Ядерно-физическая концепция формирования минеральных образований
А.Г. Секисов (СП «Волтек»)
Идея взаимопревращаемости элементов зародилась практически в средневековье. В современной науке она обрела экспериментальное подтверждение, конкретизирующее формы и условия изменения структуры вещества на субатомном (ядерном) уровне. Принципиально можно выделить два вида таких процессов: спонтанные и активированные.
Спонтанные процессы «самопроизвольного» распада ядер неустойчивых изотопов или радиоактивных элементов не зависят от температуры среды и могут протекать без энергетического содействия. Активированные ядерные процессы синтеза или обмена (составляющими ядра протонами или нейтронами), как считается, могут протекать при плазменных температурах 108-109°К характерных для звезд или при энергиях взаимодействующих частиц, соответствующих данным температурам. Установлено, что оба вида ядерных превращений, несмотря на вероятностный характер их результатов (продуктами ядерных реакций могут быть различные по заряду и атомной массе ядра атомов образующихся элементов и различные элементарные частицы), воспроизводятся с выраженной статистической закономерностью.
Рядом исследователей (Н.А.Аликин, Б.В.Болотин, Л.КЪрвран, М.Флейшман и С.Понс, Р.Буш) открыты новые виды ядерных превращений, наблюдавшихся в жидких и жидкотвердых телах и получившие название холодный ядерный синтез (ХЯС). Официальное неприятие этих открытий, помимо психологических причин, связано со сложностью воспроизводства низкотемпературных ядерных реакций при неизменных условиях эксперимента. В частности, синтез гелия-3 и трития при электролизе тяжелой воды сопровождался помимо резкого изменения количества нейтронов и гамма-квантов существенными незакономерными вариациями выхода основных продуктов реакций.
Наличие ряда существенных противоречий в современных теориях рудо-образования, базирующихся на представлениях о ведущей роли химических и физико-химических процессов, факты геохимической и минералогической уникальности каждого месторождения позволяют поставить вопрос о возможности синтеза элементов земного вещества в твердой и жидкой фазах на планетарной стадии. Следует отметить, что в общем виде эта идея обосновывалась с разных позиций Б.Н.Нейманом, П.А.К оролько-вым, К.А.Власовым, Б.В.Болотовым, Л.Крвраном. В данной же статье приводятся теоретические обоснования предложенной автором модели образования рудных месторождений (геохимических аномалий) как результата многоатомных ядерных реакций, обусловленных активирующей ролью космического излучения.
Принятые концепции рудо-образования аксиоматически предполагают перенос и концентрацию веществ в растворенном, расплавленном или газо-жидком состояниях, и в силу кажущейся очевидности отсутствия альтернативных способов переноса проблема генезиса месторождения рассматривается в рамках системы «раствор-рас-плав-флюид-вмещающие породы». Вопросы количественной оценки параметров этой системы решаются на основе данных физической химии, полученных в лабораторных условиях, когда отсутствуют проявления медленно протекающих процессов, связанных, прежде всего, с влиянием космического, мантийного излучения и тектонических напряжений. Объективная необходимость рассмотрения взаимосвязи этих процессов с рудообразованием обусловлена накоплением к настоящему времени комплекса труднообъяснимых фактов, к которому в первую очередь можно отнести:
• частое отсутствие прямой пространственной и временной связи оруднения с интрузивными комплексами (выделенная академиком В.И.Смирновым группа магматогенных месторождений, отмеченная рядом геологов пространственная разобщенность интрузий и рудных тел), отсутствие следов подводящих каналов;
• периодичность в расположении рудных тел и в изменчивости параметров оруднения, в особенности, распределении минеральных парагене-зисов и концентрации рудных элементов;
• установленная минералогами (В.Ф.Барабанов и др.) взаимосвязь вещественного состава жил и прожилков с таковым тех минеральных агрегатов, которые они пересекают;
• наличие зон пониженных концентраций рудных элементов с отличными от фоновых закономерностями пространственного распределения, названных А.В.Канцелем субфоновыми зонами;
• пониженное содержание рудных элементов в жильных и акцессорных минералах в сравнении с их содержанием в тех же минералах, входящих в состав вмещающих пород (Г.Б.Наумов и др.);
• аномальность вариаций изотопного состава атомов в рудообразующих минералах;
• высокая корреляция элементного состава с интенсивностью и характером микротрещиноватости торных пород.
Учитывая, что земная кора в геологических масштабах времени подвергалась интенсивным региональным и локальным тектоническим воздействиям, изменяющим структурно-энергетические параметры кристаллической решетки минералов, логично предположить возможность их физико-химических преобразований в твердой фазе. Причем, очевидно, основу таких преобразований должны составлять как ядерно-химические реакции (что косвенно подтверждается открытиями в области низкотемпературного ядерного синтеза Н.А.Аликина, Б.В.Болотова, М.Флейшмана, С.Понса), так и миграционные процессы в напряженных горных породах (скорость диффузии атомов и ионов в кристаллической решетке в этих условиях возрастает на 4-5 порядков).
Химические свойства элементов, как известно, определяются в основном строением их ядер и, в меньшей степени, структурой электронных оболочек. Это обстоятельство позволяет поставить вопрос о взаимосвязи состава ядер атомов петрогенных и рудных элементов.
Рассмотрим закономерности соотношений зарядовых чисел атомов (как основных характеристик их ядер) петрогенных и рудообразующих элементов применительно к наиболее распространенным представителям генетического ряда интрузивных горных пород - кислым и основным - ультраосновным.
Главными породообразующими минералами кислых пород, как известно, является калиевый полевой шпат (KAlSi3O8), кварц (SiO2 или Si3Oe), кислый плагиоклаз (т.е. до 70% изоморфной составляющей NaAlSi3O8 - альбид и до 30% CaAl2S2O8 - анорит).
Зарядовые соотношения для ассоциации рудных элементов (Mo, Sn, W, Cu, Pb, Zn, As, Sb, Hg, редкие земли), связанные с кислыми породами (цифры перед химическим символом определяют число атомов в условной молекуле минерала, малые цифры за символом - заряд ядра), представлены следующими рядами:
Таким образом, видно, что ассоциирующие гранитофильные элементы имеют заряды ядра атома, разница которых кратна заряду ядра кислорода (8).
Ряды элементов выделены по взаимосвязи зарядовых чисел атомов с кремнекислородной группой, в состав которой входят три атома кремния (основа калиевого шпата и кислого плагиоклаза), или с алюмокислород-ной группой (основа анорита), - т.е. в предположении, что рудные элементы явились продуктом синтеза из петрогенных.
В ультраосновных и основных породах главными породообразующими минералами соответственно являются:
1) оливины и пироксены (преимущественно магнезиальные - т.е. ортопи-роксены) - [Mg, Fe]2[(SiO4), (Si2O6)];
2)плагиоклазы (анорит - 70%, альбит - 30%), пироксены, преимущественно авгит - (Ca, Na)(Mg, Fe, Al) [(Si, Al)2O6].
Зарядовые соотношения для ассоциирующих с этими породами рудными элементами (Cr, Ti, V, Ni, Co, Cu, Mn, Au, Ag, платиноиды) составляют:
остальные платиноиды образуются при распаде β± палладия и платины:
.Следует заметить, что в рудных месторождениях резко изменяется соотношение кремния и кислорода по сравнению с таковыми в горных породах. Для гранитофильных рудных элементов она увеличивается (за счет содержаний кварца), а для базито-фильных уменьшается (в сплошных сульфидных медноникелевых рудах и хромитах силикатные минералы являются акцессорными). Как видно, рассмотренные зарядовые соотношения для кремнекислородных (или алюмокислородных) групп и рудных элементов, ассоциирующих с ними, вряд ли можно считать простым совпадением, поскольку наблюдается не только кратность зарядовых чисел рудного элемента и соответствующей структурной группы петрогенных, но и реальная, наблюдаемая в природе геохимическая ассоциативность. Аналогичные соотношения наблюдаются и для щелочных пород. Однако на возникающий при этом вопрос о физической основе таких соотношений зарядовых чисел, невозможно дать обоснованный ответ, ориентируясь на известные наблюдаемые ядерно-физические процессы. В самом деле, в известных естественных (природных) и искусственных (лабораторных) процессах ядерных преобразований не наблюдались одно-стадийные реакции с участием большого количества объединяющихся ядер. Допустить же последовательное слияние атомов кремния, кислорода, алюминия объективно невозможно, т.к. «промежуточные» с двухкремние-вой основой) рудные элементы - Ni, Co присутствовали бы в любой ассоциации в больших концентрациях. В рассматриваемых соотношениях наблюдается большой разрыв в зарядовых числах элементов и дефицит нейтронов в продуктах синтеза (хотя считается общепризнанной гипотеза о том, что тяжелые элементы земного вещества образовались в результате β-распада или распада неустойчивых изотопов «сверхтяжелых» нейтрона-сыщенных элементов и в первую очередь Калифорния). Поэтому наличие выявленных закономерностей позволяет предположить, что наблюдаемые соотношения зарядовых чисел атомов минералообразующих и рудных элементов является следствием реализации в земном веществе (в общем случае, видимо, в планетарном веществе) реакцией полимезированного (многоатомарного, цепочечного) синтеза с образованием обеспечивающих устойчивость ядер, нейтронов либо путем их захвата из внешней среды, либо в результате взаимодействия «реальных» микрочастиц с вакуумом как физической средой, генерирующей элементарные частицы.
Автором разработаны две модели реализации этих процессов.
1. Протонная модель, предполагающая определяющую роль образующихся при диссоциации пороховых и конструкционных вод протонов, связанную с возможностью превращения протонов в нейтроны и их диффузия в кристаллическую среду. В кристаллах минералов при «внешнем» захвате валентных электронов протоны превращаются в нейтроны, которые захватываются ядрами и частично рекомбини-руют (распадаются на протон и антинейтрино) в области ядер. Сообщение импульса такими «вторичными» протонами ядрам атомов и является ключевой причиной их слияния.
2. Кварк-глюонная модель, предлагающая генерацию межъядерных глю-онных взаимодействий между кварками, формирующими нуклоны, которые входят в состав группы соседних ядер. Насыщение, создаваемое посредством глюонного космического излучения, приводит к слиянию кварков в новые нуклонные структуры. Источником такого излучения являются звезды (а для Земли в первую очередь - Солнце).
Процесс рудообразования с позиций таких представлений является системой превращений петрогенных элементов (кремния, кислорода, магния, алюминия и т.д.) в рудные и миграции атомов последних в активированной кристаллической среде.
Практическим приложением таких представлений о процессе рудообра-зования являются разработанные и успешно апробированные методы прогнозирования рудоносности массива и оконтуривание технологических типо-сортов руд на стадии эксплоразведки.
Рассмотренные выше представления о процессах формирования природных минеральных объектов отнюдь не означают попытки придать им универсальный характер и противопоставить их процессам минерало-образования в растворах и расплавах. Вместе с тем, изложенные взгляды должны послужить основой для более гибкого и широкого подхода к оценке генезиса месторождений и соответственно их технологической оценки, что в свою очередь, может создать предпосылки разработки новых технологий освоения минеральных объектов. Например, прошла успешную лабораторную апробацию технология (разработанная совместно с компанией «Бэлфор») электрогидрофизического способа извлечения тонкодисперсного золота из рудных пульп.
