Минерагенез как функция адаптации химического элемента к температуре внешней среды

Введение

Целью курсовой работы «Математический анализ распределения редкоземельных элементов» является ознакомление студентов с адаптацией минералов и горных пород к температуре, к давлению и к геохимическим условиям внешней среды, а также с методологией адаптивного анализа минерагенеза примесных элементов в различных минералах.

В процессе выполнения лабораторных работ студент использует математический аппарат и компьютерные технологии для моделирования распределения редкоземельных и других примесных элементов в минералах и в горных породах. Применение методологии адаптивного анализа объектов неживой природы, разработанной автором [5], к результатам моделирования позволяет провести геолого-генетическую интерпретацию математических моделей формирования примесного состава минералов и горных пород.

В ходе выполнения курсовой работы студент приобретает способность анализировать информацию, видеть геологические объекты системно; овладевает умением использовать в практической деятельности новые знания и умения; применять на практике основные методы получения, хранения, обработки геологической информации и навыки работы с компьютером; проводить математическое моделирование геолого-генетических процессов; использовать геологические данные для составления отчетов и научных публикаций.

Для инженеров-геологов, работающих в рудной и угольной геологии, актуальным является исследование, с помощью современных технических и математических инструментов, геолого-генетических процессов, которые сформировали минералы, горные породы, залежи полезных ископаемых. Причина актуальности данной лабораторной работы заключается в том, что возрастает востребованность примесных химических элементов, содержание которых ничтожно мало в земной коре, в том числе лантаноидов и актиноидов.

В ходе выполнения лабораторной работы студенты учатся выяснять, с помощью компьютерных технологий и математического аппарата, причины накопления указанных химических элементов в виде примесей в минералах-концентраторах. Это умение позволит им в будущем открывать нетрадиционные виды сырья, востребованного для инновационного развития.

Данное методическое руководство предназначено для обучения студентов применению компьютерных технологий, математического аппарата и концепции адаптации объектов неживой природы в целях моделирования процессов рудогенеза и прогнозирования рудных месторождений.

Минерагенез как функция адаптации химического элемента к температуре внешней среды

Явление адаптации химических элементов к факторам внешней среды посредством своих атомных параметров установлено автором (Ш.В.Гумиров, 1993, 2004). Адаптация химического элемента в литосфере, к факторам внешней среды, включает в себя:

• вхождение или выход из объема минерала данного химического элемента посредством его твердофазной диффузии;

• создание или разрыв межатомных связей в кристаллической решетке данным химическим элементом.

Химические элементы в литосфере адаптируются к факторам внешней среды посредством атомных параметров:

• к температуре массива – посредством температуры Дебая (Ɵ), или, другими словами Дебаевской частоты колебания атома,

• к давлению в массиве – посредством расстояния до инертного газа (е) (термин автора),

• к геохимической обстановке – посредством адаптивности (А) (термин автора).

ТерминыДебаевская температура (Θ)химического элемента. Функция Дебаевской температуры соответствует предельной температуре среды, при превышении которой рвутся межатомные связи, например, в кристаллической решетке минерала. Причина разрыва в росте амплитуды всех мод колебаний в кристаллической решетке.

Расстояние до инертного газа(е): число электронов, получаемых или теряемых атомом при создании внешней электронной оболочки ближайшего инертного газа.

Адаптивность химического элемента (А). Равна ширине электрохимической области существования его соединений, т.е., это ширина электрохимического ареала соединений элемента:

А_i= E^o_{i (max)} - E^o_{i (min)}, вольт, (1)

где А_i – адаптивность i-го химического элемента;

E^o_{i (max)}, E^o_{i (min)} – соответственно наибóльший и наименьший стандартные окислительно-восстановительные потенциалы образования соединений i-го химического элемента

Адаптация химического элемента к температуре массива посредством атомного параметра температура Дебая, в процессе минерагенеза данного элемента, установлена автором [5] (рис. 1).

Рис. 1. Взаимосвязь между температурой Дебая и температурой в зоне рудогенеза, метаморфизма (а), и минерагенеза (б). (Использованы данные Е.М. Лазько

[8], Д.В. Рундквиста [11] и др.). Теснота связи, по шкале Чеддока, высокая

Из диаграммы следует, что в более высокотемпературных условиях в минералы входят те химические элементы, у которых выше температура Дебая. Химический элемент с низкой температурой Дебая уходит из минерала, если температура массива в зоне минерагенеза превысит функцию температуры Дебая для данного элемента.