодії. Ініціювання активного масопереносу часток на поверхні мінералу може бути обумовлене поляризованими зарядами й адсорбованими іонами під час впливу на мінерал електричного поля. Власне поле мінералу, яке виникає у результаті поляризації, має сильний вплив на зміну потенційної енергії атомів і молекул, що дифундують на поверхні. Ця енергія моделюється відповідно до локальної кривизни поверхні. На сильно викривлених ділянках поверхні виникають процеси масопереносу речовини, які намагаються надати поверхні рівноважної форми. Хімічний стан поверхні, вид фізичного впливу (температура, тиск, електричне й магнітне поля), фазовий стан і компонентний склад речовини (флюїду), що контактує з поверхнею, визначають напрямок фізико-хімічних поверхневих процесів. Якщо припустити, що фізичні впливи, фазовий стан і компонентний склад флюїду постійні, то на картину фізико-хімічних перетворень будуть безпосередньо впливати характеристики функціонального покриву поверхні. Тобто, поверх-ня - підложна або орієнтуюча основа, яка визначає ріст тієї або іншої фази.
Хімічні реакції в міжзернових межах можуть протікати за схемою взаємодії хімічного зв'язку з точковим зарядом. Розглянемо ці процеси на прикладі дисоціації сидериту. Оскільки сидерит є діелектриком, то при дії зовнішнього електричного поля поверхня набуває заряду. Відповідно, молекули СО2 (продукт дисоціації сидериту), знаходячись у зоні, обмеженій зарядженими поверхнями твердої фази, періодично потрапляють у поле зарядів. Частота співударів молекул СО2 з поверхневими іонами зростає зі збільшенням температури нагрівання. Кожен акт співудару призводить до дисоціації хімічного зв'язку СО2 на вуглець і кисень.
Для теоретичної оцінки вірогідної моделі фізико-хімічних процесів була розглянута квантово-механічна задача, у якій на окремо обраний хімічний зв'язок діє деяке збурення. У результаті розрахунків отримані чисельні значення електронних станів молекули СО2, як незбурених, так і під дією поверхневих зарядів.
Зокрема, мінімум енергії СО2 відповідає рівноважній відстані ( R ) між атомами, а різниця енергій при R дорівнює енергії дисоціації молекули основного стану. Коли молекули СО2 наближаються до заряду, розміщеному на поверхні твердої фази, спостерігається поступове “розпушування” хімічного зв'язку до моменту її дисоціації .В присутності заряду (іона) збільшуються рівноважні стани і зменшується енергія хімічного зв'язку молекули, ступінь стійкості якої залежить також і від розміру заряду (або щільності зарядів на поверхні).
Зі зміною величини заряду в більшу сторону розпушуюча дія на хімічний зв'язок зростає. Іншими словами, молекула дисоціює з більшою вірогідністю (за інших рівних умов), якщо потрапляє в поле іона, що має більший заряд. Вірогідність зближення молекул СО2 з зарядами на відстані, при яких відбувається дисоціація зростає зі збільшенням температури, в той же час наростає швидкість розкладання сидериту і відповідно кількість компонентів, що утворюються при цьому. Заряджені компоненти будуть адсорбуватися поверхнею й у такий спосіб загальна щільність заряду буде вищою. Оскільки на систему впливають два параметри - температура , що збільшується, і електричне поле, величина якого постійна, то напевно, що щільність заряду досягне деякого максимального значення відповідно до величини E.
Кінетика формування нової фази розглядається на прикладі моделі утворення графіту при дисоціації СО2 і СО. У міжзерновому просторі, обмеженому зарядженими поверхнями, із підвищенням температури збільшується концентрація молекул СО і СО2. При незмінній величині напруженості електричного поля за рахунок іонів, що надходять, зростає щільність поверхневих зарядів і для зародження і росту графіту з вуглецю дисоціюючих молекул СО і СО2 необхідні такі головні умови:
1. Вихідний стан вуглецевого газу має бути метастабільним або хитким і знаходитися далеко від термодинамічної рівноваги.
2. Кінцевий стан повинен бути “замороженим”, проміжним станом також далеким від термодинамічної рівноваги.
3. Енергія активації G по порядку величин відповідає умові G/кТ
4. Стаціонарна швидкість утворення зародків не встановлюється; зародкоутворення і подальший їх ріст можуть бути розділені як істотно окремі процеси.
З продовженням нагрівання в міжзерновій зоні неодмінно настає перенасичення компонентів (вуглецю) і за рахунок змін параметрів (флуктуації щільності й енергії) виникає нова фаза (графіт). Такого типу перетворення як “вуглецевий газ - тверда вуглецева фаза” належать до кінетичних процесів, тобто віддалених від рівноваги. Для нової фази, що утворюється, характерно те, що вона може бути аморфною або мікрокристалічною, розміри кристалітів досить відчутно залежать від параметрів процесу і, нарешті, те, що структури, які формуються - схильні до релаксації при наступних обробках.
Виявлені після термоелектричної обробки нові мінеральні фази, що утворюють шари високої електричної провідності, певно, мають природні аналоги. Так, у 60-ті роки після ана-лізу даних магнітно-варіаційних досліджень, що проводилися в центрі Російської платфор-ми, були виявлені шари аномально високої електричної провідності на глибинах від 20 до 100 км.
Зараз на території СНД виділено близько 100 подібних великих і відносно невеличких електропровідних шарів, розташованих у районах із різноманітною геологічною структурою. Аналізуючи дані, наведені по таких шарах, можна зробити наступні висновки. Вони простежуються за даними зондувань, починаючи з 20 км і глибше, тобто розташовані в земній корі і верхній мантії, на поверхні до одних шарів просторово тяжіють аномалії теплового струму, іншим властиві низькі значення геотермічних характеристик. Шари підвищеної електропровідності спостерігаються як у тектонічно активних районах, так і на платформах, і їх осі паралельні зонам глибинних розломів, чи простяганню крупних складчастих структур.
Л.Н. Єланським була висунута гіпотеза, відповідно до якої природа електропровідних шарів пояснювалася формуванням наскрізної плівкової структури в початковий момент плавлення гірської породи. Гіпотеза базувалася на експериментально встановленому факті зниження на декілька сотень градусів температури плавлення гірської породи в присутності води. Проте, як показують різні моделі розподілу температури, часткове плавлення порід може спостерігатися, починаючи з глибини 130 км (повне насичення водою) і 160 км (часткове насичення водою). У випадку сухої мантії плавлення порід на таких глибинах не відбувається в жодній із наведених моделей. Таким чином, гіпотеза Л.Н. Єланського, певно, може бути дійсною тільки для тектонічно активних областей, де геотермічний градієнт достатньо високий і умови для утворення розплаву з'являються на відносно невеликих глибинах.
Ясність у питання походження шарів високої електропровідності вносять дані глибинних електромагнітних зондувань на Балтійському щиті. Встановлено, що висока провідність обумовлена присутністю в шарах графіту й сульфідів. Сульфіди, подані у вигляді ізольованих зерен, незважаючи на їхній значний вміст, не грають помітної ролі в провідності шару. Низький опір шарів спостерігається тільки там, де присутня система мікроскопічно тонких витриманих по простяганню волокон і лусочок графіту, що складають єдиний провідник, або при наявності дрібнодисперсного графіту, що здійснює зв'язок між зернами сульфідів.
Крім того, встановлений факт зменшення електричного опору гірських порід із збільшенням ступеня метаморфізму, тобто породи амфіболітової та гранулітової фацій метаморфізму мають вищу електропровідність в порівнянні з зеленосланцевою. Зростання провідністі пояснюється більш високим ступенем графітізації речовини.
Узагальнюючи результати експериментів і досліджень, проведених на Балтійському щиті, можна запропонувати наступний механізм утворення в природі зон аномальної електричної провідності. Вважається, що такі зони формуються при порівняно невеликих температурах у результаті впливу на гірську породу електричних полів. Енергетичними джерелами, найвірогідніше, мають бути глибинні розломи під час утворення й активізацій, оскільки осі шарів (смуг), як зазначалося вище, паралельні або збігаються з зонами глибинних розломів чи то осями тектонічно активних структур даного району. Наведемо приклади. На території України відомо декілька таких зон. Найбільш значна і детально вивчена - Кіровоградська в Інгуло-Інгулецькій структурно-фаціальній зоні, вона активно розвивалася в археї і нижньому протерозої. Протяжність її не менш 2000 км, глибина не більш 35 км, вісь зони паралельна Кіровоградському глибинному розлому. Максимальний тепловий струм у центрі аномальної зони не вище середніх значень теплового струму на УЩ. Друга зона з аномальною електричною провідністю пролягає вздовж усієї Карпатської складчастої області; глибина до її верхнього краю - 20 км; характеризується дуже високим геотермічним градієнтом, причому різке зменшення значень теплового струму спостерігається в районі Західних і Східних Карпат при переході від внутрішньої області до зовнішньої. Зона підвищеної електричної провідності належить до регіону, тектонічний розвиток якого проходив у мезозої-кайнозої.
З позиції запропонованої гіпотези можна скласти таку схему утворення Кіровоградсь-кої та Карпатської аномальних зон. Шари підвищеної електричної провідності першої зони були сформовані в протерозої, у період активного тектонічного розвитку нижнього структурного поверху Українського щита. Зараз це відносно стабільна ділянка земної кори, де спостерігаються низькі теплові потоки, а природні електричні поля спроможні при досить низьких температурах підтримувати високу провідність шару. У Карпатській зоні, напевно, й дотепер йде формування шарів, тому тут і спостерігаються аномально високі значення геотермічних характеристик.
Розділ 5. Роль електричних полів у формуванні залізорудних формацій докембрію.
Аналіз генетичних гіпотез ЗФД, наведений у першому розділі, показав, що осадження заліза у формі карбонатів для архейських формацій, визнається більшістю дослідників. Для нижньопротерозойських вважається кращим осадження заліза у вигляді гідроокису, рідше карбонатів. Однією з причин, по якій сидерит відхилявся як основний первинний мінерал нижньопротерозойських ЗФД, була неясність умов окислювання сидериту до магнетиту або гематиту в умовах зеленосланцевої фації регіонального метаморфізму. Температура фації не перевищує 800 К, а початок дисоціації сидериту до магнетиту і гематиту відбувається при температурах понад 750 К. Експериментальні дослідження з комплексного обробітку мінералів і гірських порід у термоелектричних полях показали, що в цьому випадку температура повної дисоціації сидериту знижується на 100-150 градусів, тобто цілком відповідає температурному інтервалу зеленосланцевої фації. Виходячи з цих передумов, і з огляду на позитивні сторони гіпотези, за основу була прийнята евапоритова модель осадження заліза у формі карбонату і кварцу у вигляді магадиїту (силікатів калію і натрію).
Евапоритове осадження залізисто-кременистих товщ проходило у замкнутих басейнах, які могли сформуватися за рахунок спадних вертикальних рухів окремих блоків по розломах. У такому басейні відбувалося монотонне осадження в основному залізистих карбонатів і силікату натрію, у підпорядкованій кількості відкладалися карбонати кальцію і магнію, гідроокисли заліза, піщано-глинистий матеріал. Вже на початкових стадіях діагенезу відбувалося ущільнення осаду, його дегідратація і декарбонатизація, що вимагають значних витрат енергії. Вважається, що одним із джерел енергії були електричні поля, які виникли в результаті розвитку п’єзоефекту, тріщиноутворення в кварцвміщуючих гірських породах (підстилаючих і вміщуючих ЗФД) під час утворення або активізацій глибинних розломів.
Експериментальні дослідження С.Г.Романовського закономірностей переносу тепла і вологи в капілярно-пористих середовищах при їх термічній обробці з накладеним електричним полем дозволили з'ясувати, що протягом дуже короткого проміжку часу температура в середовищі встановлюється з постійним відносно невеликим градієнтом. Прогрівання капілярно-пористого тіла проходить рівномірно з однаковою швидкістю по всьому об’єму. При цьому відбувається безупинний відтік надлишків вологи і тепла в навколишній простір. Висушування таких середовищ закінчується твердінням матеріалу, на першій стадії якого йде збільшення кількості центрів кристалізації, а градієнтне електромагнітне поле перешкоджає появі напруг зрощення.
З огляду на результати цих досліджень і дані, наведені в третьому розділі даної роботи, можна припуститися такої схеми діагенезу і епігенезу обводненого залізисто-кременистого осаду. У період активізації глибинних розломів (наприклад, Криворізько-Кременчуцького) залізисто-кременистий осад зазнавав впливу теплових і електричних полів. За рахунок цього в залізисто-кременистому осаді частки окису і закису заліза, більш-менш рівномірно розсіяні по об’єму, повинні виявляти характерні феромагнетикам властивості. Такій нерівноважній у хімічному відношенні системі, як залізисто-кременистий осад, достатньо, певно, невеличкого термоелектричного “поштовху”, для того, щоб у ньому почали активно розвиватися різноманітні хімічні реакції. Система повинна бути саморегулюючою, оскільки проходять як екзотермічні, так і ендотермічні реакції, тобто енергія однієї витрачається на підтримку іншої. Перетворення в осаду будуть відбуватися доти, поки він не стане електрохімічно рівноважним. Прогрівання системи повинне створювати невеличкі градієнти температури й вологи на контакті з вмістившими їх породами, і якщо вони тріщинуваті, то вода з розчиненими в ній компонентами буде надходити під дією баро- і термодифузії в навколишнє середовище. Іншими словами, термоелектричні поля “висушують" залізисто-кременистий осад, а разом із вологою виносяться і легкорозчинні елементи, у тому числі і домішки.
Запропонована схема достатньо просто пояснює закономірність, встановлену на Українському щиті. Суть її полягає ось у чому. Ступінь гідратації і збагачення К2О порід фундаменту особливо значна біля великих синклиноріїв із потужними товщами ЗФД. Гідратація фундаменту поширюється на велику відстань від значного синклинорія (до 10 км і більше), затухаючи з віддаленням від нього. З позиції участі термоелектричних полів у процесах діагенезу можна припустити, що найбільш слабо закріплені іони калію, натрію і домішок з осмотичною вологою будуть надходити в породи фундаменту. І в цьому зв'язку стає зрозумілої залежність обсягів залізонакопичення від рангу розломів, наведена в першому розділі. Дійсно, чим більший розлом, тим значніші по запасах родовища ЗФД прилучені до нього, а значить і більшу кількість вологи вони містили спочатку. Крім того, ранг розлому буде визначати рівень електромагнітних полів і розміри зони тріщинуватості порід фундаменту.
У розділі наведений аналіз поглядів на причини виникнення регіонального метаморфізму. Показано, що в даний час домінують два напрямки в теорії метаморфізму. Перший - основним чинником розглядає температуру, другий - значну роль відводить флюїдам. Вважається, що результати експериментальних досліджень по термоелектричній обробці мінералів і гірських порід дозволяють виділити четвертий чинник регіонального метаморфізму - електричні поля. Додатковим свідченням на користь такого висновку можуть слугувати відомі геолого-геофізичні дані. Шари аномальної електричної провідності на платформах просторово тяжіють до областей розвитку метаморфічних порід. Встановлено пряму залежність між намагніченістю, електричною провідністю і ступенем регіонального метаморфізму для порід Східно-Європейської платформи. Виявлено тенденцію до зменшення намагніченості зі зменшенням віку метаморфічних порід на Українському щиті. Феро- і ферімагнітні мінерали розташовуються вздовж шаруватості метаморфічних товщ, чим і визначається орієнтування векторів залишкової намагніченості по їхньому простяганню. Встановлено розкид векторів залишкової намагніченості по величині і напрямку на рудних родовищах.
З позицій участі електричних полів у процесах метаморфізму ЗФД можна пояснити такі закономірності:
1. Виявлено зворотню залежність між розмірами, насиченістю залізорудними утвореннями родовищ ЗФД і ступенем їхнього метаморфізму, тобто чим більше родовище і значиміший вміст рудних компонентів у ньому, тим нижчий рівень його метаморфізму. Так, для залізисто-кременисто-сланцевих і залізисто-кременисто-метабазитових формацій, родовища яких містять значні запаси, характерний метаморфізм зеленосланцевої фації, рідше епідот-амфиболітової. Для дрібних родовищ ранньоархейських формацій властивий метаморфізм аж до гранулітової фації. Ця залежність виявляється не тільки на УЩ, але і на КМА. З огляду на результати експериментальних досліджень їй можна дати таке тлумачення: чим вище насиченість розрізу залізорудними утвореннями і більше родовище по запасах, тим нижчими будуть параметри термоелектричних полів, при яких наступає момент формування нових електропровідних фаз і текстурно-структурних особливостей. Цими ж причинами, напевно, можна пояснити відомі геологічні факти про підвищення температури метамор-фізму від продуктивної частини розрізу до вміщуючих порід. Додатковим чинником, що впливає на температуру метаморфізму ЗДФ, має бути швидкість прогріву залізисто-кременистого осаду. Для ранньоархейської епохи властиві більш високі геотермічні характеристики, звідси, за інших рівних умов, швидкість нагрівання для найдавніших ЗФД буде вищою, ніж для молодих (результати експериментів показали обернений взаємозв'язок між швидкістю нагрівання та Тск ).
2. Експериментальні дослідження з багаторазової обробки мінералів і гірських порід у термоелектричних полях дозволяють, мабуть, відповісти на запитання про причини регресивного метаморфізму. Так, "перша термоелектрична обробка" може відповідати прогресивній стадії метаморфізму, при наступних "обробках" температура метаморфізму повинна бути нижчою, оскільки в породах вже повністю або частково сформовані нові мінеральні фази і текстурно-структурні особливості.
3. Збільшення частки силікатів заліза в порівнянні з магнетитом і гематитом, огрубіння смугастості при переході від низькотемпературних ЗФД до більш високотемпературних з позицій участі електричних полів можна пояснити в такий спосіб. При температурах понад 700К в присутності електричних полів починається електроліз кварцу, під час якого кремній спроможний віддавати свої електрони , у результаті чого відбувається руйнація зерен кварцу. Кремній утворює з'єднання з залізом, відновлюючи його до двовалентної форми з утво-ренням складних силікатів.
4. Дотепер були відомі дві гіпотези утворення Ссвоб у метаморфічних товщах ЗФД: біогенна й абіогенна, що має на увазі збагачення порід графітом за рахунок вуглеводневих сполук, які надходять із мантії. Запропонована ще одна - вільний вуглець (графіт) - продукт дисоціації сидериту в термоелектричних полях. Гіпотеза підтверджується квантово-механічними розрахунками, наведеними в четвертому розділі, і мінералогічними дослідженнями.
5. Епігенетичні багаті залізні руди саксаганського та першотравенського типів просторово тяжіють до ортогональної системи розломів, наймолодшої за часом закладення (активізації) на Українському щиті. З цією системою розломів пов'язане виникнення електричних полів, роль яких при формуванні стовпоподібних покладів багатих залізних руд зводиться до наступного. На етапах метаморфогенної метасоматичної усадки в умовах спрямованого перпендикулярно шаруватості стресу в залізистих кварцитах під дією електричних полів відбувався розвиток зворотнього п’єзоефекту, за рахунок чого зерна кварцу в кварцевих шарах руйнувалися. Цей механізм доповнює відому модель руйнації кварцу через неоднорідність пружних (міцнісних) властивостей магнетиту і кварцу. На етапах гіпергенної стадії природні електричні поля були зовнішніми джерелами живлення для розвитку електрохімічних процесів у гальванічних системах.
ВИСНОВОК
Дисертація - закінчена науково-дослідна робота, у якій дане теоретичне й експериментальне обгрунтування електричних полів, як четвертого чинника метаморфізму залізорудних формацій докембрію. Результати теоретичних і експериментальних досліджень підтверджуються відомими геолого-геофізичними даними.
Основні наукові і практичні результати роботи полягають в наступному:
1. Аналіз проблеми показав, що при розгляді генезису різних типів ЗФД не враховується електричне поле, як один із чинників, що має принципове значення при формуванні гірських порід, що складаються з електропровідних мінералів, і мінералів-п’єзоелектриків. Відомі геолого-геофізичні факти свідчать, що основними джерелами електричної енергії в земній корі можуть бути глибинні розломи під час їх формування або активізації. З урахуванням цього припущення були складені мінералогічні й еквівалентні їм електричні моделі геологічного середовища. Розрахунки показали, що в результаті динамічних навантажень не нижче 5108 Па в середовищах, що містять мінерали-п’єзоелектрики, виникають електричні струми, спроможні ініціювати фізико-хімічні процеси в гірських породах. Наявність таких струмів у докембрії підтверджується даними по залишковій намагніченості метаморфічних порід. Вивчення ж напруженого стану гірських масивів на вугільних родовищах ДДВ показало, що і в сучасні геологічні епохи воно фіксується на поверхні й у виробках аномаліями природних електромагнітних полів Землі.
2. Базуючись на встановлених раніше просторових взаємозв'язках ЗФД із глибинними розломами, використовуючи результати теоретичних розрахунків рівнів електричних полів, проведені експериментальні дослідження з вивчення впливу термоелектричних полів на мінерали і гірські породи. Великий обсяг експериментальних досліджень показав, що під час термоелектричної обробки спостерігається невідоме раніше явище - стрибок електричної провідності мінералів і гірських порід при визначених температурі (Тск) і напруженості електричного поля (Еск). Результати комплексу мінералогічних, хімічних і рентгено-структурних аналізів показали, що стрибок електропровідності пов'язаний із формуванням нових електропровідних фаз і фаз із змішаним типом провідності в мінералах і гірських породах. Встановлено, що температура стрибка, а значить і утворення нових фаз, залежить від напруженості електричного поля, швидкості нагрівання, хімічного складу, наявності домішок, текстурно-структурних особливостей. Визначені залежності між Тск і приведеними вище чинниками. Після термоелектричної обробки формуються нові текстурно-структурні особливості: підвищується шпаристість, утворюється мікросмугастість - пошарове чергуван-ня рудних і нерудних мінералів. Так, у зразках сидериту, одного з первинних мінералів ЗФД, повна дисоціація до маггеміту, гематиту, графіту відбувається при комплексній обробці на 100-150 градусів нижче, ніж у результаті простого нагрівання. В зразках виникає характерна для залізистих кварцитів смугастість, орієнтована паралельно дії струму. Під час термоелектричної обробки залізистих кварцитів, коли зразки встановлювалися впоперек смугастості дії струму, різке зниження електричної провідності починалося при температурах до 400 К. Якщо дія струму була паралельна смугастості, то в зразках залізистих кварцитів розвивалася мікрошпаристість, кварцеві шари руйнувалися. Передбачається, що подібне явище може бути пов'язане зі зворотнім п’єзоефектом у кварці. Під час охолодження зі струмом зразків різних мінералів і гірських порід до кімнатної температури електричний опір зразків збільшувався на 1-2 порядки, але не досягав первинних значень.
3. Результати експериментальних досліджень дали можливість сформулювати нову модель утворення електропровідних фаз у міжзернових і міжфазних межах мінералів і гірських порід. Показано, що зони аномально високої електричної провідності в земній корі пов'язані з реалізацією кінетичних процесів. І якщо раніше природу таких шарів визначали як зону часткового плавлення гірських порід, то результати експериментальних досліджень показали, що вони можуть утворитися при відносно невеликих температурах і напруженостях електричного поля в земній корі.
4. Аналіз результатів експериментальних досліджень і відомих геолого-геофізичних даних дозволив довести, що метаморфізм ЗФД проходить під впливом чотирьох чинників: температури, тиску, флюїдів і електричних полів. Всі чотири чинники взаємопов’язані і взаємообумовлені. Так, температура метаморфізму буде залежати від величини напруженості електричних полів. За інших рівних умов, чим вища напруженість електричного поля, тим нижча температура, при якій формуються нові мінеральні фази і текстурно-структурні особливості мінералів і гірських порід, що піддалися метаморфізму. Електричні поля активізують фізико-хімічні процеси, енергія яких, у випадку, якщо реакції ендотермічні, підвищує температуру метаморфізму, якщо екзотермічні - знижує її. Тиск не тільки зменшує температуру утворення нових фаз, але і контролює напрямок руху флюїдів. До того ж, якщо флюїди переміщуються з областей із високим тиском до зон зі зниженим тиском, електричні струми будуть мати регіональний напрямок перпендикулярно дії тиску, а локальні зміни їх орієнтування визначаються неоднорідностями геоелектричного розрізу. Електричні поля визначають швидкість і напрямок переміщення флюїдів; у свою чергу переміщення розчинів створює різницю потенціалів у різних частинах гірського масиву.
5. Експериментальні дослідження дозволили встановити фізико-хімічні умови евапоритової моделі утворення ЗФД, однієї з ряду первинно-осадових гіпотез. Раніше ця гіпотеза для нижньопротерозойських ЗФД відхилялася, оскільки невідомі були умови повної дисоціації сидериту до магнетиту і гематиту в умовах зеленосланцевої фації метаморфізму. На конкретних геологічних прикладах показана роль електричних полів у формуванні залізорудних товщ, що піддалися метаморфізму різного рівня. Так, для ранньо-архейських типів ЗФД, яким властиві невеликі за обсягами родовища з незначним вмістом рудних мінералів, характерна більша температура метаморфізму, ніж для протерозойських. Спостерігається залежність температури й електричних полів від рангу глибинного розлому, у зоні якого розташовується родовище ЗФД. Так до регіональних розломів першого порядку причетні найбільш значні родовища з найнижчим рівнем метаморфізму. Встановлено зв'язок між рівнями термоелектричних полів і розмірами зерен рудних мінералів і кварцу, ступенем очищення від домішок.
6. На підставі раніше сформульованого геотектонічного критерію пошуків стовпоподібних покладів багатих залізних руд саксаганського і першотравенського типів розроблений фізико-хімічний механізм руйнації кварцу в кварцевих шарах тонкосмугастих залізистих кварцитів. Передбачається, що розтріскування кварцу тут пов'язане з розвитком зворотнього п’єзоефекту, що виникає за рахунок дії електричних полів, які генеруються розломами ортогональної системи. На стадії гіпергенезу електричні поля сприяють розвитку гальванічних систем «магнетитові руди-електроліт», в яких відбувається остаточне форму-вання багатих залізних руд.
Вважається, що всі наведені вище особливості метаморфізму ЗФД, які виникли під дією електричних полів, можуть бути властиві не тільки залізорудним родовищам. Експериментальні дослідження з метастабільного росту діамантів у термоелектричних полях показали активний їх вплив на фізико-хімічні процеси в мінералоутворюючому середовищі, а діамант - це мінерал-діелектрик. Синтетичним діамантам, отриманим таким засобом, характерні властивості їх природних аналогів: вони мають центральний полікристалічний зародок; світяться в ультрафіолетових променях блакитним, жовтим, жовтогарячим світлом; їм властиві аномально високі значення співвідношень ізотопів вуглецю щодо графіту, як джерела вуглецю. Не може не викликати інтересу вивчення закономірностей розподілу підвищеного утримання золота, платиноїдів у залізистих кварцитах в зв'язку з дією електричних полів.
Новий чинник метаморфізму ЗФД відкриває велику область для наукових досліджень. Зокрема, необхідне проведення експериментів по вивченню сукупного впливу термодинамічних параметрів і електричних полів на гірські породи і на підставі цього встановлення нових термодинамічних констант метаморфізму ЗФД.
Слід зазначити і ще один важливий наслідок проведених теоретичних і експери-ментальних досліджень - обережний підхід до інтерпретації палеомагнітних даних. Пов'язане це з тим, що електричні струми можуть вносити істотні зміни в напрямки векторів і значень залишкової намагніченості.
Основні положення і результати дисертаційної роботи надруковані в наступних роботах:
НАУКОВІ СТАТТІ, ДОПОВІДІ, ТЕЗИ ДОПОВІДЕЙ
Орлинская О.В. Явления электризации в горных породах // Физика горных пород (электрические и магнитные свойства).- Днепропетровск: РИК НГА Украины,1999.–С. 39-54.
Орлинская О.В. Влияние внешних воздействий на электрические свойства горных пород // Физика горных пород (электрические и магнитные свойства).- Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999.-С. 54-77.
Орлинская О.В. Теоретическая модель механизма генерации электрических полей при развитии пьезоэффекта в кварцсодержащих породах //Термоэлектрическая обработка минералов и горных пород. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999.- С. 10-20.
Орлинская О.В. Комплексная обработка минералов и горных пород тепловыми и электрическими полями // Термоэлектрическая обработка минералов и горных пород. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999.- С. 53-79.
Тяпкин К.Ф., Капун О.В. Системы разломов и закономерности размещения железисто-кремнистых формаций докембрия Украинского щита // Системы разломов Украинского щита.- К.: Наук.думка, 1990.-С.88-97.
Капун О.В., Жаворонкин В.И., Одринская И.С. Системы разломов Днепровско-Донецкой впадины // Геотектоника. -1991. -№3. -С.123-129.
Влияние температуры и электрического поля на электропроводность горных пород и минералов. 1. Яшма/ В.В. Соболев, О.В. Орлинская, А.В. Чернай, А.Д. Шарабура, С.И. Губенко // Минерал. журн. -1998. -№4.- С.90-95.
Орлинская О.В., Стовас Г.М. О связи глубинных разломов с малоамплитудной нарушенностью угольных месторождений Донбасса // Геология, геохим. горючих полезн. ископ. -1994. -№3-4. -С.92-95.
Орлинская О.В. Электрические поля в процессах регионального метаморфизма //Вест. Воронеж. ун-та, сер. геологич. - 1998. -№5. -С. 244-246.
Орлинская О.В. Природа слоев аномально высокой электрической проводимости в земной коре // Сб. научн. трудов НГА Украины №6, т.3. -Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999. - С.84-88.
О возможности контроля напряженно-деформированного состояния породного массива по результатам наблюдения ЕИЭМПЗ в вертикальных горных выработках/ И.С.Бе-лый, О.В.Орлинская, В.В.Соболев, Г.М.Стовас // Сб. научн. трудов НГА Украины №6, т.1. - Днепропетровск РИК НГА Украины, 1999. -С.117-119.
Орлинская О.В. Новое направление в теории метаморфизма // Наук. Вісн. НГА України. -1999. -№1. -С.132-134.
Орлинская О.В. Глубинные разломы - энергетические источники в земной коре //Сб. научн. трудов НГА Украины №2. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1998. - С. 229-234.
Соболев В.В. Орлинская О.В., Чернай А.В. Физико-математическая модель генерации электрических импульсов при возникновении пьэзоэффекта в горных породах // Сб. научн. трудов НГА Украины №2. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1998. - С. 206-214.
Орлинская О.В., Соболев В.В. Новый взгляд на формирование полосчатости железистых кварцитов // Сб. научн. трудов НГА Украины №3. - Днепропет ровск: РИК НГА Украины, 1998. - С. 86-89.
Орлинская О.В., Ващенко А.А. Природа возникновения естест венных электромагнитных полей в земной коре и их воздействие на ми нералы и горные породы // Наук. Вісн. НГА України. - 1999. - №4. –С. 57-59.
Орлинская О.В. О роли электрических полей в процессах ме таморфизма ЖФД // Геолого-минерал. вестн. Криворож, техн. ун-та. -1999. - №3. – С. 3-9.
Соболев В.В., Орлинская О.В., Чернай А.В. Явление скачкообразного увеличения электропроводности минералов класса карбонатов при воз действии температуры и электрического поля // Сб. научн. трудов НГА Украины №2. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1998. - С.215-223.
Орлинская О.В., Довбнич М.М., Глубинные разломы, мелкоамплитудная нарушенность угольных пластов и естественные электромагнитные по ля Земли // Сб. научн. трудов НГА Украины №2. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1998. - С.224-228.
Орлінська О.В. До питання гідратації фундаменту областей розвитку залізисто-кременистих формацій докембрію Українського щита // Відом. Акад. гірн. наук України. -1997. -№4. -С.18-20.
Орлінська О.В. Роль розломів в утворенні багатих залізних руд саксаганського типу // Відом. Акад. гірн. наук України. -1997. -№4. -С.96-98.
Характер зміни електричного опору зразків яшми при нагріванні і впливові електричного поля / В.В.Соболєв, О.В.Орлінська, А.В.Чернай, А.Д.Шарабура, Ю.Т.Хоменко // Відом. Акад. гірн. наук України. –1997. -№4. –С.24-25.
Соболєв В.В., Орлінська О.В., Нестеренко І.В. Стрибкоподібне зменшення електричного опору зразків сидериту внаслідок впливу температури та електричного поля //Відом. Акад. гірн. наук України. -1997. - №4 - С. 25-27.
Передбачуваний механізм утворення електропровідних фаз в гірських породах і мінералах-діелектриках / В.В.Соболєв, А.В.Чернай, О.В.Орлінська, Т.В.Нестеренко // Відом. Акад. гірн. наук України. -1997. - №4 - С.27-29.
Тяпкин К.Ф., Орлинская О.В. Системы разломов земной коры в образовании и размещении железисто-кремнистых формаций Украинского щита // Тез. докл. Всесоюзн. сов. "Эндогенные процессы в зонах глубинных разломов". - Иркутск: ИЗК Сибирское отд. АН СССР. - 1989. - С.233-234.
Орлинская О.В., Соболев В.В. Электромагнитный метаморфизм в минералах // Тез. докл. Междунар. конф. "Закономерности эволюции зем ной коры" - Санкт-Петербург: С-П. гос. ун-т. - 1996. - С.280.
Соболев В.В., Орлинская О.В., Хоменко Ю.Т. Явление аномального увеличения электропроводности образцов яшмы // Тез. докл. Междунар. конф. "Закономерности эволюции зем ной коры" - Санкт-Петербург: С-П. гос. ун-т. - 1996. - С.302.
Орлінська О.В., Соболєв В.В, Хоменко Ю.Т. Електрохімічні процеси під час утворення докембрійських залізистих кварцитів// Матер.наук. конф. "Проблеми геологічної освіти в Україні". - Львів: Мініст. освіти України, Львівс. держ. ун-т. - 1995. - С. 80-81.
Соболєв В.В., Орлінська О.В., Хоменко Ю.Т. Про вплив механічної активації твердих тіл на процеси мінералоутворення // Матер.наук. конф. "Проблеми геологічної освіти в Україні". - Львів: Мініст. освіти України, Львівс. держ. ун-т. - 1995. -С. 346-348.
Орлінська О.В. Про можливу роль електрохімічних процесів в утворенні багатих залізних руд саксаганського типу // Матер.наук. конф. "Проблеми геологічної освіти в Україні". - Львів: Мініст. освіти України, Львівс. держ. ун-т. - 1995. - С.98-99.
Орлинская О.В. Новый взгляд на формирование докембрийских железистых кварцитов // Вестн. Воронеж. ун-та, сер. геологич. -1999. - №4. - В печати.
Орлинская О.В. Модель образования электропроводящих фаз в горных породах и минералах под влиянием термоэлектрических полей // Наук. Вісн. НГА України. - 1999. - №2. - В печати.
Соболев В.В. Орлинская О.В., Ващенко А.А. Особенности характера изменения электропроводности сидерита при комплексном воздействии температуры и электрического поля // Горн. инфор. - аналит. бюллет. МГУ. - 1999. - В печати.
Соболєв В.В., Орлінська О.В, Ващенко А.А. Явище стрибкоподібного збільшення електропровідності деяких мінералів (на прикладі сидериту) при дії електричних та теплових полів// Вісн. Вищої школи - 1999. - В печати.
Соболев В.В., Орлинская О.В., Чернай А.В. Влияние температуры и электрического поля на образцы минералов и горных пород. 2. Сидерит //Минерал. журн. - 1999. - В печати.
Особистий внесок автора в роботах, що публікувалися у співавторстві, полягає у на-ступному: (5,25) – встановлення локальних просторових закономірностей розміщення ЗФД та глибинних розломів; (6,8,11) – карти систем розломів у цілому для Дніпровсько-Донецької западини і окремих вугільних районів Донбасу; розкриття взаємозв’язку глибинної тектоніки фундаменту та чохла, природи електромагнітних полів у фундаменті та чохлі; (7,14-16,18-19,22-24,26-29) – експериментальні дослідження по впливу термоелектричних полів на мінерали і гірські породи, геологічна інтерпретація результатів експериментів, геологічні моделі.
АНОТАЦІЇ
Орлінська О.В. Роль електричних полів у формуванні рудних родовищ (на прикладі залізорудних формацій докембрію). – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора геологічних наук по спеціальності 04.00.11 – “Геологія металевих і неметалевих корисних копалин”. Національна гірнича академія України. Дніпропетровськ, 1999.
Дисертація присвячена встановленню ролі електричних полів на різних етапах фор-мування залізорудних формацій докембрію (ЗФД). Розрахунки показали, що під час розвитку п’єзоефекту у кварцвміщуючих гірських породах виникають електричні поля, здатні ініцію-вати фізико-хімічні процеси. В результаті експериментальних досліджень по термоелектрич-ній обробці мінералів і гірських порід відкрите невідоме раніше явище стрибкоподібного росту електричної провідності, пов’язане з формуванням нових мінеральних фаз, які утво-рюють мікросмугастість, аналогічну текстурам залізистих кварцитів. Виділено четвертий чинник метаморфізму ЗФД – електричні поля й розкрита їх роль у формуванні родовищ ЗФД на Українському щиті.
Ключові слова: залізорудні формації докембрію, глибинні розломи, електричні поля, метаморфізм.
Orlinskaja O.V. Role of the electrical fields in the formation of ore deposits (on example of ferro-mineral formations of Precambrian). - Manuscript.
Dissertation for the degree of doctor of geological sciences on speciality 04.00.11-«Geology of metal and non metal useful fossils». National mining Academy of Ukraine. Dnipropetrovsk, 1999.
Dissertation is devoted to determination . Of part electrical fields on different stages of formations of ferro-mineral formations of Precambrian. Calculations showed that under develop-ment of piezoeffect in quarter-contents mountain races electrical fields airside that able to initia-lize physical-chemical processes.
As a result of experimental researching of thermo-electrical of minerals and mountain races phenomenon of boundance increase electrical conduction unknown before was inrented.
This phenomenon is connected with formation of new mineral phases that formed mickrostripeness that analogous to structures of ferruginous quartzite. The fourth factor of metamorphism of ferro-metal formation of electrical field was ginned out and it was showed their role at formation fields of ferro-mineral fields on Ukrainian shield.
Key words: ferro-metal formation of Precambrian, deep breaks, electrical fields, meta-morphism.
Орлинская О.В. Роль электрических полей в формировании рудных месторождений (на примере железорудных формаций докембрия). – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени доктора геологических наук по специальности 04.00.11 – “Геология металлических и неметаллических полезных ископаемых”. Национальная горная академия Украины. Днепропетровск, 1999.
Диссертация посвящена установлению роли электрических полей на различных этапах образования железорудных формаций докембрия (ЖФД). В диссертации на основании физико-математического моделирования проведены расчеты уровней электрических полей, возникающих в результате развития пьезоэффекта в кварцсодержащих породах при образовании или активизации глубинных разломов. Подтверждением этому служат аномалии естественных электромагнитных полей на угольных месторождениях Донбасса, фиксирующих разрывные нарушения в карбоне, которые пространственно совпадают с зонами глубинных разломов. В результате проведенного комплекса экспериментальных исследований по термоэлектрической обработке минералов и горных пород (яшма, сидерит, сидеритолит, железистый кварцит) установлено новое неизвестное ранее явление скачкообразного роста электрической проводимости, связанное с формированием новых минеральных фаз, обладающих электронным типом проводимости. Новые фазы образуются при температурах на 100-150 градусов ниже, чем в результате простого нагрева. При этом в образцах формируются новые текстурно-структурные особенности – полосчатость, аналогичная наблюдаемой в железистых кварцитах. На основании квантово-механических закономерностей предложена кинетическая модель образования минеральных фаз. Сопоставление результатов экспериментов и известных геолого-геофизических особенностей ЖФД позволило определить роль электрических полей на этапах диагенеза, эпигенеза, метаморфизма месторождений железистых кварцитов и в формировании залежей богатых железных руд саксаганского и первомайского типов. Обоснован четвертый фактор метаморфизма ЖФД – электрические поля.
Ключевые слова: железорудные формации докембрия, глубинные разломы, электрические поля, метаморфизм.