Вопрос 12.Механизмы изменени свойств минералов при действии физических полей.

Физические и технологические свойства горных пород зависят:

• от свойств образующих их минералов;

• от строения и структурного состояния полиминерального агрегата. Поэтому целенаправленное изменение свойств породы должно

сопровождаться изменением, по крайней мере, одного из этих факторов.

Однако при действии физических полей они обычно начинают проявляться вместе. Это связано с тем, что под действием физических полей в породе возникают структурные напряжения, которые изменяют всю иерархическую дефектную структуру минерального вещества как на уровне отдельных черен, так и на уровне представительного объема. Рассмотрим механизмы протекающих при этом процессов подробнее.

Способность неоднозначно реагировать на различные виды физического воздействия, приспосабливая к новым условиям свою структуру и состав, является характерным свойством минералов. Преобразования могут выражаться и незначительном изменении длины связей или в радикальных перестройках структуры, они могут включать химические изменения на атомном уронпе или реакции с образованием новых минеральных видов. Общая тенденция них перестроек - снизить свободную энергию минерала или минеральной ассоциации под влиянием новых условий, возникших при переходе отдельных элементов строения породы в нестабильное состояние.

Рассматривая взаимосвязи физических свойств минерала с термодинамических позиций, можно сделать вывод о том, что любое изменение состояния его кристаллической решетки должно вызвать изменение целой фуппы соответствующих параметров. В общем случае, взаимосвязь параметров, которые характеризуют внешнее воздействие (температуру Т, напряженность электрического поля Е, механическое напряжение) и его результат (энтропию на единицу объема S, электрическую индукцию D и относительную деформацию).

Когерентные межфазные границы имеют более низкую поверхностную энергию, и поэтому такие зародыши будут обладать более низкой активационной способностью. Когерентной поверхности раздела соответствует большая энергия деформации и меньшая поверхностная, чем для некогерентной границы, для которой характерна обратная ситуация. Причем баланс этих двух энергий будет зависеть от соотношения упругих параметров и размера частиц новой минеральной фазы. В том случае, если ее структура сильно отличается от исходной, растет вероятность гетерогенной нуклеации, при которой образование происходит предпочтительнее около дефектов: дислокаций, вакансий, границ черен, примесных атомов и др. Эти процессы хорошо изучены для пироксенов, полевых шпатов, амфиболов и некоторых других структурных типов минералом.

Характерным примером постепенных превращений минералов является спинодальный распад гомогенного твердого раствора. Обычно он сопровождается развитием периодических волн состава по всей структуре одновременно.

Рассмотренные процессы превращений связаны с объемной диффузией, которая и минералах способна протекать за счет четырех различных механизмов: обменного, внедрения, интерстициального и вакансионного.

В соответствии с укладкой атомов пластические свойства у минералов с такой решеткой проявляют ярко выраженную асимметрию. Барьер Пайерлса минимален при смещении друг относительно друга двух гоготноупакованных плоскостей. Скольжение по плоскости базиса (три системы скольжения) всегда идет достаточно легко. Скольжение по пирамидальным плоскостям требует повышенных температур и больших напряжений. При этом размножение даже базисных дислокаций требует выхода участков винтовых дислокаций в пирамидальные плоскости и, следовательно, происходит с трудом. Поэтому макроскопические сдвиги часто локализованы в узких слоях, ориентированных вдоль базиса.

Основной фактор, определяющий характер изменения структурного состояния и минералах, которые обладают такой гексагональной решеткой, -вероятность двойных поперечных скольжений.

Минерал, в котором плотность дислокаций достигает некоторых критических значений, способен приобретать новые физические свойства за счет формирования в нем коллективной дислокационной системы. Например, появление и нем микротрещин и есть коллективный дислокационный эффект. Очевидно, что такое возможно только при высоких значениях p_D. Основу этих процессов составляют два фундаментальных свойства дислокационных систем : образование жестко связанных дислокационных ансамблей; коллективное преодоление дислокациями препятствий.