ПЕТРОЛОГИЯ, 2012, том 20, № 4, с. 334-350
УДК 550.85:536.424:621.039.9
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД В СФЕРИЧЕСКИХ УДАРНЫХ ВОЛНАХ: НОВЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
© 2012 г. Е. А. Козлов*, Л. В. Сазонова**
*Российский федеральный ядерный центр-Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики им. Е.И. Забабахина ул. Васильева, 13, а.я. 245, г. Снежинск Челябинской обл., 456770, Россия; e-mail: е.a.kozlov@vniitf.ru **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Геологический факультет Воробьевы Горы, Москва, 119899, Россия; e-mail: saz@geol.msu.ru Поступила в редакцию 19.12.2011 г.
Получена после доработки 10.02.2012 г.
Представлен краткий обзор новых результатов в изучении ударного метаморфизма полиминеральных горных пород, полученных с использованием сферических взрывных герметичных устройств сохранения. Продемонстрировано воспроизведение в таких экспериментах лабораторного масштаба особенностей трансформаций, наблюдаемых в горных породах из природных метеоритных кратеров (астроблем). После экспериментов в образцах горных пород по радиусу шара появляются концентрические, субсферические зоны в разной степени преобразованных пород, в целом аналогичные зонам ударного преобразования пород в природных астроблемах: от края шара к центру следуют зоны трещиноватости, диаплектовых изменений, селективного, а затем и полного плавления, испарения. Однако лабораторный масштаб опытов, отсутствие последующих геологических процессов, нивелирующих процессы ударного преобразования пород, позволяют детально и непрерывно по радиусу шара изучить особенности химических, структурных и фазовых превращений, возникающих в горной породе при увеличении амплитуды ударно-изэнтропи-ческой нагрузки. Изучение закономерностей подвижности главных породообразующих элементов при ударном метаморфизме показало, что тип и особенности строения кристаллической решетки минерала оказываются решающими при его аморфизации или ударно-термическом разложении. Выявлено несколько уровней кристаллохимического контроля минералов в отношении преобразования минералов. Обнаружено, что высокобарические фазы, полученные в экспериментах с ударно-волновым нагружени-ем, возникли в результате кристаллизации их расплава и путем миграционного фазового перехода.
ВВЕДЕНИЕ
Взрывные эксперименты имеют большое значение для изучения процессов ударного метаморфизма — изменений в горных породах и минералах, возникающих при прохождении сильной ударной волны при столкновении крупных метеоритов с поверхностью Земли и образовании астроблем (метеоритных кратеров).
В.И. Фельдман был одним из первых исследователей-геологов, по достоинству оценивших уникальную методику сферического нагружения горной породы, разработанную в отделе физики ударных волн газодинамического отделения Российского федерального ядерного центра—Все-российского научно-исследовательского института технической физики им. Е.И. Забабахина (Козлов, 1999). В отличие от всех ранее существовавших экспериментов с плоскими ампулами сохранения, в сферических экспериментах реализуются существенно более высокие не только амплитуды, но и длительности импульса нагрузки. Кроме того, в единичном эксперименте в разных областях по радиусу шара обеспечиваются уникально широкие диапазоны изменений давлений, температур, плотностей
энергии, позволяющие провести систематические исследования изменений свойств обжатого образца моно- или полиминеральной горной породы по радиусу, что дает возможность привязать наблюдаемые трансформации к параметрам нагружения.
Цель настоящей работы — краткий обзор и обобщение результатов петрологических исследований ударного метаморфизма горных пород в экспериментах с использованием сферических взрывных герметичных устройств сохранения, проводившихся на кафедре петрологии Геологического факультета МГУ с активным участием В.И. Фельдмана в течение последних 15 лет.
МАТЕРИАЛЫ, ОБРАЗЦЫ И УСЛОВИЯ ИХ ВЗРЫВНОГО НАГРУЖЕНИЯ. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СОХРАНЕННЫХ ОБРАЗЦОВ
Объекты исследований в сферических взрывных экспериментах лабораторного масштаба — образцы горных пород, отобранных в Ильменском заповеднике на Южном Урале и из периферийных зон ряда природных метеоритных кратеров. В период с 1995
по 2011 гг. проводились опыты с ударно-волновым сферическим нагружением: лерцолита, пегматита, гранита, лабрадорита, амфиболита, плагиоклаз-гра-нат-геденбергитового скарноида, энстатитита, вол-ластонитита, биотит-гранатового плагиогнейса, двуслюдяно-кварцевого сланца с гранатом и ставролитом, кварц-плагиоклаз-биотит-гранатового сланца и других пород. В разной степени изучено поведение в сферически сходящейся и расходящейся ударных волнах — плагиоклаза, оливина, граната разных составов, кварца, калиевого полевого шпата, геден-бергита, энстатита, бронзита, диопсида, роговой обманки, биотита, ставролита, волластанита.
Исследовались породы, являющиеся вмещающими для следующих астроблем:
Попигайская астроблема (Анабарский щит) диаметром 100 км образовалась 65 млн. лет назад (Масайтис и др., 1975; Вишневский, Пальчик, 1978; Вишневский и др., 1975; 2002; ВоИош1еу й а1., 1997). Импактное происхождение этой структуры надежно обосновано многочисленными признаками ударного метаморфизма, обнаруженными в ее породах, в том числе находками таких высокобарических минералов, как импакт-ные алмазы, коэсит, стишовит (Масайтис и др., 1975; Вишневский, Пальчик, 1978; Вишневский и др., 1975, 2002).
Астроблема Янисъярви (Карелия) представляет собой одну из самых древних на Земле импактных структур с радиологическим возрастом 725 ± 5 млн. лет и диаметром ~ 14 км, в настоящее время глубоко эродирована и занята котловиной озера Янисъярви (Масайтис и др., 1980; Фельдман и др., 1981; Вишневский и др., 2002).
Пучеж—Катунская астроблема (Нижегородская область центр Русской плиты, юго-восточный борт Московской синеклизы) имеет диаметр около 80 км. По геологическим и палеонтологическим данным импактное событие здесь произошло 164—170 млн. лет назад (Глубокое бурение..., 1999).
Астроблема Жаманшин (Северное Приаралье) надежно идентифицирована как природный ударно-взрывной кратер, в том числе и благодаря находкам высокобарических фаз кремнезема (Флоренский, Дабижа, 1980; Вишневский, Пальчик, 1978), имеет возраст около 1 млн. лет и хорошо выражена в рельефе в виде впадины диаметром 5.5 км.
Метеоритный кратер Эльгыгытгын, Чукотка,
имеет диаметр около 18 км и возраст 3.5 ± 0.5 млн. лет (Гуров и др., 1978, 1979; Фельдман, 1990).
Из каждого штуфа породы, характеризующегося однородными структурно-текстурными особенностями, во РФЯЦ-ВНИИТФ изготавливались два шара диаметрами 48 и 50 мм и два образца-свидетеля, располагавшиеся в штуфе сверху и снизу от вытачивавшихся шаров. Шары помеща-
лись в металлические оболочки и герметизировались в вакууме 3 х 10-5 мм рт. ст. электронно-лучевой или аргоно-дуговой сваркой. В качестве материала гермочехлов использовались нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, титан или алюминий.
Первый и второй образцы подвергались нагру-жению детонаций сферических слоев ВВ (взрывчатого вещества) различной мощности и толщины. Наружный радиус сферического слоя ВВ во всех опытах оставался неизменным и равным 40 мм. Инициирование детонации осуществлялось на этом радиусе 96 или 384 синхронно работающими детонационными инициаторами (Литвинов и др., 1991; Козлов и др., 1995а, 1995б). В качестве взрывчатого материала использовались составы на основе гексогена или октогена. Толщина слоя ВВ составляла: 8 мм — для состава на основе гексогена и 10 мм — для состава на основе октогена.
Условия взрывного нагружения выбирались таким образом, чтобы:
— обеспечить сохранение обжимаемых образцов горных пород и минералов для их последующих петрографических исследований,
— реализовать в первом эксперименте в основном объеме образца высокоскоростную деформацию породы в твердом состоянии при минимальном размере областей плавления и испарения минерала в окрестностях места фокусировки сходящейся ударной волны,
— обеспечить протекание во втором эксперименте ударно-волнового плавления в существенно большем объеме породы.
Для демонстрации возможностей методики сферических взрывных герметичных устройств сохранения в настоящей статье ограничимся лишь представлением результатов петрографических исследований некоторых интересных образцов горных пород, претерпевших наиболее интенсивное взрывное нагружение.
Длительности импульсов нагрузки составляли 2—2.5 мкс. Охлаждение в опытах проходило в режиме закаливания с начальной скоростью падения температуры 108—109 °С • с-1, что, с одной стороны, обеспечивало сохранение новообразованных фаз, а с другой - исключало возможность протекания процессов отжига, гидротермального низкотемпературного изменения и т.п. После разгрузки в процессе остывания при атмосферном давлении скорость охлаждения снижалась до 103-104 °С • с-1.
Расчетные оценки параметров нагружения, изменяющихся по радиусу шара по мере продвижения ударной волны от поверхности шара к его центру проводились по программе ВОЛНА (Ку-ропатенко и др., 1980). Расчеты показывают, что в интервале Я = 24-15 мм давление на фронте сходящейся ударной волны лежит в пределах 20-
Рис. 1. Меридиональные сечения сферических образцов биотит-гранатового гнейса из периферийной зоны астробле-мы Попигай.
Слева — неимпактированный образец-свидетель. Справа — образец, подвергнутый высокоинтенсивному режиму взрывного нагружения в системе с Явв = 40 мм, в результате чего сформировалась специфическая сферическая зональность.
25 ГПа. Начиная с Я = 15 мм, зависимость амплитуды ударных напряжений (Р, ГПа) от радиуса шара (Я) описывается уравнением Р = 304.7 х Я-11, где Р — в ГПа, Я — в мм. После сферического взрывного обжатия, разгрузки и остывания образцы не разрушались, они разрезались алмазной пилой по меридиональной плоскости. Отполированная поверхность сечения шара использовалась для анализа изменений минералов исходной породы вдоль его радиуса (рис. 1).
Изучение составов минералов, испытавших нагружение сферической сходящейся ударной волной, проводилос
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.