Минерагенез примесных элементов как функция твердофазной диффузии

Создание примесным химическим элементом межатомных связей в кристаллической решетке минерала – это, прежде всего, вхождение примесного элемента в потенциальную яму узла кристаллической решетки. Для этого необходимо выбить из потенциальной ямы атома-хозяина. Установленный автором эффект массы атома, когда в твердофазном материале быстрее диффундируют более массивные примесные атомы, позволил выделить решающую роль импульса атома в твердофазной диффузии. Это означает, что для успешного перескока примесного атома из одного узла кристаллической решетки минерала в другой, соседний узел, данный примесный атом должен обладать достаточным для этого импульсом [2, 3, 4]. Более быстрая твердофазная диффузия более массивных примесных атомов означает, что в каждой, бесконечно малой локальной области минерала, импульс примесного атома тем выше, чем больше его масса. А такое возможно лишь при условии, если кинетическая энергия у всех атомов, входящих в данную локальную область, одинакова.

А именно: каждая локальная область минерала получает одинаковую энергию тепловых колебаний, отсюда примем, что средние кинетические энергии всех атомов в локальной области приблизительно одинаковы:

m1V12 m2V22

= ; (4)

2 2

но если: m2 > m1 , то V2 < V1 ,

причем:

(5)

Импульсы (Р) вычисляются по формуле:

P₁ = m₁V₁ и P₂ = m₂V₂. (6)

Следовательно:

(7)

и более тяжелый атом с массой ^m₂ имеет больший импульс.

Таким образом, эффект массы обусловлен тем, что c ростом массы атома возрастают его импульс, и, как следствие, вероятность его перескока в соседний кристаллический узел.

Твердофазная диффузия примесного атома в минерале складывается из множества его перескоков из одной потенциальной ямы кристаллической решетки в другую, соседнюю яму, и состоит из следующих этапов:

1. Вхождения диффундирующего атома в i-ю потенциальную яму с выбиванием из нее элемента-хозяина.

2. Выхода из i-й потенциальной ямы. Затем следуют либо перескок, либо возврат.

3. Перескок в соседнюю i+1 потенциальную яму.

4. Возврат в i-ю потенциальную яму.

Для реализации этапа вхождения атома, с выбиванием из нее элемента-хозяина, нужен достаточно большой импульс диффундирующего атома. Импульс прямо пропорционален его атомной массе и его кинетической энергии, именно здесь проявляется эффект массы.

Вероятность реализации этапа выхода из потенциальной ямы (п.2) растет с увеличением импульса атома, следовательно, его массы, а также его радиуса и частоты его колебания. Частота колебания примесного атома увеличивается прямо пропорционально температуре среды, то есть частоте колебания элементов матрицы (минералообразующих химических элементов).

Если частота колебания элементов матрицы возрастают до Дебаевской частоты колебания рассматриваемого атома, то связи данного атома с элементами матрицы рвутся, и вероятность его выхода из потенциальной ямы приближается к единице.

Этап перескока в соседнюю яму (п.3) – это повторение этапа вхождения (п.1). Если он не реализуется, то следует этап возврата.

Из выше приведенного следует, что минерагенез является функцией, зависящей от твердофазной диффузии.

Например, метасоматические процессы могут происходить в твердой фазе. Если температура породного массива превысит функцию температуры Дебая (Дебаевской частоты колебания) j-го химического элемента, то его атом разорвет свои связи с соседними атомами минерала и диффундирует в твердой фазе из объема минерала. И, если его масса больше массы элемента матрицы (здесь – атома) минерала, или равна ей, то твердофазная диффузия будет происходить путем перескока из одного узла кристаллической решетки в другой.

Если масса j-го химического элемента меньше массы элемента матрицы минерала, то его твердофазная диффузия будет происходить по междоузлию и по дефектам кристаллической решетки минерала, ускоряясь при тектонических подвижках массива.