Свидетели роста кристаллов

Геология не относится к точным наукам, тем не менее, геологи часто оперируют числовыми величинами. Так, в учебнике по минералогии (Бетехтин, 1950) можно прочесть, что температура образования кварца составляет 600-700 ˚С, а оливин кристаллизуется при 1000 ˚С. Как же можно узнать точные значения температур? Конечно, излияния магмы на поверхность можно наблюдать воочию, но к лавовым потокам вряд ли возможно подскочить с градусником и зафиксировать температуру кристаллизации минералов. Что уж говорить о глубинных процессах, происходящих на десятках метров под Земной поверхностью: скрытую в недрах кристаллизацию минералов невозможно наблюдать даже самым любознательным и смелым геологам. Но здесь на помощь приходят непосредственные свидетели роста минералов в Земных недрах – микропорции минералообразующей среды, попавшие на поверхность растущих кристалликов и захваченные ими в процессе роста. Если на осеннюю лужу упадет листочек с дерева, а за ночь лужа замерзнет – листик окажется внутри кристаллов льда, став такой «захваченной средой». В мире минералов захват происходит аналогичным образом, только внутрь кристаллов попадают различные жидкости, газы и, конечно, другие минералы. «Нахватавшийся» минералообразующей среды кристалл вырастает, оказывается в руках геолога, который при внимательном рассмотрении может увидеть маленькие пузырьки, попавшие внутрь кристалла при высоких температурах и давлениях. Эти пузырьки являются настоящими «очевидцами событий» и хранят уникальную информацию об условиях роста и преобразования минерала. Такие навечно законсервированные в кристаллах частички минералообразующей среды называются флюидными (в случае захвата флюида) или расплавными включениями.

Думаете, включения являются экзотикой, доступной для знакомства только в специально оборудованной лаборатории? А видели ли вы когда-нибудь молочно-белый кварц? В отличие от горного хрусталя, такой кварц совершенно непрозрачен, поскольку заполнен мельчайшими пузырьками-включениями, затрудняющими прохождение световых лучей сквозь кристалл. Правда, чтобы детально разглядеть содержимое каждого пузырька и изучить его состав, в большинстве случаев исследователю понадобится специальное оборудование.

Размер включений, как правило, очень мал - десятки микрометров, поэтому подробно разглядеть их можно, лишь вооружившись микроскопом. Однако, встречаются в мире минералов и выдающиеся включения: в коллекции Горного музея в Петербурге хранится кристалл аметиста с законсервированным внутри пузырьком жидкости, вытянутым вдоль кристалла аж на 8 см! Если аккуратно покачать такой аметист в ладошках (а сам кристалл тоже «малышом» не является, его длина составляет целых 26 см), внутри включения будет переливаться и булькать раствор, захваченный минералом миллионы лет назад! На берега Невы прибыл этот чудо-кристалл с далекого солнечного Мадагаскара.

Что же можно найти внутри таких пузырьков - «живых» свидетелей роста минералов? Если речь идет о флюидных включениях, в них наверняка встретится вода с растворенными в ней солями (помимо всем  известной поваренной соли – минерала галита с формулой NaCl – могут находиться и другие соли), могут присутствовать пузырьки газа, а также отдельные кристаллики минералов (рисунок 1, г, д, е)! Особенно интересны такие «кристаллы внутри кристалла», тем более, что минералы могут оказаться внутри включения двумя путями. Во-первых, кристаллики могут захватываться вместе с микропорциями флюида. Эти плененные минералы так и останутся в пузырьке включения, потому и называются они «минералы-узники» или «захваченные минералы». Есть и второй вариант образования кристалликов во включении: как мы уже упоминали, в растворе включения находится множество солей, которые при достижении предельной концентрации насыщения будут кристаллизоваться. При высоких температурах можно растворить большое количество соли, однако при остывании такого рассола соль будет кристаллизоваться. Вот и получается, что включения захватываются минералами при сотнях градусах, когда соль полностью растворяется, а мы наблюдаем их при комнатной температуре, в условиях, при которых некогда растворенная соль образовала кристаллики. Поскольку такие кристаллы солей образуются после захвата включения, они называются «дочерними минералами». Ну а уж сам минерал, содержащий включения, справедливо зовётся минералом-хозяином.

 «Классическим» методом изучения состава включений является микротермометрия, когда включение подвергают охлаждению (криометрия) или нагреву (термометрия). В процессе изменения температуры наблюдают за превращениями, происходящими с веществами внутри включения. А метаморфозы происходят самые разнообразные: около нуля градусов можно наблюдать рост кристаллов льда, а при -56˚С пузырек углекислого газа «хлопком» превратиться в твердую углекислоту, что свидетельствует об охлаждении до так называемой тройной точки; включение может  полностью замерзнуть, превратившись в кристаллический агрегат льда, кристаллов солей и других минералов. При нагреве включения происходят явления растворения и перекристаллизации, а также фазовые превращения (кристаллическое вещество может перейти в жидкое состояние, а жидкость – стать газом). Если зафиксировать температуры изменений, происходящих с компонентами включений, можно получить много полезной информации о том, какие вещества и в каких концентрациях находятся внутри включения. При этом не требуется химической лаборатории для точного определения состава, приборов для диагностики газов – всё что нужно, это внимательный глаз геолога, следящий за превращениями внутри микровселенной включения. Для выполнения микротермометрических исследований нужен обыкновенный петрографический микроскоп, имеющийся в любой геологической организации, и термостолик, закрепляющийся на микроскопе и позволяющий производить температурные манипуляции с включениями.

Пионерским трудом по включениям в минералах является книга Николая Порфирьевича Ермакова «Исследование минералообразующих растворов», изданная в 1950 году. В 1955 году эта монография была переведена на английский язык. В 1984 году американским исследователем Эвдином Рёддером издан двухтомник «Флюидные включения в минералах», ставший на многие годы классическим руководством для геологов и претерпевший несколько переизданий.

Развитие лабораторных приборов не обошло стороной и включения: теперь можно изучать состав включений с помощью лазеров (метод лазерной абляции), исследовать изотопный состав включений (масс-спектрометрия) и точно определять химический состав (электронная микроскопия, протонный зонд и др.). На рисунке 2 представлен удивительный мир вскрытых включений, видимый при бомбардировке пучком электронов. Чего только не хранят внутри себя свидетели роста минерала-хозяина! Под электронным пучком можно увидеть разлившийся вокруг включения солевой раствор (рисунок 2, а), спрятавшиеся внутри вакуоли кристаллики солей со сложным составом (рисунок 2, б), скелетные кристаллы (рисунок 2, в), выросшие при разгерметизации включения из насыщенного солевого раствора за доли секунды, и кристаллики минералов, наросшие на стенки включения (рисунок 2, г).

Удивительный микромир представляют собой включения в минералах, самые разнообразные вещества находят в них геологи. Эта область знаний продолжает развиваться, например, совсем недавно, в 2000 году ученые из Новосибирска обнаружили во включениях кристаллическую борную кислоту, которая называется сассолин (Смирнов и др., 2000). Кристаллики сасссолина были обнаружены при микротермометрических исследованиях, а затем их диагностика была подтверждена методом рамановской спектроскопии.

Вселенная включений – это не только неожиданные открытия и удивительные минералы, это ещё и ключик к расшифровке процессов роста минералов и формированию месторождений. При внимательном и тщательном изучении включения обязательно поведают исследователю, из каких растворов, при каких давлениях, температурах и концентрациях веществ формировался минерал-хозяин. Ведь включения являются свидетелями и участниками роста минерала - хозяина, нужно только суметь их «разговорить».

Анна Кургузова, доцент кафедры минералогии, кристаллографии и петрографии Горного Университета (СПб), действительный член и администратор сайта Российского минералогического общества minsoc.ru.

Список литературы

Бетехтин А. Г. Минералогия. М.: Госгеолиздат, 1950. 956 с.

Ермаков Н.П. Исследование минералообразующих растворов. Харьков,1950. 460с.

Реддер Э. Флюидные включения в минералах. / Э. Реддер. – М.: Мир. 1987. – 632 с.

Смирнов С.З. Первая находка сассолина (H3BO3) во флюидных включениях в минералах / С.З. Смирнов, И.С. Перетяжко, В.Ю. Прокофьев, В.Е. Загорский, А.П. Шебанин // Геология и Геофизика. – 2000. – T. 41, № 2. – С. 194 – 206.