ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2011, № 6, с. 3-12
УДК 552.31; 543.424
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ НА СВОЙСТВА НАНОКРИСТАЛЛОВ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ МЕТОДОМ РАМАНОВСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ © 2011 г. Г. А. Соболев1, Ю. С.Геншафт С. М. Киреенкова,1 Ю. А.Морозов,1
А. И.Смульская1, В. И. Веттегрень2, В. Б. Кулик2
1 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва 2 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, г. С-Петербург Поступила в редакцию 06.10.2010 г.
Проведен поиск нанокристаллов в образце апогранитного "псевдотахилита" — продукта предельно интенсивного дробления гранита в зоне сейсмогенного разлома. С использованием метода рамановской спектроскопии обнаружены нанокристаллы кварца размером от «17 до «25 нм и низкотемпературного альбита размером от «8 до «30 нм. Кристаллографическая ячейка в нанокристаллах деформирована. Внутренние напряжения, которые могли бы вызвать деформацию, варьируют от «—300 (сжатие) до +480 (растяжение) МПа. Обнаружено, что под влиянием давления (1 ГПа) и температуры (470—500°С в течение 10 мин и 550—600°С в течение 16 мин) размеры нанокристаллов кварца уменьшились до «10 нм, а альбита составили 13 нм. Одновременно степень растяжения кристаллографической ячейки кварца в таких образцах увеличилась.
ВВЕДЕНИЕ
По данным многочисленных работ в области на-нотехнологий наноразмерные частицы обладают рядом уникальных характеристик, отличных от проявляемых твердыми телами, имеющими макроразмеры [Гусев, Ремпель, 2000; Валиев, Александров, 2000; Лякишев, 2003; Новые..., 2002]. Это относится, в том числе, к прочности, дефектности и пространственной структуре вещества. Процессы разрушения наночастиц и макрообъектов также могут существенно различаться, и это не может не интересовать специалистов в области сейсмологии.
Некоторые результаты исследования природных нанообразований в горных породах и минералах были получены в работах [Богатиков, 2003; Мир минералов., 2008; Урусов и др., 1997; Хисина, Урусов, 2003; Чантурия и др., 2006; Шарков и др., 2003; Юш-кин, 2005].
В работе [Шарков и др., 2003] экспериментально обнаружено вулканическое стекло в раннепа-леопротерозойских лавах Карельского кратона, состоящее из аморфного кремнезема с нанокри-сталлами амфиболов, тримидита, а-кварца, орто-пироксена, эпидота, слоистых силикатов, галита, анатаза и куприта. При этом их состав резко отличается от состава макрокристаллов в тех же лавах. Установлено, что среди микро и нанокристаллов преобладают водосодержащие фазы (амфиболы и слоистые силикаты).
Вопросы образования гетерофазных наносистем [Хисина, Урусов, 2003] рассмотрены на примере твердофазовых превращений в системе ТЮ2—8п02
при высоких Т-р, р(О2), р(Н2О). Отмечено, что формирование наносистем сопровождается появлением в макрокристалле когерентных внутрикристалличе-ских межфазовых границ. Нано-фазы стабилизируются кристаллической решеткой матрицы минерала-хозяина за счет энергии межфазовых границ и метастабильно сохраняются при изменении р, Т, рО2, рН2О среды. Наименее изученной остается роль давления в образовании наносистем при твердофа-зовых превращениях.
В монографии [Чантурия и др., 2006] рассмотрены методические основы экспериментальной идентификации микро и наночастиц и возможные механизмы их образования при взрывном и механическом разрушении горных пород. Проведены теоретические и экспериментальные исследования по оценке выхода наноразмерных частиц при разрушении горных пород. В работе подчеркнуто, что реология разрушения может сильно сказаться на размере частиц в раздробленной породе, поэтому целесообразно исследовать распределение частиц мелких фракций раздробленной породы в естественных зонах интенсивного пластического деформирования и разрушения пород, а именно — в ката-кластических зонах тектонических разломов. В работе [Юшкин, 2005] рассматриваются методологические аспекты наноминералогии, методы исследования на-нообъектов, проблемы и пути развития наноминера-логии.
Ранее нами было показано [Соболев и др., 2007], что метод рамановской спектроскопии позволяет обнаружить нанокристаллы в горной породе, оценить их размеры, концентрацию в различных местах
образца и величину внутренних напряжений в них. Изучая образцы аркозового песчаника, авторы определили размеры нанокристаллов анатаза и кварца (~5—10 нм) и плагиоклаза (~20 нм). Размеры кристаллической решетки в них были увеличены по сравнению с известными размерами в кристаллах макроскопического размера.
Природные наночастицы подвергаются воздействию высоких температур и давлений в глубинах Земли, параметры которых плохо известны. Выявлению закономерностей, управляющих эволюцией свойств наночастиц, могут помочь лабораторные эксперименты, в которых вещество подвергается активному воздействию при контролируемых условиях и проводится сравнительное изучение его свойств до и после эксперимента [Киреенкова, Соболев, 2005]. В работе [Соболев и др., 2009] были изучены 2 образца глубинной горной породы — мантийного ксенолита из кимберлитовой трубки. Один из них был подвергнут квазигидростатическому давлению 2.5 ГПа. В обоих образцах с помощью метода рамановской спектроскопии были обнаружены на-нокристаллы пиропа размером ~18 нм и омфацита размером ~13 нм. Размеры кристаллографической ячейки в этих нанокристаллах увеличены по сравнению с их размерами в макрокристаллах. Внутренние растягивающие напряжения, которые могли бы вызвать эти изменения, оценены величиной ~1.1 ГПа.
В настоящей статье активное воздействие на образцы горной породы проводилось не только механическим давлением, но и высокой температурой. В качестве объекта была выбрана наиболее распространенная группа пород в земной коре — граниты, а в данном случае — продукт их предельно интенсивного дробления в зоне сейсмогенного разлома, так называемый апогранитный "псевдотахилит". Термин "псевдотахилит", впервые введенный в научный обиход С. Шандом [Shand, 1916], применяется практически всеми исследователями к специфическому типу пород, претерпевших быстрое и сильное деформационное воздействие либо ударного типа, либо в результате сдвиговой подвижки. Псевдотахи-литы, связанные с зонами разломов, определяются как плотные, темные афанитовые по сложению, жильные породы, которые сформировались при экстремальном катаклазе или частичном плавлении в пределах разрывной зоны. Американские ученые, подчеркивая сейсмогенную природу подобных образований, предложили специальный термин "сей-смит" для разностей, приуроченных к разломным зонам Южной Калифорнии (Santa Rose shear zone). Считается, что именно эти породы представляют собой деформационные фации гипоцентральных очаговых зон коровых землетрясений, которые впоследствии были выведены на поверхность [Allen, 2005].
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследованные образцы изготовлены из породы, отобранной в зоне явного разрывного нарушения, пересекающего Сусамырский массив ордовикских гранитов Северного Тянь-Шаня. Они представляли собой цилиндры и прямоугольные призмы, выпиленные в двух направлениях, одно из которых совпадает со слабо выраженной линейностью, а другое — перпендикулярно ему. Цилиндрические образцы имели следующие размеры: два — диаметром 17.5 мм и высотой 20 мм и один высотой 5 мм и диаметром 10 мм. Размеры пластин — 20 х 20 х 5 мм.
Геологическое и петрографическое описание породы
Формирование вышеупомянутого разрывного нарушения связывается с новейшей тектонической активизацией региона на неоген-четвертичном оро-генном этапе, когда за относительно короткий промежуток времени (около 1.5 млн. лет) были сформированы горные сооружения Тянь-Шаня современных высот, с подъемом пород, в том числе гранитов, с глубин 4—5 км [Bullen et al., 2001]. Эти движения сопровождались неоднократными сейсмическими событиями [Чедия, 1986], проявляющимися и сейчас, о чем свидетельствует Сусамырское землетрясение 1992 г с магнитудой М = 7.4, с взбросо-правос-двиговыми смещениями по разломам северо-западного простирания [Богачкин и др., 1997]. Разломы именно этой ориентировки являются одним из доминирующих элементов новейшего структурного плана Северного Тянь-Шаня, к которым относится и рассматриваемое нами разрывное нарушение. Это — прямолинейная, протяженная на сотни метров зона среди гранитов (азимут простирания 330°), мощностью 100—150 м, несущая следы интенсивной тектонизации и дробления гранитного субстрата. Здесь фиксируются сопряженные, чередующиеся или наложенные друг на друга зоны пластично рассланцованных (милонитизированных) гранитов, зоны их катаклаза и брекчирования, глинки трения и псевдотахилиты. Последние пронизывают субстрат густой сетью многочисленных ветвящихся субпараллельных прожилков мощностью до первых сантиметров, фрагментируя его на разновеликие блоки и образуя подобие структуры расслоения гранитов (рис. 1).
В центральной части полосы разрывного нарушения вдоль его простирания проходит наиболее мощная (до 70 см) и протяженная на десятки метров зона темно-серых, местами почти черных псевдо-тахилитов (рис. 2). Сеть разноориентированной трещиноватости, заполненной кварцевым жильным материалом, формирует подобие штокверко-вой структуры на поздних стадиях процесса.
Псевдотахилит представляет собой породу, в которой обломки субстрата сцементированы тем-
но-серой микрокристаллической массой. Порода неоднородна по количеству, размерам и составу обломков: они занимают от 10 до 50% объема, достигая размеров 0.1—10 мм, и представлены аляс-китовым гранитом или его минералами: плагиоклазом, микроклином и кварцем. Минералы несут следы механического воздействия: плагиоклаз (аль-бит-олигоклаз) имеет тонкие полисинтетические двойники, искривленные и изломанные; кварц в обломках имеет облачное угасание. Мелко и микрозернистая масса цементирует обломки, залечивает в них трещины и имеет явно катакластическое происхождение. Она состоит из кварца, полевых шпатов и руарых минералов. Брекчевидная текстура породы почти не обнаруживает никакой ориентировки; лишь в направлении, условно обозначенном как первое, слабо ориентированы редкие удлиненные обломки и вытянуты редкие кварц-рудные прожилки. Рудное веществ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.