Робоча навчальна програма для студентів спеціальності 040 103 геологія, спеціалізації геологія, геохімія шифр І назва спеціальності
| Вид материала | Документы |
- Робоча навчальна програма для студентів спеціальності 040 103 геологія, спеціалізації, 417.02kb.
- Робоча навчальна програма для студентів ІІ курсу геологічного факультетуі напряму 040103, 329.17kb.
- Робоча навчальна програма для студентів напрямку 040103 Геологія, спеціалізації геологія,, 512.28kb.
- Робоча навчальна програма для студентів спеціальності 040103 геологія (спеціалізації, 522.2kb.
- Робоча навчальна програма для студентів спеціальності 040103 геологія (спеціалізації, 492.71kb.
- Робоча навчальна програма для студентів спеціальності 040103 геологія, спеціалізація, 475.49kb.
- Робоча навчальна програма для студентів спеціальності 040103 «Геологія» (спеціалізація:, 283.53kb.
- Робоча навчальна програма дисципліни для студентів спеціальності 040103 «геологія», 963.64kb.
- Робоча навчальна програма для студентів спеціальності 040103 геологія Затверджено, 628.51kb.
- Робоча навчальна програма для студентів спеціальності 030. 302 "Реклама та зв'язки, 310.69kb.
Лекція 1. Вступ до вчення про генезис мінералів. 2 год.
Сучасне вчення про генезис мінералів, фундамент якого закладено реформаторськими працями В.І.Вернадського (1863–1945), особливий напрям мінералогії. Мінерали, як і складені ними гірські породи, руди, жили, виникли мільйони, а то й мільярди років тому і без ... живих свідків.
Сучасна наука стверджує, що єдиним, хоч і німим свідком мінералоутворення, є саме каміння. Його хімічний склад, кристалічна структура, електронна будова, анатомія, форма, розмір та фізичні властивості, тобто всі якості мінералів, за термінологією професора Д.П.Григор'єва (1909–2003), спричинені генезисом. І хоч ця залежність різна хімічний склад і кристалічна структура мінералів безпосередньо визначаються генезисом, їх форма є функцією конституції та генезису, а властивості обумовлюються лише конституцією – генезис так чи інакше (безпосередньо або опосередковано через конституцію) "викарбовується" в сукупності якостей мінералів. Звідси випливає, що "пізнання генезису є пізнання якостей мінералів".
Генетична мінералогія – самостійний розділ мінералогії, який водночас певним чином пов'язаний з регіональною й експериментальною мінералогією, мінералогічною кристалографією, ученням про родовища корисних копалин, петрологією, геохімією. Зв'язок з останньою настільки тісний, що лише умовно можна провести між цими дисциплінами межу. Дійсно, атоми хімічних елементів – об'єкти геохімії, з'єднуючись між собою, утворюють мінерали – об'єкти мінералогії. Для мінералога важливо з'ясувати, звідки й чому з'явилися ці атоми в середовищі, за яких умов відбувалась їх міграція, а за яких кристалізація, за яких умов – розсіяння, а за яких – концентрація. Ці питання настільки ж геохімічні, наскільки мінералогічні.
Генетична мінералогія – цілковито й типово ретроспективне вчення, тому розшифрований генезис мінералів, як влучно прокоментував відомий російський мінералог і геохімік В.Ф.Барабанов (1918–1997), – це ще не істина, а лише тією чи іншою мірою наближення до істини, адже в переважній більшості випадків дослідники не були присутні при процесах мінералоутворення.
Практично жодна проблема геології, у тому числі з катастрофічними наслідками (землетруси, зсуви, цунамі тощо), не може бути розтлумачена, а отже, й ефективно вирішена без втручання генетичної мінералогії, оскільки двигуном геологічних процесів є фазові переходи або інші зміни мінералів, що знаходяться в центрі уваги генетичної мінералогії.
Лекція 2. В.І.Вернадський – фундатор генетичної мінералогії. 2 год.
Світогляд В.І.Вернадського студента значною мірою формувався під впливом ідей геніального хіміка Д.І.Менделєєва й знаменитого ґрунтознавця В.В.Докучаєва. Від першого він, зокрема, отримав глибокі знання з хімії, глибоко засвоїв ідеї щодо періодичної зміни властивостей хімічних елементів, які невдовзі успішно використав і концептуально розвинув у вченнях про парагенетичні асоціації елементів, ізоморфізм елементів, концепції про мінералогію як хімію Землі.
Найбільш повно й переконливо свій погляд на мінералогію як хімію земної кори Вернадський виклав у виданій в 1925–1927 рр. "Історії мінералів земної кори". Ця ґрунтовна праця висвітлює питання утворення та перетворення мінералів і базується на динамічній концепції, яка водночас враховує істотну роль живих організмів у генезисі мінералів.
В.І.Вернадський висунув принципово нові завдання мінералогії, залучивши до них і проблему генезису мінералів: "Мінералогія являє собою хімію земної кори. Її завдання – вивчення як продуктів природних хімічних процесів, так і власне процесів" (В.И.Вернадский, 1923). "За цими продуктами та за їх поєднанням він (мінералог – В.П) відновлює хімічний процес і його умови, що привели до утворення цих продуктів та їх поєднання" (В.И.Вернадский, 1959). Особливої ваги Володимир Іванович надавав з'ясуванню закономірностей поєднання мінералів – їх парагенезисів. Він вважав учення про парагенезис мінералів засадничим у мінералогії: "Лише шляхом точного і повного вивчення парагенезису мінералів можна наблизитись до широких узагальнень ..." (В.И.Вернадский, 1959). Донині актуальною залишається теза вченого про те, що при визначенні парагенезису, відтворенні історії мінералу або цілого родовища вирішальне значення має з'ясування послідовності виділення генерацій мінералів (за сучасною термінологією – генераційний аналіз): "Послідовність генерацій є дуже міцна закономірна парагенетична ознака ..." (В.И.Вернадский, 1959).
Хімічний склад земної кори – параметр, що безперервно змінюється внаслідок безперервної дії хімічних реакцій, які тісно пов'язані між собою й разом створюють складну, змінну в часі систему хімічних рівноваг Землі. У глобальному процесі зміни хімічного складу Землі Володимир Іванович убачав істотну роль живої речовини – сукупності живих організмів. Висновок В.І.Вернадського – живій речовині властива хімічна активність, завдяки якій в природі утворилися численні, деякі значної маси, мінерали, наприклад, унікальні родовища сірки в Передкарпатті, – став, за оцінкою Д.П.Григор'єва, керівним у нашій мінералогії.
Отже, Володимир Іванович Вернадський вперше у світовій практиці висунув історію мінералів як провідну тему великої ваги й намагався ретельно відновити хімічні процеси, унаслідок яких мінерали утворювалися, змінювались і зникали.
Лекція 3. Зародження мінералів. 2 год.
Онтогенія будь-якого мінерального індивіда чи агрегату – кристала, гірської породи, жили, масиву тощо – починається з акту зародження мінералів, про яке робимо висновки на підставі даних лабораторних дослідів або спеціальних досліджень природних об'єктів, що вже виросли.
Щоб у метастабільній фазі започаткувалася кристалізація, необхідно затратити роботу на створення зародка. Ця робота, що відповідає енергії активації зародка нової фази, залежить від числа частинок (атомів, іонів, молекул), з яких будується зародок, і обчислюється як різниця значень двох енергій: поверхневої енергії кристала-зародка та його внутрішньої (об'ємної) енергії.
Гомогенне зародження. Воно називається також самовільним зародженням, оскільки здійснюється в первісно однорідному середовищі (рідкому, газоподібному, твердому) унаслідок зміни його фізико-хімічних параметрів, передусім зниження температури. Така або інша зовнішня дія, що зменшує рухливість атомів, іонів, молекул, змушує їх за законами утворення хімічного зв'язку з'єднуватися між собою і вже з перших сотень атомів будувати кристали-зародки. Зародкоутворення – процес динамічний: одні зародки виникають і ростуть, інші виявляються нестійкими й руйнуються.
Виникнення деякого об'єму нової кристалічної фази (v), наприклад у розплаві, спричинює зменшення вільної енергії системи. Водночас цей процес ускладнюється міжфазною взаємодією (γ), яка має протилежну за знаком дію – збільшує вільну енергію:
Gсистеми = - Gv + Gγ = -
r3Gv + 4r2 γ.Розмір кристалів-зародків незначний, і тому вони характеризуються великим значенням відношення поверхні до об'єму, а отже, на початку кристалізації головну роль відіграє вільна енергія міжфазної взаємодії Gγ, яку треба подолати, щоб зрушити процес у бік росту (кристалізації) мінералів.
Гетерогенне зародження. Воно називається ще примусовим зародженням, оскільки здійснюється на поверхнях розділу фаз – на частинках сторонньої речовини, на поверхні рідин, на пухирцях газу тощо. Вважається, що цьому зародженню сприяють, образно кажучи, спеціальні "агенти зародкоутворення", які знижують високий бар'єр вільної енергії, властивий гомогенному середовищу. Дійсно, розрахунками та експериментально достеменно з'ясовано, що робота утворення зародку на підкладці менша, ніж робота гомогенного зародження в об'ємі середовища і здійснюється при меншому переохолодженні. При цьому водночас з'ясовано деякі відмінності зародження на різних підкладках: зокрема, зародження на поверхні із зарядженими частинками вигідніше, ніж на нейтральній поверхні; кристалізація започатковується при менших пересиченнях на частинках, які мають хіміко-структурну схожість з речовиною, що кристалізується.
Зародження та генерації мінералів. Термін "зародження" використовується в мінералогії двояко: як процес, описаний вище, і як сукупність кристалів, народжених більш-менш одночасно. Тут використовуватиметься друге значення цього терміна.
Спостереження в природі та експериментальні дослідження свідчать, що зародки в середовищі мінералоутворення можуть з'являтися одночасно (одноактно) або багатократно (багатоактно). Зокрема, у процесі кристалізації вивержених та метаморфічних порід, друзових агрегатів, деяких інших мінеральних утворень зародки одного й того ж мінерального виду з'являються звичайно водночас, тобто всі вони народжуються в певній послідовності, але в межах одного безперервного акту кристалізації й належать до одного зародження. З іншого боку, у пегматитах, гідротермальних жилах, інших утвореннях достеменно встановлені факти багатократної появи мінеральних зародків, тобто має місце утворення різних зароджень або різних генерацій мінералів. У пегматитових жилах, наприклад, розрізняють, правда, не завжди достатньо обґрунтовано, до восьми генерацій кварцу, до шести генерацій турмаліну, п'ять генерацій слюд, три генерації гранатів тощо.
Зародження мінералів – повторне виникнення центрів кристалізації одного мінерального виду на фоні безперервної кристалізації його однієї генерації.
Генерації мінералів – це різні зародження (покоління) одного і того ж мінералу, розділені перервами кристалізації.
Формування будь-яких мінеральних родовищ – тривалий процес, зазвичай декількастадійний. У них один і той же мінерал кристалізується декілька разів у різні стадії мінералоутворення, тобто утворює декілька генерацій, які адекватно віддзеркалюють зміну хімічного складу середовища мінералоутворення, його температуру, тиск. Отже, з певними застереженнями можна сказати так: зародження мінералів відбивають не істотні здебільшого еволюційні зміни середовища, генерації мінералів – істотні (революційні) зміни.
Лабораторна робота 1. Епітаксичне зародження мінералів. 2 год.
Це зародження поширено в природі й базується на кристалохімічній спорідненості кристалів і зародків, на яких вони зароджуються. З`ясовується, чому цей спосіб зародження енергетично вигідний. Усне опитування.
Основна література [1]
Додаткова література [2]
Лекція 4. Ріст мінералів плоскими шарами. 2 год.
Кристал-зародок, сягнувши критичного розміру, набирається сили й росте. На цій стадії життя мінеральний індивід набуває якості корисної копалини. Як ростуть у природі мінерали, ми дізнаємося на підставі аналізу модельного експерименту та даних про анатомію мінеральних індивідів і агрегатів.
Взагалі у природі, як і в умовах експерименту, мінерали ростуть шарами – плоскими або спіральними. Ця найголовніша особливість їх росту розкрила давню таємницю – утворення мінералів у вигляді плоскогранних кристалів із зонально-секторіальною анатомією, прямими ребрами, гострими вершинами.
Ріст плоскими шарами. Цей механізм росту кристалів звичайно тлумачиться в рамках молекулярно-кінетичної теорії Косселя. Згідно з нею плоскі шари зароджуються в найвигіднішій (генеруючій) точці поверхні кристала, а потім поширюються по ній.
Лабораторна робота 2. Морфолого-анатомічні ознаки росту кристалів шарами. 2 год.
Основна мета – ознайомитись з анатомією кристалів, віддекорованою природними шарами росту. З`ясувати, який існує зв`язок, між формою кристалів і гранями, що ростуть (не ростуть) шарами. Усне опитування.
Основна література [1]
Додаткова література [6]
Лекція 5. Ріст мінералів спіральними шарами. 2 год.
1945 р. Г.Г.Леммлейн відкрив спіральну сходинку на грані (0001) карбіду кремнію. Він не виявив зв'язку центрів спіралей з гвинтовими дислокаціями, але прийшов до висновку, що послідовний спіральний ріст грані може призвести до розмаїття надструктур і таким чином започаткував дислокаційну теорію політипізму.
1949 р. Ф.Франк обґрунтував механізм дислокаційного росту кристалів, згодом всебічно підтверджений експериментальними дослідами та дослідженнями мінералів. Спіралі росту виявлено на кристалах багатьох мінералів – діаманту, графіту, гематиту, кварцу, апатиту, бариту, сфалериту, слюд, молібденіту тощо.
Дислокаційний ріст кристалів тлумачиться, згідно з теорією Франка, на засадах розвитку гвинтових дислокацій. Останні, як відомо, є лінійними дефектами, мають неоднакову висоту (амплітуду) і певний напрямок (вектор Бюргерса) у різних місцях поверхні кристала, які закономірно змінюються за гвинтовим законом, створюючи можливість спірального росту за рахунок осадження атомів в енергетично вигідній позиції – у двогранному куті максимальної амплітуди дислокації.
Самостійна робота 1. Форма спіральних шарів росту. 2 год.
Контрольні питання:
- Від чого залежить форма спіральних шарів росту?
- Як змінюється ця форма, коли спіраль зустрічає на шляху росту перешкоду?
Основна література [1]
Додаткова література [3]
Лекція 6 Механічна зміна мінералів. 2 год.
Мінерали, що виросли в природі, подалі неодмінно змінюються. Це закон. Більше того, мінерали змінюються ще в процесі росту – деформуються, окиснюються, розчиняються. З'ясування сутності та масштабів прояву третьої стадії онтогенезу має велике практичне значення.
Мінерали без деформацій – рідкісні в природі. Існує думка, що в земній корі механічні деформації зіграли роль своєрідних провісників мінералоутворення, оскільки відкривали дорогу для проникнення мінералоутворювальних розчинів, тобто хімічні реакції здійснювалися наче за командою деформуючих сил.
Спостереження геологів за деформаціями порід і пластів, які здавалися на перший погляд лише крихкими, тим не менше з ширшим змістом проникли в нашу науку, особливо ефективно, коли стало зрозуміло, що практично всі породи та індивіди при підвищених РТ-параметрах і впродовж геологічного відрізку часу можуть пластично деформуватися.
Пластично деформуються монокристали та їх зростки, наприклад зернисті агрегати, а також аморфні тіла. Пластичність кристалів значною мірою визначається різницею між руйнуючою напругою й межею текучості, тому істотно залежить від природи взаємодії внутрішньої будови речовин і зовнішніх чинників деформації.
У мінералогії, звичайно, розглядаються три генетично інформативні явища пластичної деформації мінералів: 1) сковзання, 2) двійникування, 3) блокування.
Коли напруга, що виникає в тілі, перевищує межу міцності, то здійснюється його крихка деформація. Остання ділить індивіди, агрегати на окремі частини. Сили крихкої деформації можуть бути зовнішні (наприклад, тектонічна дія на мінерали, яка призводить до утворення тектонічної брекчії) або внутрішні (наприклад, виникнення стільникової тріщинуватості в кристалах кварцу, які зазнали поліморфного переходу). Розрив і сколювання – два елементарні типи крихких деформацій, комбінація яких створює розмаїття їх прояву в природі.
Найпоширеніша послідовність деформацій природних мінералів така: пружні пластичні крихкі. Їх діагностика здійснюється за напрацьованими типоморфними ознаками, насамперед морфологічними та структурними.
Лабораторна робота 3. Мінералогічна брекчія. 2 год.
Основна мета – з`ясувати генетичну природу мінералогічної брекчії й з`ясувати її відмінність від тектонічної брекчії. Усне опитування.
Основна література [1]
Додаткова література [4]
Лекція 7. Фізико-хімічна зміна мінералів. 2 год.
Механічні деформації сприяють хімічному перетворенню мінералів. Швидкість хімічної зміни мінералів залежить також від дефектності, розміру, форми, структури мінеральних індивідів в агрегаті, від інших чинників. Донедавна хімічна зміна мінералів обмежувалася тлумаченнями на засадах лише рівнянь хімічних реакцій. Це цікаво, але малоінформативно, з погляду мінералога-генетика. Нині хімічна зміна мінералів вивчається ширше й глибше – з'ясовується механізм надходження й вилучення речовини, кінетика зміни (заміщення), досліджуються всі ознаки хімічного процесу, викарбуваного на (в) мінеральних індивідах і агрегатах.
У природних кристалах дифузія тісно пов'язана з рухом дефектів, можливо, найбільше з міграцією вакансій, якщо йдеться про помітну зміну (а не просто міграцію між структурними позиціями атомів) хімічного складу кристалів.
Дифузійний процес у кристалах особливо інтенсивний, якщо в їх різних ділянках наявні різні концентрації якихось атомів, дефектів, передусім вакансій. Зустрічна дифузія буде підсилюватися, якщо температура підвищуватиметься, а дифундуючі компоненти взаємодіятимуть між собою як ізоморфні речовини й займатимуть енергетично вигідні еквівалентні структурні позиції.
Структурні зміни мінералів укладаються в русло відносно нового наукового напрямку – геохімії твердого тіла, започаткованого У.С.Файфом (1964) й розвиненого В.С.Урусовим зі співавторами (1997). У центрі уваги геохімії твердого тіла – реальний кристал зі всіма своїми неоднорідностями, дефектами й тісно з ними пов'язаними твердофазовими перетвореннями.
Твердофазові ізохімічні переходи в мінералах – це насамперед поліморфні й з деяким застереженням політипні переходи, упорядкування (розупорядкування) атомів у структурах, розпад твердих розчинів. Кожне з цих перетворень має свою кристалохімічну специфіку, природа якої висвітлюється в кристалохімії мінералів.
Перетворення мінералів під дією випромінювання радіоактивних елементів за своєю фізико-хімічною сутністю різні: змінюється валентний стан іонів, хімічний склад, оптичні властивості й забарвлення мінералів, порушуються хімічні зв'язки між атомами, розупорядковується розташування атомів, частково або цілком руйнується кристалічна структура мінералів (метаміктний розпад) тощо.
Розчинення мінералів – поширене в природі явище, яке можна розглядати як процес, зворотний росту. З цим до певної міри пов'язані труднощі точної діагностики природи наслідків процесу, тобто віднесення скульптур на гранях кристалів до фігур росту чи фігур розчинення. Традиційно розчинення кристалів розглядається двоаспектно – макро- й мікроморфологічно, – оскільки розчинення макрокристала здійснюється інакше, ніж кінетичні процеси, що призводять до утворення фігур розчинення на дислокаціях
Розчинення мінералів – ендотермічний процес, тобто руйнація мінералів здійснюється з поглинанням тепла, величина якого пропорційна енергії відриву частинок від поверхні кристалів. Порівняння затрат енергії на ріст і розчинення показує, що між ними не існує строгої (очікуваної) обернено пропорційної залежності. Факти свідчать, що при розчиненні найлегше будуть відриватися частинки від тригранного кута кристала, потім – від тригранних вершин і ребер. Відповідно до цього досконалі кристали внаслідок розчинення набувають округлої форми.
Псевдоморфози – ще один приклад кардинальної зміни (руйнації) мінералів. У сучасній мінералогії розвивається широке значення терміна, тобто під псевдоморфозою нині розуміють не лише мінерал-кристал, який виник унаслідок зміни хімічного складу чи кристалічної структури (або того й другого) протомінералу, але й зерна-індивіди та їх агрегати будь-якої форми, які замістилися іншими мінералами, а також скам'янілі рештки рослин і тварин геологічного минулого Землі. У зв'язку з цим термін "параморфоза", народжений вкінці ХІХ ст., автоматично набув значення одного з видів ізохімічних псевдоморфоз. У такому ж співвідношенні знаходяться й процеси зміни мінералів – псевдоморфізація та параморфізація мінералів.
Псевдоморфізація – це метасоматичний процес, який в онтогенії мінералів розглядається двояко: а) як процес росту метакристалів чи в ширшому значенні – як метасоматоз; б) як фізико-хімічна зміна протомінералів.
Термін "перекристалізація" використовується при характеристиці щонайменше дванадцяти істотно різних явищ і процесів. Зокрема, цей термін часто використовується з огляду лише на його етимологію – повторну кристалізацію. У цьому розумінні він є фактично терміном вільного використання, наближеним за змістом до поняття "зміна мінералів". Широкого визнання набуває вживання поняття "перекристалізація" у вузькому сенсі, коли ним окреслюють лише одне явище – пересування меж індивідів в агрегаті та пов'язану з ним зміну їх розмірів, форми, анатомії, кількості, але без істотного привносу-виносу речовини, тобто під перекристалізацією будемо розуміти зміну форми, розміру, анатомії мінеральних індивідів без істотного привносу-виносу речовини й без зміни фазового складу системи. Звідси логічно випливає, що перекристалізація окремо взятого індивіда – це ріст одних частин індивіда за рахунок речовини його інших частин і без істотного привнесення речовини.
Загальне поняття "перекристалізація", визначене вище, звичайно, диференціюється на окремі види: перекристалізацію з укрупненням зерен, перекристалізацію зі зменшенням розміру зерен (рекристалізацію), перекристалізацію за принципом Рікке, перекристалізацію за принципом Кюрі, збиральну перекристалізацію.
Лабораторна робота 4. Закономірності перекристалізації мінералів. 6 год.
Перекристалізація мінералів – поширене явище у природі, особливо у метаморфічному процесі, однак існує розбіжність у поглядах вчених на цю проблему. Пропонується на конкретних прикладах розібрати цю проблему, залучивши до неї чотири основні закономірності перекристалізації.
Основна література [1]
Додаткова література [5]
Лекція 8. Фізико-хімічний механізм генезису мінералів. 2 год.
Для розуміння цього питання наводиться табличка, в якій стисло окреслена структурна схема генетичної мінералогії, а друге явище мінералогенезису відповідним чином тлумачиться.
Явища мінералогенезису | Сутність явищ |
| Власне утворення мінералів | Зародження, ріст, зміна й руйнація мінералів |
| Спосіб утворення мінералів | Фізико-хімічний механізм генезису – вільна кристалізація, метасоматичне заміщення, перекристалізація, поліморфне перетворення, упорядкування (розупорядкування) атомів у структурі, розпад твердого розчину |
| Геологічний процес мінералоутворення | Магматичний, пневматолітовий, гідротермальний, осадовий, метаморфічний, імпактний |
Самостійна робота 2. Два основні способи утворення мінералів – вільна кристалізація і метасоматичне заміщення. 5 год.
Контрольні питання:
- Що таке вільна кристалізація мінералів?
- Сучасне визначення метасоматозу.
- Критерії відмінності мінералів, що виникли внаслідок прояву цих способів утворення мінералів?
- Псевдоморфози мінералів – сучасне уявлення.
Основна література [1]
Додаткова література [3]