Что можно узнать о горных породах в лабораториях

Горные породы изучают различными методами и с помощью разных приборов. Прежде всего их исследуют под микроскопом, определяют химический состав и физические свойства. Уточняют возраст горных пород по сохранившимся в них окаменелым ископаемым организмам. А если их нет, тогда геологический возраст определяют при помощи радиоактивных элементов, в небольших количествах содержащихся почти в каждой горной породе.

Это лишь самые общие сведения о главнейших направлениях изучения горных пород. Расскажем о них подробнее. Наиболее распространенный и, можно сказать, обязательный метод изучения горных пород - исследование их под специальным микроскопом. Наблюдения производятся не в обычном естественном свете, а в плоско поляризованном (В плоско поляризованном свете, в отличии от обычного, колебания света упорядочены и совершаются в одной плоскости), поэтому петрографический микроскоп называется поляризационным. Рассматривают при этом не сами образцы горных пород, а изготовленные из них шлифы - тонкие пластинки (толщиной 0,027 мм), способные пропускать свет. В шлифах видны зерна различных минералов, выясняются их форма, размеры, соотношения друг с другом и иные особенности.

Важным дополнением к изучению шлифов горных пород под микроскопом служат исследования минералов на особом приборе - универсальном столике Федорова, названном так в честь его изобретателя, знаменитого русского ученого Е. С. Федорова. На столике поляризационного микроскопа мы видим минералы в случайных сечениях, что не всегда позволяет определить их характерные свойства. Вот тогда столик Федорова незаменим. В нем есть несколько колец, соединенных друг с другом и вместе с тем вращающихся независимо. Вращая шлиф в разных плоскостях, зерну придают нужное положение и определяют оптические свойства минерала. Федоровский метод позволяет провести полное оптическое исследование минерала в одном зерне.

Как ни удобен поляризационный микроскоп, но в нем нельзя рассмотреть частички меньше 0,2 микрона - границы видимости частичек в оптическом микроскопе. Для изучения меньших минеральных зернышек используют электронный микроскоп. В нем применяют не световые волны, в поток электронов. Электронный микроскоп позволяет получать увеличение в десятки тысяч раз. Он оказался незаменим при изучении глин, коллоидных минералов и других веществ, для исследования которых возможности оптического микроскопа недостаточны.

Важной характеристикой горной породы служит ее химический состав. Поначалу химические анализы использовались для определения горных пород, особенно тонкозернистых и аморфных, о минеральном составе которых нельзя судить по шлифу. Таковы, например, вулканические стекла и глины. Теперь же химические анализы служат для установления родства пород разного состава. С их помощью доказали, например, что граниты одной и той же местности, сходные по внешнему виду, отличаются друг от друга связанными с ними рудами. Например, на Дальнем Востоке с одними гранитами встречается олово, с другими золото. Однако изучение особенностей химического состава гранитов показало, что они различаются по содержанию окислов щелочей, глинозема и других компонентов.

При обычном химическом анализе горной породы определяют содержание 12-15 химических элементов, из которых построены главнейшие минералы горных пород. Это кремний, алюминий, железо, марганец, магний, кальций, натрий, калий, фосфор, титан, сера, водород, углерод. Абсолютное содержание их различно - от 10% и более (кремний, кислород, алюминий) до десятых долей процента (марганец, сера, фосфор).

В горные породы входят не только породообразующие элементы, но и такие, содержание которых меньше десятых долей процента в десятки, сотни и тысячи раз - это «малые» элементы. Они не образуют самостоятельные минералы, а входят как примеси в главные минералы. И тем не менее малые элементы придают горным породам характерные черты. Оказывается, например, что граниты одних мест обогащены бором, другие - оловом и т. д. Распространение малых элементов позволяет разобраться в особенностях состава горных пород. Более того, эти данные позволяют судить и о возможно с ними связанных полезных ископаемых.

Малые элементы определяют не только химическим путем, но и другими методами, в частности спектральным и полярографическим. Спектральный анализ основан на том, что свет, проходя через раскаленные пары вещества, а затем через трехгранную призму, распадается на ряд тонких цветных линий - линейный спектр. Известно, что у каждого химического элемента есть свой, отличный от других элементов спектр. Чувствительность спектрального анализа необыкновенно высокая. Многие элементы определяются с точностью до 0,0001-0,00001%, что соответствует содержанию 1,0 - 0,1 грамма элемента в тонне горной породы.

Полярографический метод анализа открыт в 1925 г. Полярограф - небольшой компактный автоматический фоторегистрирующий прибор, записывающий ход электролиза. Предварительно анализируемое вещество растворяют в электролите. Напряжение электрического тока постепенно увеличивают до тех пор, пока не начнется электролиз, ход которого автоматически записывается на диаграмме - полярограмме. По ее форме можно установить, какие элементы и в какой концентрации находятся в растворе. Чувствительность полярографического анализа очень высокая, этим путем можно определять вещества, находящиеся в количестве до 0,0001%.

Применяется также особый метод изучения горных пород, основанный на физико-химических превращениях вещества при нагревании (термический анализ). Выделение или поглощение тепла улавливается при помощи автоматического прибора - пирометра, изобретенного академиком Н. С. Курнаковым. На термической кривой записана разность скоростей нагревания исследуемого материала и нейтрального образца. Поэтому изменения в скорости нагревания двух веществ отразятся изломами на плавном графике. При поглощении тепла появится резкое понижение, при выделении - резкий пик. Термический анализ играет большую роль при изучении горных пород, состоящих из тончайших частиц, неразличимых в шлифах, таких, как глины, бокситы, некоторые железные и марганцевые руды и др.

Точная характеристика горных пород складывается также из углубленного изучения минералов. Вот тогда особенно необходимы данные о внутреннем строении минералов. Это значит, что необходимо выяснить расположение атомов или ионов в кристаллической решетке, установить, на каких расстояниях они находятся. Такие сведения получают, изучая минералы с помощью рентгеновских лучей. Для этого через кристаллы пропускают невидимые очень короткие электромагнитные волны (с длиной волны в тысячи раз меньше длины волн видимого света). Они беспрепятственно проходят в местах, где нет атомов или ионов и отклоняются от своего направления при встрече с ними. Лучи за кристаллом фотографируются на пленку. Получается рентгеновский снимок кристалла, состоящий из множества пятнышек, следов рассеянных лучей. По снимку определяют расположение элементарных частиц и особенности строения вещества. Рентгеноструктурному анализу принадлежит очень большая роль, он не только открыл перед исследователями мир частиц в кристалле, но и позволил связать их свойства с внутренним строением.

Рис. 2. Абсолютный возраст Земли и геологических периодов в миллионах лет. По К. И. и В. К. Лукашовым, с изменениями

В последнее десятилетие широкое распространение получил дифрактометрический метод рентгеновского i анализа. В этом случае исследуют тончайшие частички минералов, осажденные на пленку. Отражающиеся от них рентгеновские лучи вызывают слабые световые вспышки, которые улавливает сцинтилляционный счетчик Гейгера. В счетчике возбуждаются электромагнитные колебания, которые тотчас преобразуются в механические и записываются самописцем в виде пилообразной дифрактометрической кривой. Каждый минерал дает на ней по несколько характерных пиков, причем их высота тем значительнее, чем больше его содержание в минеральной смеси. Дифрактометрический анализ оказался исключительно эффективным при изучении тонкодисперсных минералов, особенно глинистых.

Еще десять лет назад пределом минералогических исследований было установление внутреннего строения кристаллов при помощи рентгеновских лучей. Но в последние годы на стыке физики и наук о природном веществе - минералогии, петрографии и геофизики - возникло новое научное направление - физика минералов. Главная ее задача состоит в изучении электронной структуры и электронных свойств минералов. Новое направление вызвало и появление новых методов изучения физических явлений - радиоспектроскопию, ядерный и парамагнитный резонанс и др.

Достоянием широких кругов геологов стало определение абсолютного возраста минералов и горных пород, основанное на распаде радиоактивных элементов. Известно, что уран, актиноуран и торий, испытывая ряд превращений, идущих независимо от внешних условий, в конечном счете дают особый изотоп. свинца. Зная периоды полураспада радиоактивных элементов и измерив количество начальных и конечных членов радиоактивных рядов, содержащихся в минералах, определяют их возраст. Это так называемый «свинцовый» метод определения абсолютного возраста Ныне арсенал методов абсолютной геохронологии довольно широкий. Применяется аргоновый метод (расчет ведется по аргону, выделяющемуся при распаде радиоактивного калия), стронциевый (по стронцию, образующемуся при распаде радиоактивного рубидия).

Использование «радиоактивных часов» очень важно для определения возраста древних геологических процессов, оно поставило на прочную основу цифровое выражение геологического времени. На рис. 2 в виде спирали показана продолжительность геологических эр и периодов по данным радиогеологических исследований. Геологический возраст Земли равен примерно 5 миллиардам лет.