Известное выражение “вода камень точит” подходит для процессов, происходящих не только на поверхности Земли, но и в ее недрах. Воздействие глубинных потоков жидкостей и газов (ученые называют их флюидами) на горные породы коры и мантии Земли во многом определило их нынешний облик и состав. Изучением процессов этого взаимодействия, их моделированием занимается заведующий лабораторией литосферы Института экспериментальной минералогии РАН в Черноголовке, доктор геолого-минералогических наук Олег Сафонов. Его исследования поддержаны грантом Президента РФ для молодых российских ученых.
Прежде всего, хочется прояснить, что же в этом случае означает слово “флюиды”. Многие словари утверждают, что это нечто эфемерное, неосязаемое и даже не совсем научное.
Олег Геннадьевич поясняет:
— Мы так называем субстанции, главные компоненты которых — водяной пар, углекислый газ, метан, водород. В недрах Земли они способны на порядки увеличивать скорости протекания многих геологических процессов, влияют на стабильность минералов и их ассоциаций, приводят к интенсивному плавлению вещества Земли с образованием всевозможных типов магм. Помимо газов флюиды несут также растворенные солевые вещества: хлориды, фториды, карбонаты калия, натрия, кальция и другие соединения. Они способствуют переносу различных веществ, определяют характер воздействия на породы земной коры и мантии, так как ускоряют растворение силикатных минералов, из которых состоит большинство пород. Флюиды, обогащенные солевыми компонентами, можно назвать рассолами. Они играют ведущую роль в формировании рудных месторождений.
— Как же движутся флюиды, откуда они взялись? Это какие-то подземные ручейки?
— В некотором смысле, да. Флюидные потоки пронизывают всю планету, от границ земного ядра и до самой ее поверхности. Движутся они по ослабленным зонам. Не следует думать, что это какие-то полости внутри Земли. На больших глубинах при высоких давлениях практически не бывает пустот, подземные миры в фантастических романах — всего лишь выдумка их авторов. Ослабленные зоны — результат пластических деформаций пород в горячем состоянии, по которым флюидные компоненты движутся благодаря диффузии или растворению вещества. Отдельный вопрос — происхождение активных подземных потоков. Ювенильные (первичные) флюиды сформировались в глубинных оболочках Земли очень давно, в период ее зарождения. С течением длительного времени они постепенно поднимались в более высокие земные слои. Но такие явления редки. Большинство флюидов попали в глубины планеты в результате процессов субдукции — погружения литосферных плит, в основном океанических, в подконтинентальную область. Погружение может происходить на колоссальные глубины, по современным геофизическим оценкам — вплоть до ядра. Вместе с породами вглубь может затягиваться также океаническая вода. Еще один источник флюидов — водосодержащие и карбонатсодержащие минералы, способные нести также хлор, фтор. Попадая на большие глубины с высокой температурой и давлением, они разлагаются, выпускают активные компоненты. Эти вещества устремляются вверх, провоцируя плавление мантии, способствуя возникновению различных магм.
— В чем же суть ваших исследований?
— Моя работа связана с изучением солевых компонентов флюидов. Их влияние на составляющие земной коры хорошо изучено, известны транспортные, термодинамические свойства. Но воздействие на породы мантии пока не понятно. Я знаю всего четыре-пять экспериментальных работ, посвященных вопросу фазовых равновесий с участием водно-солевых флюидов в условиях верхней мантии. Именно в этой области я работал почти 10 лет, имею немало публикаций по исследованиям минеральных реакций в присутствии флюидов и расплавов, обогащенных соединениями хлора, щелочей (калием и натрием), карбонатными компонентами. Я в основном изучал процессы плавления с их участием. Получил довольно много интересных результатов, которые неплохо описывают “природные взаимоотношения”. По этой теме защитил докторскую диссертацию.
А моя кандидатская была посвящена изучению взаимодействия солесодержащих флюидов с веществом коры, в частности, их влиянию на процессы преобразования горных пород на глубинах 20-30 километров, то есть в средней и нижней частях земной коры. Это так называемые процессы метаморфизма, в результате которых образуются гнейсы — породы с полосчатой текстурой. Меня заинтересовал вопрос, откуда появились такие флюиды в коре Земли. Возможно, они идут из более глубинных зон — верхней мантии.
Тематика исследований, поддержанных грантом Президента России, объединяет два направления, которым были посвящены кандидатская и докторская диссертации. Одна связана с процессами, происходящими в коре, вторая — в мантии. Флюиды циркулируют в мантии, и они, очевидно, будут подниматься в более высокие горизонты и производить свои действия в нижней коре. Солевая составляющая этих флюидов, можно сказать, объединяющее звено, которое поможет найти ответы на вопросы, связанные с проблемой взаимодействия двух глобальных оболочек нашей планеты — коры и мантии. Проблему круговорота солевых компонентов в земной коре изучают геохимики. Но никто не занимался экспериментальными исследованиями минеральных ассоциаций, минеральных реакций с участием солевых флюидов в широком диапазоне давлений — от верхней мантии до пород земной коры.
— Как вы ставите свои эксперименты?
— Используем большой набор подходов, методов. В институте есть установки, которые позволяют создавать высокие температуры, а также давления в широком интервале — от 10 тысяч до 80 тысяч атмосфер, характерные для глубин середины верхней мантии — 200-250 километров. Такие условия позволяют моделировать взаимодействия между минералами и флюидами. Сначала я изучаю природные горные породы, пытаюсь понять особенности их образования. А потом уже воспроизвожу эти процессы на лабораторных установках.
На наших установках мы воссоздаем природные явления, только в меньшем, чем в естественных условиях, объеме. Время проведения эксперимента исчисляется часами и сутками. А в природе процессы протекали в течение миллионов и даже миллиардов лет. Эксперимент позволяет воочию увидеть эти процессы, что называется, в действии. Правда, насколько они в деталях соответствуют природным явлениям, сказать пока трудно. Но, в любом случае, мы моделируем реакции, близкие к естественным. В наших установках потоки не текут, используется смесь горных пород с флюидными компонентами, и этого, в принципе, достаточно.
Что касается “коровой” части исследований, то наша лаборатория уже давно участвует в совместном проекте с учеными из ЮАР. В этой стране протекает известная всем детям по сказке о докторе Айболите речка Лимпопо. Есть здесь и природный гранулитовый комплекс с тем же названием. Составляющие его породы выходят на поверхность, они поднялись из глубин два миллиарда лет назад. В рамках экспедиционной программы мы посещаем этот комплекс, отбираем интересующие нас образцы. Изучая их, можно понять, как происходило воздействие на породы, восстановить состав флюидов, узнать температуры и давления, при которых в те времена шел этот процесс.
Вообще, любой геологический объект уникален. Он может хранить в себе много необычного, невероятного даже, казалось бы, в хорошо известном. Надо только уметь это расшифровать. Мой научный руководитель Леонид Львович Перчук сравнивал исследование пород с детективной историей. Нужно найти отпечатки пальцев преступника и свидетелей. “Преступники” — это температура, давление, флюиды. “Свидетели” — минералы. А “отпечатки пальцев” — составы минералов, минеральные реакции, которые фиксируются в горных породах.
Нам нужно проследить длительный путь солевых растворов от мантии к коре экспериментально. Уже сейчас появляются интересные, неожиданные результаты, в том числе с возможным прикладным значением, так как флюиды способны активно переносить полезные компоненты, например платину и золото. Эти вещества по мере остывания разгружаются и могут образовывать месторождения.
Кроме образцов из ЮАР я использую и образцы других пород. Мы сотрудничаем с Институтом геологии и минералогии СО РАН в Новосибирске, ученые которого предоставляют необходимые природные материалы. Налажены контакты с немцами, австралийцами. Это очень важно — на основе пород из различных комплексов создавать обобщенные модели.
— На что потратите деньги гранта?
— Довольно большая часть средств уйдет на налоги и разные отчисления. Мы собираемся закупить расходные материалы для установок. Нам нужна керамика на основе оксида магния, термопарная соломка и проволока. Приходится регулярно заказывать твердосплавные части оборудования. Кроме того, мы сейчас реанимируем старые установки, которые простаивали с перестроечных времен. На рабочих частях некоторых из них из-за простоя в воде и масле образовались большие каверны от ржавчины. Но установки работоспособны. Наш техник Владимир Полукеев даже придумал свой метод оцинковки для восстановления поврежденного материала. Такая восстановительная работа тоже требует денег.
Хотелось бы отметить и некоторые особенности гранта, которые мне и моим коллегам не совсем понятны. Например, я не могу включать в свою команду ученых старше 35 лет. А если сотрудник является ценным в своей области специалистом, но ему исполнилось 36, то он уже не имеет права претендовать на работу по гранту. Я не могу также привлечь официально и нашего техника, без которого никак не обойтись. Да и с молодыми кадрами тоже проблемы: я не могу включать тех, кто не имеет научную степень. Только студентов, аспирантов и молодых кандидатов наук до 35 лет. Хотелось бы также сократить период между сообщением о получении граната и выделением средств. Деньги начинают приходить летом, когда все в отпусках и командировках. Тем не менее президентский грант, безусловно, хорошее подспорье для проведения наших фундаментальных исследований. Надеемся получить важные и интересные результаты, еще больше приблизиться к пониманию того, что происходило в земных глубинах много миллиардов лет назад.
Беседу вела
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Фото из архива О.Сафонова
Нет комментариев