Важными для дальнейшего изложения являются также полученные В. И.Молчановым (1981) экспериментальные результаты по вытеснению водорода из воды уже при комнатной температуре природными соединениями двухвалентного железа (с образованием магнетита) при активации их посредством тонкого измельчения.
Таким образом, при стресс-сдвиговом метаморфизме масштаб дифференциации может увеличиваться с первых сантиметров до сотен метров, и становится возможным разложение железосодержащих силикатов с образованием магнетита. Как обсуждалось ранее, именно такие условия тектонического течения были реализованы на временном интервале, соответствующем возрасту ПЖФ Кольского полуострова.
6. Численное моделирование метаморфогенного образования железистых кварцитов
Простейшая модель этого процесса представлена на рис. 8: в зонах прохождения флюидного потока происходит окисление железа с образованием магнетита (который в силу высокой прочности и плотности будет в условиях стесненного сдвига наиболее стабильным); соответственно, образуется недостаток двухвалентного железа, которое начинает диффундировать из окружающих активную зону участков; все остальные породообразующие элементы в соответствии с балансом масс вытесняются и выносятся. Плагиоклаз, как типичный антистресс-минерал (Чиков, 1992) разрушается интенсивнее, чем пироксены и амфиболы, при этом алюминий, как наиболее инертный элемент в метаморфо-метасоматическом процессе, откладывается в непосредственной близости от образующихся рудных тел, образуя алюмосиликатные гнейсы, обрамляющие линзы железистых кварцитов. При этом флюид рассматривается не как транспортный агент (предполагается твердофазовый процесс в АВС вещества), а как окислитель железосодержащих минералов.
При численном моделировании (Егоров, 1999) стресс-сдвигового метаморфизма высокожелезистого амфиболита с принимаемым рядом относительной подвижности: Fe3 ® Ca, Mg ® Al ® K, Na достаточно легко получаются профили распределения породообразующих элементов, соответствующие реально наблюдаемому петрографическому тренду (рис. 9).
Тем не менее, модель эта не объясняет всех реалий процесса. В зоне тектонического течения вещества с атом-вакансионным (твердоплазменным) его состоянием флюидный поток будет, по-видимому, заполнять все пространство, вовлеченное в тектоническое течение. Возникает вопрос, за счет каких эффектов в этом случае возможна сегрегация рудных тел?
Такая модель может быть построена в рамках нового междисциплинарного научного направления “синергетика” (Хакен, 1980). Математическим описанием синергетических систем подобного рода являются нелинейные параболические уравнения типа “реакция-диффузия”:
(1) dU/dt=F(U)+DDU,
U – вектор состояния элементарного объема возбудимой среды (для химической системы компоненты вектора состояния – это концентрации реагентов), матрица D определяет коэффициенты переноса (диффузии, инфильтрации), а нелинейная функция F(U) задает скорость химических реакций в элементарном объеме (заметим, что рассмотренный ранее процесс диффузии с переходом двухвалентного железа в трехвалентное есть частный случай системы (1), но без нелинейных членов). Тогда возможно возникновение предельных циклов в фазовом пространстве решений системы, что в реальном пространстве выглядит как попеременное увеличение и уменьшение концентраций веществ (Хакен, 1980). Кроме волновых режимов, в химических возбудимых средах возможно образование периодических в пространстве и неизменных во времени распределений концентраций – стационарных периодических структур. Условия их существования определяются соотношениями D и F(U) в системе (1). Так, если при изотропной диффузии имеются колебательные решения, то наличие предподчтительного направления переноса вещества создает условия для образования стационарной периодической структуры (Русинов, Жуков, 1994).
Нами проведено численное моделирование системы, описывающей перераспределение железа с извлечением его из ферросилита (Fs) и переотложением его в форме магнетита (Mt). Реально в моделируемом процессе должна образовываться масса разнообразнейших соединений железа с очень сложным составом; естественно, рассматриваемая модель в значительной степени – идеализация, однако, на наш взгляд, она отражает основные черты возможного протекания исследуемого процесса. В дальнейшем изложении мы обозначаем все комплексы, в которые входит блок [Fe2+2Fe3+] – Х, [Fe2+Fe3+] – Y, Fe2+ – Z, Fe3+ – R.
Ниже представлена модельная схема реакций; в скобках – кинетические константы прямой и обратной (если она предусмотрена схемой) реакций соответственно:
(2) Fs ®Z (k1)
Z «R (k2 k3)
Z+R «Y (k4 k5)
Y+R «X (k6 k7)
X ®Mt (k8)
X ®3R (k9)
Mt ®Z+2R (k10).
Принципиально возможность существования стационарных диссипативных систем в земной коре на основе железа обоснована В. Л.Русиновым и В. В.Жуковым (1994); ими показано, что геологические стационарные периодические структуры могут образовываться как при малых скоростях (u) линейного переноса вещества (фильтрации раствора) относительно скорости диффузии (D): u < 10D, так и в инфильтрационном приближении.
Предполагая, что все реакции комплексообразования равновесные, концентрации X и Y мы можем выразить через соответствующие константы равновесия и концентрации Z и R, тем самым упрощая схему (2). При этом вводятся новые кинетические константы:
k8*=(k4/k5)(k6/k7)k8;
k9*=(k4/k5)(k6/k7)k9.
Для предложенной схемы записываются следующие кинетические уравнения (для реакций, протекающих на поверхности минералов, кинетика пропорциональна степени 2/3 – отношение поверхности к объему):
dMt/dt= [k8* Z R2 — k10]Mt2/3
dFs/dt= – k1Fs2/3
dZ/dt=k1Fs2/3-k2 Z+k3 R – k9* Z R2 – [k8* Z R2 — k10]Mt2/3 +Dfe2D Z-u(¶Z/¶х)
dR/dt=k2 Z-k3 R + k9* Z R2 -2[k8* ZR2 — k10]Mt2/3 + Dfe3D R-u(¶R/¶х).
Рассматриваемая система численно исследовалась в одно – и двумерном варианте. Для численного исследования рассматриваемая система была приведена к безразмерному виду введением характерного времени Т и характерного размера L: t=t/Т, r=x/L, u=uT/L, Di=DiT/L2, и с соответствующей заменой Mt, Fs, Z, R, ki на их безразмерные аналоги Mt,Fs,Fe2+,Fe3+, ki.
На рис. 10 приведены результаты численного эксперимента в одномерном варианте с начальными условиями: t=0, r0 (0-30): Mt=0.1,Fs=0.9,Fe2+=1,Fe3+ =0; граничные условия: t>0, r=0: Fe2+=0,Fe3+=1; значения безразмерных констант: DFe2=0.1, DFe3=0.085, u=10, k1 =20, k2=1, k3=40, k8*=1, k9* =3, k10 =0.002. Видно, что с течением процесса из первоначально равномерного распределения всех переменных образуется стационарная периодическая структура концентраций R и Z (Fe2+ и Fe3+), что приводит к волновому характеру распределения образующегося магнетита.
Соответствие безразмерного пространства r пространству реальному задается скоростями взаимодействий и скоростью переноса вещества. Поэтому в условиях стресс-сдвиговой активации скоростей метаморфических процессов мы можем предположить увеличение характерного размера взаимодействий от первых сантиметров до сотен метров (пропорционально корню квадратному от приращения Di, ki), что будет соответствовать образованию в реальном геологическом пространстве рудных тел.
При переходе от одномерных моделей к двумерным сложность системы существенно возрастает. Объемная диффузия может способствовать появлению хаотических колебаний (и, как следствие, нерегулярных фрактальных структур) в системах, где без двух – трех-мерных эффектов возможны только периодические волны. В численных экспериментах на двумерной сетке с течением времени развивается структура распределения магнетита с неоднородностями не только вдоль вектора переноса вещества, но и перпендикулярно ему, причем распределение минимумов и максимумов концентраций не является периодическим, а масштабы флуктуаций значительно превышают заданные первоначальным распределением магнетита. При этом влияние первоначальных возмущений распространяется в пространстве; возможна потеря устойчивости процесса.
Рассмотренные нами численные эксперименты являются качественным описанием явления; это связано с тем, что на данном этапе развития науки мы можем только предполагать реальные значения констант, использованных при моделировании. Тем не менее, если автоволновые режимы детектируются в численных экспериментах, то, как правило, они реализуются в широком диапазоне констант (Хакен, 1980). Таким образом, за счет синергетических эффектов самоструктурирования может происходить сегрегация рудных тел и при равномерной инфильтрации окисляющего флюида, причем первоначальные малые флуктуации будут усиливаться, служа центрами роста рудных тел.
7. Заключение
Насколько применима изложенная выше генетическая концепция для построения генетических моделей других месторождений ПЖФ? В таблице 2 приводится сводка датировок докембрийских ПЖФ. Все содержащиеся в ней ПЖФ с возрастом моложе 2200 млн. лет являются в соответствии с классификацией Г. Гросса (Gross, 1990) формациями типа оз. Верхнее – безусловно, на наш взгляд, осадочными. Что же касается формаций типа Алгома (в большинстве своем архейских), то для многих из них и ранее выдвигались метаморфо-метасоматические генетические гипотезы. Так, еще в начале века метасоматические железистые кварциты были описаны в южной Финляндии П. Эскола (Escola, 1914), как метасоматические трактуются ряд месторождений Украинского щита (Щербак и др., 1990), Урала (Панков, 1984), Чарской зоны Восточной Сибири (Дэви, 1979), Костомукша (Барабанов, 1985).
Значение предлагаемой модели твердофазовой метаморфической дифференциации при стресс-метаморфизме, на наш взгляд, выходит за рамки проблемы генезиса ПЖФ. Так, Б. М.Чиков (1992) рассматривает как результат сдвигового стресс-структурирования многое полиметаллические, золоторудные и редкометалльные месторождения Казахстана, Рудного Алтая и других регионов. С учетом ограничений, которые накладывают на процессы, традиционно трактуемые как регионально-метасоматические, скорости диффузии в межзерновом пространстве и требующиеся для инфильтрации огромные массы флюида, процессы в атом-вакансионном состоянии вещества должны быть распространены в природе очень широко. Таким образом, как итог обсуждения конкретного механизма исследуемого процесса, формулируем следующий тезис: на примере ПЖФ Кольского полуострова предлагается петрологическая модель метаморфогенного рудообразования в зонах стресс-сдвиговых деформаций: при резком увеличении скоростей твердофазовых реакций с участием поливалентных химических элементов и водосодержащего флюида возникают геохимические стационарные диссипативные макро-структуры. Результатом этого является метаморфическая дифференциация с образованием зональной рудовмещающей породной ассоциации.
Козлова Т. А., Сивоглазов В. И. Растения водоёма: Учеб. пособие для школьников младших и средних классов. — М.: Эгмонт Россия, 2000. — 64 с.: ил. — (Атлас родной природы).
Брем А. Жизнь растений: Новейшая ботаническая энциклопедия. — М.: Эксмо, 2007. — 976 с.: ил.
