Влияние на минерагенез примесных элементов импульса примесного атома и элементов матрицы минерала

Выполненные автором исследования показали, что элементами матрицы минералов являются не только атомы, но и комплексы атомов. В частности, в кварце выявлены следующие виды матричных элементов (рис.4): Si, (Si₂O₆)^4-, О^2-, SiO²⁺, SiO₂, (SiO₄)^4- и др.

Каждый вид указанных элементов матрицы кварца способствует накоплению в нем того или иного примесного элемента

Рис. 4. Влияние, на содержание примесных химических элементов в кварце, элементов матрицы кварца (атомов, комплексов атомов) и массы (М) матричных и примесных элементов. На диаграмме диаметр знака примесного элемента пропорционален его атомному радиусу

Поступление редкоземельных элементов в центр зерна клинопироксена регулируется матричным элементом (Si₄O₃)^10-, с массой 160 а.е.м. На диаграмме для клинопироксена (рис. 5) редкоземельные элементы имеют массу от 138,9 а.е.м. до 175 а.е.м., и они ступенчато разделяются на массе матричного элемента (Si₄O₃)^10-.

Рис. 5. Степень влияния, на коэффициент концентрации примесных химических элементов в клинопироксене, элементов матрицы клинопироксена (ато-

мов, комплексов атомов) и массы (М) матричных и примесных элементов

Из диаграмм «Масса атома химического элемента – Содержание химического элемента в кварце» следует, что, в интервале атомных масс между двумя матричными элементами, существует закономерное снижение содержания примесных элементов по мере увеличения атомной массы примеси (см. рис.4). Например, в интервале между матричными элементами SiO²⁺, SiO₂. Затем следует рост содержания примесных элементов для следующего интервала SiO₂, Si₂O⁶⁺_. А внутри интервала SiO₂, Si₂O⁶⁺ повторяется снижение содержания примесных элементов по мере увеличения атомной массы примеси.

Причина такого ступенчатого изменения содержания примесных элементов, когда масса атома примеси равна массе матричного элемента (здесь SiO₂ или Si₂O⁶⁺), заключается в следующем. Атом примеси может войти в потенциальную яму в том случае, если масса примесного атома равна или больше массы матричного элемента. Например, все примесные элементы с массой, приблизительно равной или больше массы SiO₂, входят в потенциальную яму SiO₂.

Затем эти примесные элементы начинают перескакивать в соседние с ними потенциальные ямы. Чем успешнее перескок, тем выше скорость твердофазной диффузии и активации примесного атома. Следовательно, такой атом примеси быстрее уходит из кварца, а значит, содержание данной примеси снижается. И чем больше масса примесного атома, тем быстрее он совершает успешный перескок в соседнюю потенциальную яму.

Отсюда становится ясным и механизм такого перескока: примесный атом при этом вынужден оставаться в связке с матричным элементом, то есть он входит в комплекс матричного элемента, замещая один из его атомов. И в ходе перескока примесный атом вынужден из положения равновесия смещаться вместе со всем комплексом матричного элемента. Чем больше масса примесного атома, тем больше его импульс, и тем больше величина смещения, то есть выше вероятность его перескока.

На содержание примесных элементов в пегматитовом кварце оказывают значительное влияние следующие матричные элементы:

SiO₂, Si₂O⁶⁺, Si₂O₄, Si₂O₅^2-, (Si₂O₇)^6- (см. рис. 4).

Кварц является минералом-концентратором золота по следующей причине. Атомы золота способны войти в кварц и удержаться в его кристаллической решетке благодаря эффекту массы, то есть взаимодействию с матричным элементом – комплексом Si₃O₇^2-, масса которого равна 196,25 а.е.м., в то время как у атома золота масса 196,97 а.е.м. То есть, масса атома золота больше, чем комплекса Si₃O₇^2-. Поэтому атом золота входит в потенциальную яму, занятую данным комплексом, выбивая его, или, скорее смещая из потенциальной ямы. Затем комплекс возвращается в свою потенциальную яму, но встречает там атом золота. Поскольку импульс комплекса меньше импульса атома золота, то комплекс не может выбить из потенциальной ямы атом золота. Поэтому комплекс, при возвращении в свою потенциальную яму, теряет один или два своих атома, а их место занимает атом золота. На фоне снижения температуры породного массива соседние комплексы Si₃O₇^2-, с массой приблизительно равной массе атома золота, начинают играть роль «сторожей», не позволяющих атому золота перескочить в соседнюю потенциальную яму. Именно это и приводит к концентрации золота в кварце.

Масса атома золота лишь на 0,77 а.е.м. превышает массу матричного элемента кварца. Из этого следует, что концентрация золота в кварце может происходить на фоне слабого снижения температуры породного массива. И, при увеличении температуры, золото немедленно покинет кварц благодаря эффекту массы.

Степень влияния матричного элемента на содержание химического элемента в кварце демонстрирует диаграмма «Масса атома химического элемента – Коэффициент концентрации химического элемента», где коэффициент концентрации химического элемента равен содержанию химического элемента в кварце, деленному на его содержание в земной коре (рис. 6). Степень влияния снижается в ряду Si₂O₄, SiO₄⁴⁺, SiO₂, Si₂O⁶⁺, Si₂O₆^4-.

Рис. 6. Степень влияния, на коэффициент концентрации примесных химических элементов в кварце, элементов матрицы кварца (атомов, комплексов атомов) и массы (М) матричных и примесных элементов. На диаграмме диаметр знака примесного элемента пропорционален его атомному радиусу.