2.2. Методы исследования газово-жидких включений в минералах

В полостях минералов, составляющих руды и горные породы, закон­сервированы минералообразующие растворы, захваченные при их кри­сталлизации. Эти растворы являются многокомпонентными геохимиче­скими системами, которые имеют определённое агрегатное состояние [6].

Исследования газово-жидких включений начаты в XIX веке. В 1858 году Т.К. Сорби опубликовал работу, в которой описал результаты иссле­дования минералообразующих сред методом нагревания минеральных пре­паратов с газово-жидкими включениями. В дальнейшем развитию этого ме­тода способствовали работы Брюстера, Циркеля, Фогельмана, Хартли, Филлипса. В России первые исследования газово-жидких включений, со­держащихся в аметистах Урала, предпринял А.П. Карпинский. Он выяснил, что эти включения являются углекислотой и сделал попытку оценить тем­пературу и давление, при которых происходило образование аметиста.

В 1929 году Г.Г. Лемлейн впервые систематизировал включения в минералах по их генетическому признаку. Среди этих включений он выделил следующие генетические типы:

• остаточно-магматические включения (силикатные стёкла, кристал­лы, флюидные включения расплавов и рассолов);

• пневматолитовые (газовые, газово-водные, газово-углекислотные) включения;

• жидкие гидротермальные включения, законсервированные в минералах.

По времени образования газово-жидкие включения разделяются на две группы:

• первичные (сингенетические) включения, образовавшиеся в процессе роста кристаллов и фиксирующие зоны их роста (такого рода включения характеризуют условия минералообразования);

• вторичные (эпигенетические) включения, которые локализуются в трещинах, залеченных новыми порциями растворов; включения второго рода характеризуют новый этап минералообразования и изменение физико-химических условий.

Основоположником практического применения в России методов изучения газово-жидких включений является Н.П. Ермаков.

Изучение газово-жидких включений проводились по трём главным направлениям:

• изучение состава, концентрации и агрегатного состояния растворов и расплавов включений;

• разработка методов определения температуры и давления минералообразующих растворов по включениям в минералах и изготовление соответствующей аппаратуры;

• применение методов термометрического анализа включений для установления физико-химических условий формирования минеральных комплексов и использования полученной информации в качестве поискового признака связи рудных месторождений с общим ходом развития тектоно-магматической деятельности.

Для нахождения в минералах газово-жидких включений отбирают образцы минералов, руд и пород. Из этих образцов изготавливают при-полированные с обеих сторон пластинки, толщиной от долей миллиметра до нескольких миллиметров, в зависимости от степени прозрачности исследуемых минералов. В этих пластинках должны быть представлены разные генерации минералов.

Для определения температуры минералообразования по газово-жидким включениям применяют:

• метод гомогенизации;

• метод декрепитации;

• метод криометрии (изучение поведения газово-жидких включений в области отрицательных температур).

Кислотность-щелочность минералообразующих растворов (рН сре­ды) определяется способами:

• электрометрическим;

• колориметрическим;

• расчётом по данным химического анализа водных вытяжек из раздробленных минералов.

Состав крупных включений в прозрачных минералах определяется методом спектрального анализа или методом водной вытяжки.

При исследовании температуры минералообразующих растворов наиболее широко применяется метод гомогенизации.

Метод гомогенизации впервые был разработан Г.К. Сорби в 1857 году и им была сконструирована термокамера. Техника этого метода была усовершенствована Н.П. Ермаковым в 40-50-х годах прошлого столетия.

Дальнейшему развитию метода гомогенизации посвящены работы Л Н. Хетчикова, Б.А. Дороговина, Л.А. Самойлова, В.Б. Наумова и дру­гих исследователей.

Для исследований применяется термокамера, позволяющая нагревать препараты с газово-жидкими включениями непосредственно на столике микроскопа до температуры 600–700 °С, что значительно расширяет возможности исследования температур [11].

Термокамера имеет цилиндрический корпус из асбоцемента. В корпусе термокамеры имеются два отверстия, в которые вставлены клеммы и к ним крепятся обмотки нагревательного элемента. Для термоизоляции камеры используется ультралегковесный кирпич. Поверхность термокамеры нагревается до 60 °С.

Для исследований подготовленную пластинку с включениями поме­щают в термокамеру, которая медленно нагревается в результате посте­пенного увеличения напряжения тока, поскольку быстрое нагревание при­водит к растрескиванию препарата. Нагревание производится до момента гомогенизации включения. Для замеров температуры используется плати-но-платинородиевая термопара, которая позволяет измерять температуры в широких пределах – от 100 до 1600 °С. Термопара помещается под пре­паратом (пластинкой с газово-жидкими включениями). Свободные концы термопары заключены в прочные хлорвиниловые оболочки. Градуировка термопары производится с препаратами, которые содержат включения с известными температурами фазовых превращений минеральных веществ, переходящих при нагревании в расплавленное состояние.

При нагревании газово-жидкие включения переходят в гомогенную фазу (газовый пузырёк исчезает и образуется только жидкая фаза). Тем­пература гомогенизации принимается за минимальную температуру кри­сталлизации данного кристалла, если это включение первичное, при этом принимается во внимание глубина минералообразования, которая оцени­вается по геологическим данным. В условиях небольшой глубины и, со­ответственно, небольшом внешнем давлении газово-жидкие включения не будут находиться в сжатом состоянии и будут гомогенизироваться при температуре, близкой к температуре минералообразования. Но в ус­ловиях больших глубин и, соответственно, внешнего всестороннего дав­ления, газово-жидкие включения будут находиться в сильно сжатом со­стоянии, и температура гомогенизации будет ниже той температуры, при

которой произошел захват растущим минералом газово-жидкого пузырь­ка, поэтому для оценки истинной температуры минералообразования не­обходимо ввести поправку на сжимающее действие внешнего давления. Поправки установлены эмпирически в ходе экспериментальных исследо­ваний (при давлении до 500 атм. – поправка составляет 30–40 °С, при давлении до 1000 атм. – поправка составляет 60–85 °С).

В 50-х годах Н.П. Ермаков высказал идею изучения расплавных включений. Наиболее существенные данные в этой области были полу­чены сибирской школой исследователей, которые охарактеризовали температурные условия формирования минералов пирокластических и вулкано-плутонических пород.

В конце 60-х годов Ю.А. Долгов, B.C. Соболев, И.Т. Бакуменко и другие исследователи начали изучать включения магматических рас­плавов. В результате этих исследований были получены сведения об особенностях магматогенной кристаллизации минералов. Вопрос о соответствии температур гомогенизации расплавных включений истинным температурам кристаллизации вулканических и плутонических пород изучал В.И. Чупин (1975); он пришел к выводу, что при оценке истинной температуры кристаллизации к полученным результатам го­могенизации необходимо вводить поправки на сжимаемость расплава и эти поправки должны быть всегда положительны.

Метод декрепитации был применён в 1948 году Г.Ф. Скоттом.

Он выяснил, что до момента гомогенизации нагреваемого газово-жидкого включения давление в его полости постепенно возрастает, по мере повышения температуры нагревания исследуемой пробы. Выше темпера­туры гомогенизации скорость возрастания давления становится в несколько раз больше, гомогенизированная жидкость расширяется и давит на стенки этой полости. Это и приводит к растрескиванию минерала, то есть декрепи­тации. Термин «декрепитация» перешел из английской литературы и озна­чает «растрескивание». Этот метод основан на исследовании температуры перехода газово-жидких включений в гомогенное состояние и фиксирова­нии температуры массового взрыва включений (растрескивании стенок по­лостей в минералах – вакуолей). Но мельчайшие включения могут совсем не взрываться. Обычно быстро растрескиваются минералы с хорошей спайностью (например, сфалерит, кальцит, барит, флюорит, вольфрамит).

Прибор-декрепитограф был сконструирован в Томском политехни­ческом институте в 1960 году. В 1970 году прибор-декрепитограф скон­струирован в Московском государственном университете.

Приборы-декрепитографы позволяют нагревать пробы до темпера­туры +900 °С. Регистрация импульсов декрепитации производится на диаграммной бумаге с помощью звукозаписи. Для этого прибор снабжен звукоизоляционным ящиком. В настоящее время звуковые декрепи-гографы снабжены пьезодатчиками, где используются пьезокристаллы.

Ю.А. Долговым и А.И. Серебряковым были разработаны термоваку­умные установки. В этих установках исследуемая проба помещается в вакуумную камеру и нагревается. В ходе нагревания газово-жидкие включения взрываются и выделяют пары и газы, которые накапливаясь, изменяют давление в камере. Изменение давления регистрируется чувст­вительными манометрами. Достоинством вакуумных декрепитографов является большая чувствительность. Но вакуумные декрепитографы нельзя использовать для исследования минералов, которые подвержены быстрому термическому разложению и выделяют пары и газы, не свя­занные с наличием газово-жидких включений. При исследовании суль­фидных минералов, нагреваемых на воздухе, регистрируется аномальная декрепитация, что обусловлено окислительными процессами.

С помощью метода декрепитации можно решать следующие задачи:

• определить общую насыщенность образцов газово-жидкими включениями;

• оценить число генераций газово-жидких включений;

• расчленить по характеру эффекта декрепитации геологические об­разования различного возраста.

Соотношения между температурами декрепитации и истинными температурами минералообразования и температурами гомогенизации оказываются очень сложными, если во включениях содержится углеки­слота. Температура гомогенизации всегда меньше температуры декре­питации, но с увеличением количества углекислоты во включениях температура декрепитации резко понижается по сравнению с температурой гомогенизации. Углекислота является распространённым компонентом включений в минералах гидротермальных месторождений. Было установлено, что температура декрепитации всегда выше температуры гомогенизации, но если в составе газово-жидких включений содержится большое количество углекислоты, то температура декрепитации резко понижается, по сравнению с температурой гомогенизации. Поэтому ме­тодом декрепитации в таких случаях температурный режим минерало-ооразования оценить очень трудно.

Реже для изучения газово-жидких включений применяется метод изучения поведения включений в области низких температур – метод криометрии [11].

Метод криометрии основан на физическом явлении Пельтье. Это явление заключается в следующем: при прохождении электрического тока через термобатарею, состоящую из полупроводников, соединённых последовательно, в местах их спая поглощается или выделяется (в зависимости от направления электрического тока) некоторое количество тепла, пропорциональное количеству электричества, прошедшему через зону спая (контакта). В результате этого одна сторона термобатареи нагревается, а другая – охлаждается. Берут столик микроскопа и устанавливают на холодном конце батареи. Для питания полупроводниковой батареи используется выпрямитель переменного тока. К столику подводится вода для охлаждения горячего спая термобатареи (для охлаждения может использоваться хлористый натрий со льдом, твёрдая углекислота, хлористый аммоний и азотно­кислый калий). При замерзании газово-жидких включений сначала проис­ходит деформация газового пузырька, этот пузырёк сокращается, а затем исчезает и образуется криогидрат. Момент замерзания фиксируется по рез­кому мгновенному потемнению включений, которые приобретают бурова­тый оттенок. При повышении температуры криогидрат становится чёрным, тёмно-бурым до светло-серого и может иметь мозаичный вид.

Ю.А. Долгов, В.М. Макагон, B.C. Соболев и другие исследователи применяли метод криометрии для изучения процессов прогрессивного метаморфизма, поскольку развивающееся метаморфогенное минерало-образование протекает при высоких давлениях, то включения в минера­лах находятся в гомогенном состоянии. Для того, чтобы получить на­стоящую температуру гомогенизации и по ней оценить существовавшее давление, эти включения нужно исследовать методом криометрии [7].

Для диагностики и изучения кристалломорфологии ультрамелких минеральных включений (минералов-узников) используют методы электронной микроскопии. Метод электронной микроскопии позволяет обнаружить мельчайшие полости в минералах и ультрамелкие включения. Свежеприготовленные сколы минералов улавливают с помощью полистироловой или коллодиевой плёнок, затем с этих плёнок микрочастицы переносят на угольную подложку и полученную угольную реплику исследуют в режиме дифракции или методом отражения электронов прямо со спайных сколов минералов и получают электронограммы, которые позволяют выяснить состав мельчайших включений.

В непрозрачных минералах газово-жидкие включения изучаются с помощью инфракрасного микроскопа. Термолюминисцентный метод позволяет исследовать включения жидких и газообразных углеводородов, битумов, антраксолитов [11]. К середине 80-х годов в нашей стране были получены сведения о природе люминисценции примерно 240 минералов [4] и построена классификация люминисцирующих минералов, основанная на физических и кристаллохимических свойствах минералов. На этой основе стали развиваться люминисцентно-спектроскопические методы диагности­ки трудноопределяемых минералов и количественной оценки их в рудах.