Введение к работе
Актуальность проблемы. Неоднородность природных и искусственных кристаллов изменяется от макроскопического до атомарного уровней и определяется пространственно-временными изменениями состава раствора и кинетики процесса роста кристалла.
В открытой системе "кристалп-раствор" между кристаллом и окружающим его раствором происходит обмен энергией, энтропией и массой (Асхабов, 1984; Летников, 1992; Петровский, 1983 ). В термодинамике необратимых процессов главной величиной является производство энтропии P=dS/dt. Скорость ее производства в системе зависит от значений термодинамических параметров, механизмов роста кристалла, наличия примесей в растворе. Взаимодействия примеси и кристалла приводят к различным видам дефектности кристалла. В связи с вышеизложенным актуально экспериментальное и математическое моделирование неравновесных процессов, протекающих в системе при росте кристаллов в широком интервале термодинамических параметров (Т=10-400С, Р= 1-1100 атм), позволяющие объяснить образование различных пространственно-временных структур в объеме раствора, пограничном слое раствора около кристалла и в самом кристалле, а также выявить причины и точки бифуркаций процессов массопереноса основного компонента и примеси сквозь пограничный слой и их встраивание в кристалл.
Цель и задачи исследования. Анализ неравновесных процессов в системе "кристалл-среда" выдвигает следующие задачи, на решение которых направлена диссертационная работа:
1.Экспериментальное изучение in situ пространственно-временных изменений в системе "кристалл-среда"с целью получения количественных характеристик динамики квазиравновесных процессов.
2.Математическое моделирование явлений кристаллогене-зиса, исследование их связей и анализ пространственно-временных состояний в подсистемах (объем раствора, пограничный слой, кристалл).
3.Сопоставление модельных закономерностей с экспериментальными и выявление причин различных видов дефектности искусственных и природных кристаллов.
Фактический материал. В настоящем исследовании экспериментальное моделирование осуществлялось на водно-солевых системах в широком интервале термодинамических параметров. Интерферометрические исследования в системе "кристалл-среда"проводились на голографической установке в Институте геологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук (ИГ КНЦ УрО РАН ). Проведено более 80 экспериментов. ЭПР-исследования (аналитик В.П.Лютоев) и ИКС-исследования (аналитик Л.Л. Ширяева) определялись в лабораториях ИГ КНЦ УрО РАН. Проводился также анализ морфолого-анатомического строения природных и синтетических кристаллов по опубликованным работам Д.П.Григорьева (1975), В.В.Буканова (1974), В.С.Балицкого (1973), И.Л. Комова и М.И.Самойловича (1985), В.А.Петровского (1983), а также из минералогической коллекции музея ИГ КНЦ УрО РАН,
Защищаемые положения.
-
Нелинейные процессы массопереноса основного компонента и примеси в пограничном слое кристалла приводят к трем типам стационарных состояний:устойчивому узлу, устойчивому фокусу и центру. Периодические изменения в пограничном слое концентраций основного компонента и примесей определяют периодичность скоростей роста граней кристалла. Изменения термодинамического состояния раствора нарушают состояние динамического равновесия в результате чего в системе "кристалл - среда" происходят бифуркационные переходы.
-
Гравитационная стратификация раствора за счет процессов взаимной диффузии перераспределяет примеси по высоте раствора. В результате рост кристаллов,расположенных на разных уровнях,протекает в разных режимах нелинейной ростовой кинетики. Эволюция кристаллообразующей среды определяет кинетику процессов массопереноса и гидродинамику в пограничном слое раствора возле кристалла.
-
Рост кристаллов в режимах устойчивого фокуса и центра приводит к периодическому захвату примесей кристаллом. В результате пирамиды роста имеют секториальную или зональную структуру. Нестационарность и непостоянство пересыщения по поверхности грани способствуют захвату включений в состав кристалла.
Научная новизна. Научная ценность работы заключается в развитии эволюционного направления в кристаллогенезисе, создании новых методов исследования in situ эволюции раствора
в пограничном слое кристалла в широком интервале термодинамических параметров. Автором впервые рассмотрены и исследованы нелинейные явления, происходящие в пограничном слое кристалла при его росте (растворении). Определены условия возникновения устойчивых состояний процессов мас-сопереноса в пограничном слое (ПС), причины и границы бифуркационных переходов.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты модельных экспериментов выявили способы контроля процесса кристаллогенезиса и выращивания кристаллов заданной дефектности. Результаты исследований могут быть использованы для прогнозирования и оценки качества природных кристаллов. Причинная обусловленость неоднородностей кристалла позволяет более детально реконструировать минера-лообразующий процесс.
Апробация работы и публикации. Материалы диссертации обсуждались на Всесоюзной конференции по росту кристаллов (Москва, 1988), Международном семинаре "Структурная кристаллография (Звенигород, 1991), Всесоюзном совещании "Теория минералогии" (Сыктывкар, 1991), Всесоюзном совещании "Физико-математическое моделирование в геохимии и петрологии на ЭВМ" (Иркутск, 1988), конференции "Синергетика геологических систем" (Иркутск, 1992), Всесоюзных школах-семинарах "Непериодические быстропротекающие явления в окружающей среде" (Томск, 1988, 1990). "Термодинамика в геологии" (Миасс, 1988), семинаре "Минералогическая кристаллография, кристаллогенезис, кристаллосинтез" (Сыктывкар, 1990), неоднократно докладывались на минералогических семинарах в Сыктывкарском отделении ВМО в ИГ КНЦ УрО РАН. Основные результаты исследований изложены в монографии, 8 брошюрах, 3 статьях.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержитЮбстраниц, > таблиц, рисунков, библиографии.5 наименований.
Работа выполнена на кафедре физики Коми гос. пед. института и в лаборатории экспериментальной минералогии Института геологии КНЦ УрО РАН под руководством доктора г.-м.-н. Петровского В.А., которому автор выражает глубокую благодарность. Автор также признателен М.Ф.Щанову, И.П.Колмакову, Н.В.Косныреву за плодотворное содрудничество на отдельных этапах выполнения работы: А.М.Асхабову, Ф.А.Летникову,
А.Б.Макееву, Ю.О.Пунину, В.И.Ракину, В.Н.Сальникову, М.И.Са-мойловичу, Е.Б. Трейвусу за ряд ценных консультаций, критических замечаний и содействие.
