Исследование электропроводности минералов класса слоистых силикатов и горных пород в зависимости от температурного и кристаллохимического факторов Гусейнов, Абдулла Алиевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Решение фундаментальных проблем и задач прикладного характера в науках о Земле требует всестороннего изучения физических свойств геоматериалов. Широкое применение электрических методов для определения вещественного состава и структуры земной коры и верхней мантии, распределения температуры и выявления петрофизической природы аномальных зон на разных глубинах, выяснения физической природы электрических предвестников землетрясений и т.д. обусловлено высокой чувствительностью электропроводности минералов и горных пород к изменению температуры, вещественного состава, к физико-химическим и фазовым превращениям. Знание электрических свойств минералов и горных пород также требуется для увеличения эффективности методов разведочной геофизики, горного дела и металлургии, для использования вычислительной техники при математическом и физическом моделировании процессов в горных породах - вот далеко не полный перечень проблем, требующих всестороннего и глубокого изучения электропроводности минерального вещества Земли.

Систематические исследования электрических свойств обширного ряда минералов и горных пород (Э. И. Пархоменко, Т.Л. Челидзе, А.Т. Бондаренко, Г.Г. Геладзе, С.И Ше- пель, Г.М. Авчян, В.М. Добрынин, Н.Б. Дортман, Л.М. Марморштейн, А.Б. Слуцкий, М.Х. Бакиев, В.В. Бахтерев, А.Б.Успенская, М. Лаштовичкова, А. Дюба, Т. Шенкланд, У. Зайпольд и др.) позволили провести классификацию геоматериалов по значениям электропроводности, установить характерные особенности зависимости параметров их электропроводности в зависимости от температуры, химического и минерального состава, а также от некоторых физико-химических процессов, которые могут иметь место в условиях земных недр.

При значительном количестве работ по исследованию электропроводности горных пород и минералов остается открытым вопрос о механизме электропереноса в области температур примесной проводимости, обусловленном существованием ассоциированных в комплексы элементарных дефектов кристаллической решетки минералов. Важность данного вопроса состоит в том, что такие комплексы играют существенную роль в процессах преобразования вещества литосферы, например, при реологических проявлениях, при метаморфизме и других явлениях, связанных с диффузией атомов в минералах.

Также слабо исследована взаимосвязь электропроводности с дегидроксилацией и делокализацией протонов гидроксильных групп в кристаллической структуре слоистых силикатов при термическом воздействии. Эти явления, сопровождающиеся частичным переустройством в структуре минералов, предшествуют дегидратации и играют важную роль при геодинамических процессах, при метаморфизме и гидротермальных процессах, могут быть причиной зон аномальной проводимости в земной коре.

Электропроводность слоистых силикатов, в том числе и слюд, практически не исследована. Они являются достаточно распространенными минералами земной коры, область их существования распространяется от дневной поверхности до глубин 120-150 км. Также слюды являются породообразующими минералами многих изверженных, метаморфических и осадочных пород. По причине большой устойчивости структуры слюды являются весьма четким индикатором химизма и физических условий среды кристаллизации и последующих преобразований.

Внимание, уделяемое в последнее время слоистым силикатам, связано с возможностью их широкого научного и практического применения, например, использование слоистых силикатов как нового вида материалов для создания суперионных проводников, малогабаритных энергоёмких источников электричества, создание нанокомпозитов на основе полимеров и слоистых силикатов.

Существует генетическая связь слюд с другими минералами и горными породами - в различных условиях земной коры могут происходить взаимные превращения слоистых силикатов; также слюды, помимо кристаллизации из магматического расплава, могут образоваться при метасоматозе и гипергенезе из полевых шпатов и магматических пород.

В связи с изложенным были поставлены исследования слоистых силикатов и отмеченных выше других минералов и горных пород для установления наиболее общих закономерностей влияния термического воздействия на их электропроводность, взаимосвязи с составом и физико-химическими явлениями, что является актуальной задачей физики Земли в плане получения новых знаний о свойствах вещества литосферы и о характере происходящих там процессов.

Необходимо отметить, что данная работа является дальнейшим продолжением и развитием исследований электропроводности минералов и горных пород при высоких температурах, которые соискатель проводил под руководством Э.И. Пархоменко.

Целью исследований является установление наиболее общих закономерностей изменения параметров электропроводности минералов и горных пород при высоких температурах, изучение влияния химического состава и структурных особенностей на формирование параметров электропроводности, как по видам минералов, так и внутри каждого минерального вида. Исследование взаимосвязи между особенностями электропроводности и физико-химическими процессами в минералах при термическом воздействии.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

1. Модернизация установки для исследования электропроводности минералов и горных пород, что позволило изучать как моноблочные, так и порошкообразные образцы геоматериалов;

2. Исследование зависимости дифференциации параметров электропроводности минералов от содержания главных петрогенных элементов и от структурных особенностей. Анализ электропроводности как типоморфного свойства минералов.

3. Системное исследование минералов и горных пород для установления наиболее общих закономерностей зависимости электропроводности от температуры, обусловленных существованием комплексов дефектов кристаллической решётки. Экспериментальное доказательство существования таких комплексов.

4. Исследование влияния физико-химических процессов и фазовых превращений на электропроводность минералов.

5. Применение результатов исследования электропроводности для оценки распределения электропроводности с глубиной в земной коре, определения реологических и диффузионных характеристик минералов и горных пород, для изучения корреляционных связей между параметрами электропроводности.

Научная новизна.

5. 1. Впервые проведено наиболее полное экспериментальное исследование особенностей зависимости электропроводности от температуры минералов группы слюд и других слоистых силикатов.

   2. Исследована зависимость удельной электропроводности s и энергии активации токоносителей Eo от содержания главных петрогенных элементов Si, Al, Fe, Mg, Na, K в биотитах, флогопитах и мусковитах в температурных интервалах примесной и собственной проводимости. Впервые показано, что электропроводность этих минералов является типоморфным свойством.

   3. Впервые в практике геоэлектрических исследований особенности зависимости электропроводности минералов и горных пород от температуры объяснены с единых позиций существования комплексов элементарных дефектов кристаллической решетки в кристаллах-диэлектриках, проявляющих ионный характер межатомных связей.

   4. Исследована взаимосвязь электропроводности с термическими процессами де- гидроксилации, делокализации протонов гидроксильных групп, окисления Fe²⁺, дегидратации, выделением газовой компоненты, с полиморфными и фазовыми превращениями в

   структуре минералов. Впервые установлено существование линейной зависимости между 2+

   содержанием Fe и величиной изменения энергии активации проводимости DE₀ при температуре дегидроксилации.

   5. 5. Впервые установлена единая природа аномального изменения электропроводности и экзотермического эффекта при нагревании в диоктаэдрических слюдах - мусковите, сериците и глауконите, обусловленная термическими превращениями кластерных ансамблей атомов алюминия в октаэдрическом слое слюды с участием гидроксила OH.^-

      6. Впервые исследована электропроводность минерала глауконита в широком интервале температур. Установлена взаимосвязь электропроводности со структурными особенностями и зональностью распределения глауконитов в осадочном бассейне.

      7. Обоснован новый метод расчета диффузионной вязкости минералов и горных пород по данным электропроводности при температурах, соответствующих условиям земных недр, ориентированный на определение предельных значений энергии активации ионной проводимости. Проведена оценка концентрации и подвижности вакансий в кристаллической решетке в биотитах по результатам исследования электропроводности.

      Научная и практическая ценность.

      5. 7. 1. Создана установка для исследования электропроводности твёрдых материалов, обладающих высокими электроизоляционными характеристиками, что позволяет исследовать наиболее высокоомные минералы и горные породы до температуры 1000С в вакууме или газовой атмосфере.

            2. Примененный в диссертации метод исследования и интерпретации результатов позволил создать наиболее полную картину механизма зависимости электропроводности минералов и пород от температуры, обусловленную фундаментальным явлением взаимодействия дефектов кристаллической решетки с ионным характером межатомных связей.

            3. Результаты исследования зависимости электропроводности минералов и горных пород от температуры дают возможность более точного выяснения электрических параметров пород во всем разрезе литосферы и могут быть применены для анализа и интерпретации результатов глубинных исследований земных недр электрическими методами с целью получения сведений о тепловом состоянии и характере протекающих там физико- химических процессов.

            4. Полученная при исследовании информация позволяет связать электрические характеристики минералов-слюд с их кристаллохимией и значительно расширить возможности методов оценки физико-химических, в том числе и термодинамических условий образования и последующих изменений этих минералов.

            5. Результаты исследования позволяют использовать электропроводность как экспресс-метод для оценки степени окристаллизованности зерен глауконита, сравнения их геохронологических характеристик, для анализа пороговых температур сохранности ⁴⁰Ar в минералах и их термической устойчивости.

            6. Полученные в диссертационной работе закономерности зависимости электропроводности минералов и горных пород от температуры позволяют определить важные характеристики миграции атомов в минералах - энергию образования и миграции дефектов кристаллической решётки, энергию диссоциации комплексов дефектов решётки.

            7. На основании установленных в работе закономерностей электропроводности проведены расчетные оценки реологических характеристик минералов и горных пород для условий, характерных для различных геосфер; построены зависимости распределения электропроводности с глубиной в разрезе консолидированной земной коры; определены диффузионные характеристики для ряда минералов.

            Защищаемые положения диссертации.

            1. Химический состав и структурные особенности слюдистых минералов являются главными факторами формирования их электрических параметров и дифференциации по величине электропроводности в широком интервале температур. Электропроводность является типоморфным свойством минералов.

            5. 7. 7. 1. Общий характер зависимости электропроводности от температуры минералов и горных пород с ионным типом межатомных связей определяется существованием комплексов элементарных дефектов кристаллической решетки, играющих важную роль в процессах преобразования вещества в условиях земных недр.

                     2. Спектр значений энергии активации электропроводности минералов обусловлен

                     термическими процессами дегидроксилации, делокализации протонов гидроксильных

                     2+

                     групп, окисления Fe , дегидратации, диссоциацией комплексов дефектов, полиморфными и фазовыми переходами в кристаллической решётке, имеющими существенное значение при геодинамических и физико-химических проявлениях в земной коре. Электропроводность является чутким индикатором физико-химических преобразований минералов и источником генетической информации.

                     5. 7. 7. 3. Выявленные аномалии электропроводности, наличие разбухающих слоёв в структуре минералов и углистой компоненты в горных породах являются возможными причинами существования зон с аномальной проводимостью в различных геосферах Земли.

                              4. Новый способ определения реологических характеристик минералов и горных пород при высоких температурах по данным электропроводности, опирающийся на экспериментально установленные закономерности изменения электропроводности при высоких температурах.

                              Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих совещаниях: VII (Ереван, 1985) и VIII (Уфа, 1990) Всесоюзные совещания по физическим свойствам горных пород при высоких давлениях и температурах; XIV Всесоюзное совещание "Глинистые минералы и породы, их использование в народном хозяйстве" (Новосбирск,1988); Научная сессия Дагестанского ФАН СССР (Махачкала, 1988); V Всесоюзный симпозиум по кинетике и динамике геохимических процессов (Черноголовка, 1989); Всесоюзное совещание "Эндогенные процессы в зонах глубинных разломов" (Иркутск, 1989); Всесоюзная школа-семинар "Методы изотопной геологии" (Звенигород, 1991); Международный симпозиум П-3 КАПГ "Геофизические свойства вещества и внутреннее строение Земли" (Махачкала, 1990); 1 Всероссийско петрографическое совещание (Уфа, 1995); Международная научная конференция, посвященная 275-летию РАН и 50-летию ДНЦ РАН (Махачкала, 1999); Международная конференция «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления конденсированных средах» (Махачкала, 2000, 2004, 2007); Научо-практическая конференция «Геология и минерально-сырьевые ресурсы Восточного Кавказа и прилегающей акватории Каспия» (Махачкала, 2001); второй Международный симпозиумы «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах». ОМА-II. (Ростов н/Д., 2001); II Всероссийская научная конференция «Химия многокомпонентных систем на рубеже XXI века» (Махачкала,2002); Международная конференция «Возобновляемая энергетика: проблемы и перспективы» (Махачкала, 2005); Школа молодых ученых «Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов» (Махачкала, 2006); Научно-практическая конференция «Геология и минерально-сырьевые ресурсы Южного федерального округа» (Махачкала, 2006); 11-й, 13-й, 14-й Международн. симпозиумы «Упорядочение в минералах и сплавах». (Ростов н/Д., 2008, 2010, 2011); научно-практич. конференция «Мониторинг и прогнозирование природных катастроф (к 40-летию Дагестанского землетрясения 14 мая 1970 года) (Махачкала, 2010); II Международн. конференция «Возобновляемая энергетика: проблемы и перспективы» (Махачкала, 2010); научно-практическая конференция «Геология и полезные ископаемые Кавказа» (Махачкала, 2011);

                              По теме диссертации опубликовано 57 работ в научных журналах, в сборниках научных статей, в материалах и тезисах научных конференций.

                              Личный вклад автора. Все научные результаты по электропроводности минералов и горных пород (выбор направления исследований, эксперимент, обработка и интерпретация) получены лично автором. В работах, выполненных в соавторстве, диссертант осуществлял постановку задачи, её выполнение, интерпретацию результатов и выводы. В работах по изучению комплекса физических параметров исследование электрических свойств принадлежит диссертанту.

                              Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, содержит 377 страниц текста, в том числе 87 рисунков, 23 таблицы и список литературы из 512 наименований.

                              Часть исследований, вошедших в диссертацию, поддержаны грантом РФФИ, проект № 00-05-64550, 2002-2003 г.г., и Программой Президиума РАН П-09 «Исследование вещества в экстремальных условиях», госконтракт № 2/10 и подпрограмма № 3 « Физика и механика сильно сжатого вещества и проблемы внутреннего строения Земли и планет», 2004-2008 г.г.

                              Похожие диссертации на Исследование электропроводности минералов класса слоистых силикатов и горных пород в зависимости от температурного и кристаллохимического факторов

                              

                              Тепловые свойства горных пород Урала и их зависимости от температуры и давленияЛипаев Сергей Александрович

                              

                              Зависимость электрофизических параметров от петрофизических характеристик горной породы по данным диэлектрической спектроскопии и индукционного каротажаЕльцов Тимофей Игоревич

                              Формы переноса и факторы осаждения молибдена в гидротермальных условиях (экспериментальное исследование)Кудрин, Алексей Владимирович

                              

                              Оценка закономерностей изменения инженерно-геологических условий устойчивости гидроотвалов вскрышных пород в зависимости от этапа эксплуатацииЧеремхина Анастасия Петровна

                              

                              Хозяйственно-полезные признаки коров черно-пестрой породы в зависимости от фенотипических факторовВильвер Дмитрий Сергеевич

                              

                              Пищеварение и продуктивность у коров красно-пестрой породы в зависимости от их физиологического состояния и сезонных факторов кормления Литяйкин Олег Михайлович

                              Зависимость степени пожелтения шерсти тонкорунных пород овец Северного Кавказа от свойств жиропота и внешних факторовГасанов, Рауф Юсуфович

                              Оценка роли средовых и генетических факторов в развитии зависимости от психоактивных веществ у молодых мужчин в психогигиенических исследованияхДемин, Андрей Анатольевич

                              

                              Исследование статистическими методами зависимости альбедо и коротковолнового радиационного баланса системы почва-растительность от метеорологических факторовРябова Лидия Михайловна

                              

                              Распространенность хронических болезней органов дыхания у подростков в зависимости от факторов экосистемыАпашева Шуанат Ахмеднабиевна