Газово-жидкие включения – чудо природы

«Какой физиолог подумал бы пренебречь всеми бесценными открытиями, сделанными в его науке при помощи микроскопа, только потому, что предметы малы… Должны ли мы, представители физической геологии, поддерживать то, что только несовершенные методы исследования применимы к нашей науке. Против такого мнения я несомненно протестую, и я утверждаю, что не имеется обязательной связи между размером предмета и ценностью факта и что хотя предметы, мною описанные, малы, заключения, которые нужно вывести из них, — велики» — писал минералог Г. Сорби в 1858 г.

Посмотрите на рисунок. Одно изображение по форме чем-то напоминает амебообразные организмы, а другое, пожалуй, — правильную форму вируса. Но здесь представлены не биологические объекты, а фотографии из мира неживой природы. Рис. а — это сделанный под микроскопом снимок минерала касситерита, служащего рудой для получения олова. На рисунке показаны не разнообразные виды клеток, а структурные элементы стекла.

Р. Гук не рассматривал минералы в своей «Микрографии», но другие ученые положили срезы горных пород на предметный столик микроскопа и увидели неведомый до этого минеральный мир.

В природе происходит закономерное образование кристаллических решеток индивидуальных минералов, и такой подход к кристаллу как к объекту образцового порядка долгое время был основным. Однако наряду с упорядоченным размещением атомов и молекул в строгие пространственные решетки в период кристаллизации одновременно идет и другой процесс — образование разнообразных дефектов кристаллической решетки. Правда, часто употребляемое слово дефект вряд ли отражает истину, здесь происходят изменения, с которыми связан рост кристалла.

Процесс кристаллизации, происходивший в непрерывном взаимодействии атомов минералообразующей среды и поверхности каждого растущего кристалла, очень тонко регулируется изменениями физико-химических параметров среды. Так, в реальных структурах минералов почти всегда обнаруживаются дефекты роста — вакуоли, в которых консервируются мельчайшие порции кристаллообразующих расплавов и растворов, называемых газово-жидкими включениями.

Только изучая вместе геологическую обстановку, среду, в которой происходило минералообразование, и сами минералы, можно понять весь процесс. Минералогия долгое время не учитывала перечисленные выше факторы в отличие от биологии, в которой предпринимались большие усилия для изучения условий среды возникновения и роста биологических объектов. В минералогии в различных генетических теориях минералообразующая среда, как правило, только подразумевалась. Сейчас и в этой геологической науке развивается направление, изучающее минералы в родстве с расплавами, газовыми флюидами и жидкими растворами, именно они несли энергию и вещество для рудообразования.

Палеонтология, исследуя окаменелые остатки древнего живого мира, сохранившиеся в древних геологических слоях, сплошь и рядом имеет дело с указанием на среду, в которой развивались организмы. Эти указания зафиксированы в различных особенностях строения органов, четко свидетельствующих о водной или воздушной среде зарождения живого и его существования. Для минералов нет такой четкой связи. Так, минералы, кристаллизовавшиеся из жидких растворов, и минералы, кристаллизовавшиеся из газовой смеси, не имеют каких-либо внешних существенных различий. Минералы и сложенные из них горные породы, как правило, более устойчивы по отношению к внешним воздействиям, чем организмы, которые очень остро реагируют на изменения внешней среды. Но и минералы не остаются безразличными к этим воздействиям. Притом время существования живых и неживых объектов весьма различно. Живые частицы природы существуют мгновения, дни, годы, десятилетия и века. Неживые минералы и горные породы — миллионы и миллиарды лет.

Вы видели, как тает кусок сахара в стакане с чаем? Он растворяется как бы по зигзагообразной поверхности. Кристалл сахара при росте также имеет неровную поверхность, что связано с неоднородностью по составу (содержанию сахара) раствора, из которого происходит кристаллизация. Аналогично протекает процесс в природе: из растворов идет кристаллизация минералов. При кристаллизации раствора поверхность минерала растет неровно. Иногда неровности закупориваются и в этом случае они остаются заполненными маточным раствором.

Схематический вид газово-жидкого водно-углекислого включения под микроскопом показан на рисунке. Все мутные кристаллы имеют различного рода включения. Чем большим увеличением мы пользуемся, тем больше газово-жидких включений можно обнаружить. В мутном молочном кварце, по мнению Г. Сорби, находится их до 5—6 млн. на 1 мм². Можно отметить, что Р. Гук насчитывал около миллиона клеток на 1 мм³. Правда, Г. Сорби тоже должен был считать включения на объем: ведь они трехмерны. И если первые исследователи клетки трактовали ее как жидкость и пузырек газа, то и газово-жидкое включение сейчас изображается как жидкость и пузырек газа. Мы сами постоянно сталкиваемся с газово-жидкими включениями. Так, молочный цвет жильного кварца объясняется обилием вторичных жидких включений в сложной системе трещин. Поскольку в 1 мм³ насчитываются миллионы газово-жидких включений, они должны влиять на физико-химические свойства кристалла на все процессы, связанные с кристаллом.

Среднеазиатский ученый XI в. Абу Рейхан аль-Бируни одним из первых обратил внимание на газово-жидкие включения. Он писал в трактате по минералогии: «Все прозрачные минералы образуются из жидкости, которая каменеет, на что указывает наличие инородных включений, вроде пузырьков воздуха и капель воды». Однако прошло довольно много времени, прежде чем накопились факты, позволившие оформиться учению о газово-жидких включениях.

Ж. Б. А. Дюма в 1830 г. растворял в воде поваренную соль. Соль потрескивала и наблюдалось выделение горючего газа. Само потрескивание Ж. Б. А. Дюма объяснил вскрытием микроскопических пор при растворении. Интересно, что подобный выделявшемуся при растворении газ был обнаружен в действующих рудниках, где добывалась соль, т. е. когда-то при образовании соли газ был законсервирован в ее порах.

Идея о том, что газово-жидкие включения несут информацию о физико-химических условиях, существовавших в период образования кристалла, привела к разработке специальных методов определения температур и давлений, господствовавших в период кристаллизации. Первым такие методы предложил Г. Сорби, ученый, живший в прошлом столетии и считающийся сейчас основоположником современного научного направления, изучающего газово-жидкие включения. Г. Сорби в 1857 г. сформулировал принципы, на основании которых газово-жидкие включения можно применять для определения условий кристаллизации. Он установил, что кристаллы, содержащие только водные включения, образовались из водных растворов. Кроме того, Г. Сорби в 1858 г. обобщил все сделанные до него работы и дал описание работ других ученых. Г. Сорби сам провел ряд экспериментов по выращиванию кристаллов, причем во время роста образовывались газово-жидкие включения. Он выращивал кристаллы растворимых солей при температуре 100 °С, а изучал эти кристаллы при комнатной температуре. Ученый выяснил, что когда кристалл А рос в растворе, насыщенном также компонентом Б, жидкие включения «тела» кристалла А содержали кристаллики Б. Кроме того, в А были обнаружены твердые включения, а также комбинации твердых и жидких включений. В случае, когда во время кристаллизации были пузырьки воздуха, они захватывались кристаллом вместе с жидкостью и давали газово-жидкие включения.

Вспомним, что при «конструировании» клетки долго выясняли, как же мог попасть в клетку газовый пузырек, и придумывали очень сложные объяснения. Естественный процесс кристаллизации позволяет высказать гипотезу, облегчающую подход к этому вопросу. Г. Сорби выявил много интересных закономерностей. Он нашел, что при ускорении роста кристалла увеличивается число жидких включений — оно обратно пропорционально скорости роста (при постоянной скорости роста кристалла); форма жидких включений зависит от симметрии самого кристалла; число включений разных размеров зависит от температуры. Эти закономерности, в ряде случаев облеченные в формулы, играют важную роль в теории газово-жидких включений.

На рисунке показано сложное зонально-секториальное строение кристалла. Видно, что кристалл буквально «нафарширован» газово-жидкими включениями. Одни из них — первичные, расположены параллельно плоскостям роста, другие — по трещинкам кристалла — появились от внедрения различных растворов, после того как кристалл вырос. Кристалл, содержащий включения материнской среды, будем в дальнейшем называть минералом-«хозяином».

Коллоидные включения внешне отдаленно похожи на следы окаменевших древних клеток.

На раннем этапе исследования минералов внимание ученых привлекли включения разнообразных по составу минеральных обломков, как бы «засоряющих» природные кристаллы любого происхождения. Но сегодня считается, что наибольшую генетическую информацию можно получить из газово-жидких материнских геохимических сред. Название «газовожидкое включение» не точно отражает суть вопроса, так как часто включения могут содержать и кристаллики затвердевших расплавов, уже существующих в материнском растворе. Акад. В. И. Вернадский писал в 1938 г.: «В общей форме значение этих водных растворов не осознано минералогами и геологами». Добавим, что, может быть, и биологам здесь есть над чем подумать, сравнивая газово-жидкое включение и клетку, их схожие формы и размеры.

Сегодня изучение газово-жидких включений — бурно развивающаяся отрасль науки, в которой трудятся многие ученые: Н. П. Ермаков, Д. П. Григорьев, А. И. Захарченко, А. Г. Жабин, Н. И. Хитаров, Г. Дейша, Ф. Г. Смит и многие другие.

Наш великий геолог и соотечественник А. П. Карпинский в 1880 г. применил термин «включение». Он отмечал, что наибольший интерес для изучения представляют включения жидкостей в минералах и горных породах, как сохраняющие часть среды, в которой происходило образование минералов. Этот термин сохранился и до наших дней.

Сегодня Н. П. Ермаков дает следующее определение газово-жидкого включения в своей книге о включениях в минералах: «Под включением вообще следует понимать всякий участок, в процессе кристаллизации герметически изолированный в теле минерала и имеющий с ним фазовую границу. Включение представляет или стороннее, или материнское вещество. Последнее является представительной пробой или образцом подвижной системы минералообразующей среды, допускающей после консервации в вакуоли кристалла свое возрождение до исходного состояния при нагревании включающего эндогенного минерала до термодинамического уровня его былой кристаллизации».

Г. Дейша использует для обозначения включений термин «лакуна», означающий в биологии промежуток в живом теле, заполненный лимфатической жидкостью. Лакуны кристаллизации, в понимании Г. Дейши, — пропуски (полости) в теле минералов, где оказались законсервированными капли маточных растворов или расплавов. Включения являются эталонами герметизированных минералообразующих сред. Они сохранились до наших дней в виде целостных образцов фазовообособленных физико-химических систем, допускающих свое возрождение при искусственном изменении температуры; однако бывают случаи изменения состава включений, поэтому существуют приемы контроля первичности включений.

Как же сейчас происходит на практике определение условий, при которых происходила кристаллизация? При комнатной температуре большинство включений в минерале состоит из газового пузырька и солевого жидкого раствора. Но при нагревании жидкая фаза расширяется и в конце концов газовый пузырек исчезает. Этот момент может быть зафиксирован под микроскопом. Температуру растрескивания газово-жидкого включения можно зафиксировать с помощью специального устройства, содержащего термопару и микрофон. Регистрируют температуру нагревания образца и шум от растрескивающихся включений, считая, что температура в период наибольшего числа растрескиваний является той, при которой наиболее широко происходило когда-то образование включений минералов.

Пузырьки газа во включениях могут быть «минералогическими ватерпасами». Здесь двухфазовое газово-жидкое включение образовалось следующим образом. Пузырек газа всплывал к потолку природного резервуара, в котором происходила кристаллизация, и оказался в узкой части поры. Далее при охлаждении пузырек увеличивался, он уже не мог выйти через узкую горловину и оказывался «пленником» суженной части поры. Пузырек терял свою подвижность при поворотах кристалла, поэтому он является указателем потолка природного резервуара или показывает на измененное залегание под влиянием тектонических процессов. В области изучения газово-жидких включений основные исследования выполнены пока оптической техникой. Обычные размеры этих включений от сотых до тысячных долей миллиметра. Даже в маленьких включениях размером 0,0003 X 0,001 мм с помощью микроскопа можно разглядеть газовый пузырек. При увеличении 1800 различается множество субмикроскопических включений в виде мельчайших точек. С помощью электронного микроскопа, как и в случае клетки, возможности исследований расширяются. Методом_, аналогичным тому, что применяется и в биологических исследованиях, были обнаружены следы субмикроскопических вакуолей, размеры которых составляют 2 ∙ 10^-5 мм. Если смотреть на газово-жидкое включение внимательно, то в каждой вакуоли в свою очередь можно увидеть сложные структуры. Внутри растворов и расплавов в вакуолях наблюдают десятки твердых фаз, которые выделились уже после герметизации газово-жидких включений и поэтому получили название минералов-«узников», или «дочерних минералов». Их очень трудно изучать из-за небольших размеров, однако диагностика этих минералов дает важные сведения об их генетике.

Отметим, что здесь идет речь о генетике как науке, изучающей происхождение минералов, о минералогической генетике. Выше речь шла о биологической генетике. Слово генетика дословно означает происхождение, рождение.

Минералы-«узники» кристаллизовались из материнских растворов при снижении термодинамических характеристик до обычной температуры, которая существует на поверхности Земли. Такие «узники» находятся в подвижном равновесии с окружающей их внутри вакуоли материнской средой. Поэтому их изучение позволяет познать состав древних геохимических растворов, из которых произошли и сами минералы.

Кристаллики в газово-жидких включениях наблюдались давно. Д. Брюстер отмечал перемещения минералов-«узников» в жидких включениях топазов и кварцев и высказал предположение, что кристаллики были углекислым кальцием. Этот результат относится к 1849 г. Г. Сорби заметил кристаллики во включениях метасоматических кварцев и определил их как галит, сильвин и селенит. В авгитах, выделенных из базальтов, он отмечал три типа микрокристалликов и газовых пузырьков.

Первые в СССР определения микрокристалликов были проведены в 1947—1950 гг. во Львовском университете. Образцы брались из кварцев Памира и топазов Волыни. Исследования усложнялись тем, что и микрокристаллики в свою очередь содержат своп собственные газово-жидкие включения. Эти многофазовые включения показаны на рисунке. Удалось изучить микрокристаллики различных минералов-«узников». Интересно, что они повторяют форму кристалла-«хозяина». Например, микрокристаллик кварца кристаллизуется на стенках вакуолей, захватывая свои ультрамикрогазовые включения, имеет оптическую ориентировку кварца-«хозяина», объем кварца составляет до 60—80% вакуолей и кристаллы-«узники» даже проявляют свой зонарный рост. Биотит в качестве минерала-«узника» образует чешуйки до 0,04 мм в поперечнике, альбит кристаллизуется в виде таблитчатых кристаллов размером до 0,07 мм и т. д. Уже изучены многие минералы-«узники», и эти исследования развиваются по мере совершенствования техники изучения микрокристалликов. Чему они могут быть аналогичны с точки зрения уровней организации вещества? Вероятно, как объекты, находящиеся внутри ячеек, клеточным органеллам.

Современная форма вакуолей уже не является первичной. Она формируется в результате становления равновесия между кристаллом-«хозяином» и включением материнского раствора. Необходимо отметить, что формы включений с резкими рваными углами и большой поверхностью не являются устойчивыми. Система вакуоль — раствор стремится преобразовать свою форму так, чтобы стать устойчивой и обладать наименьшей поверхностной энергией. Внутри системы идет процесс переноса вещества с выступов на углубления, в результате чего форма поверхности включения сначала приближается к шарообразной. Так что нельзя считать, что в кристаллах не идет никаких процессов. При дальнейшем ходе процесса поверхность включения приобретает правильную кристаллическую форму. Получается природный объект, обладающий минимальной энергией и называемый отрицательным кристаллом.

Когда мы смотрели на газово-жидкое включение, у нас могла возникнуть мысль о том, что оно внешне похоже на клетку. А при взгляде на правильную форму отрицательного кристаллика невольно вспоминаются правильные формы вирусов. Вспомним, что говорилось о вирусах. У них практически остановились процессы обмена, они приобрели стабильные устойчивые формы, обладающие минимальной энергией. Нарушиться эти формы могут тогда, когда вирус попадает в клетку — среду, где начнется процесс, который по стилю нашего изложения можно интерпретировать как своеобразную биологическую кристаллизацию подобных вирусу конструкций. Причем затравкой в данном случае будет сам вирус. Организм и составляющие его клетки находятся в процессе динамического равновесия, но можно предположить, что клетки, имеющие неправильные формы, стремятся к созданию системы с минимальной поверхностной энергией, и вирус в какой-то степени содействует в этом клетке, разрушая ее, изменяя имеющееся состояние.

Считается, что на процесс обмена и, следовательно, на форму вакуоли большое влияние оказывают термодинамические условия, среди которых темп и размер снижения температуры к нормальным условиям являются определяющими. Нельзя не учитывать и действие электрического, гравитационного и магнитного полей. Они существенно влияют на перенос. Изменения температуры приводят к тому, что при ее повышении активизируются физико-химические процессы и происходит растворение стенок вакуоли, а при понижении температуры — кристаллизация вещества на стенках вакуоли. Но это только основная идея. На самом деле процесс сложнее.

При рассмотрении гипотез образования клетки было отмечено влияние температуры и других физических полей. Вместе с тем на процессы образования газово-жидких включений воздействуют и все другие физические поля, существующие в природе. Так, после создания системы включений происходит сложное самостоятельное существование каждого включения. В итоге получаются отрицательные кристаллы — получившие правильную огранку вакуоли, достигшие полного равновесия по отношению к кристаллу-«хозяину», и это равновесие связано с тем, что форма поверхности обладает наименьшей энергией. Форма отрицательного кристалла в целом также отвечает форме минерала-«хозяина». Отклонения состоят в притуплении или округлении ребра или вершины. Иногда могут возникать полуограненные включения в условиях временного «голодания» растущих кристаллов.

Изучение процессов и явлений минерального мира позволило составить представление о коде генетической информации микровключений, содержащих растворы и расплавы в статическом состоянии. Сведения о происходивших глубинных процессах можно получить путем исследования порций минералообразующих растворов из включений.

Чтобы понять, где сейчас нужно искать месторождения, важно знать, какие условия были в глубокой геологической «древности» и представить, как и где осуществлялся процесс рудообразования. Для этого, например, был сделан тщательный анализ газово-жидких включений стадии, во время которой образовался уран. Результаты исследований Н. П. Лаверова и его коллег показали, что рудообразующие растворы содержали свободную углекислоту, сульфат ты и хлориды, что в них присутствовали сероводород, фтор, уран, свинец, молибден, цинк, серебро и железо. Эти данные вместе с другими геологическими сведениями позволили дать палеогеологическую реконструкцию месторождений урана.

Из растворов газово-жидких включений растут кристаллы, «нафаршированные» газово-жидкими включениями другого поколения. Интересно, что при росте кристалла наблюдается транспортировка готовых блоков кристаллов на место роста. Это кластеры — упорядоченные блоки кристалла.

«Так же, как живая клетка заключает главные тайны животного и растительного царства, можно сказать, что включение составляет элементарную сущность минерального царства. Роль этой уменьшенной модели заключается в демонстрации того, что кристаллические минералы должны рассматриваться в соотношении с подвижными средами, которые их породили. Представляется исключительно важным сконцентрировать на эти объекты такие же мощные средства исследования, какими пользуется современная цитология» [Дейша Г., 1960 г.]. Идут ли реакции и превращения в газово-жидких включениях? Это пока остается вопросом, хотя теперь мы знаем про газово-жидкое включение намного больше, чем во времена Р. Гука знали про клетку. Сейчас газово-жидкие включения стали объектом наблюдений в опытах по выращиванию кристаллов на борту космических станций.

Клетку открыли в 1665 г., но клеточная теория была создана только в 1839 г. Есть ли что-то похожее на «клеточную» теорию в геологии, т. е. есть ли теория, учитывающая не одно газово-жидкое включение, а то, что мы имеем структуру, аналогичную в какой-то степени клеточной ткани, иными словами, геологическую ткань из газово-жидких включений? Пока нет, но такая обобщенная теория, учитывающая физику и химию взаимодействия газово-жидких включений в минералах, должна появиться.

Изучение газово-жидких включений имеет большое прикладное значение при геолого-генетическом изучении месторождений полезных ископаемых, поисках скрытых рудных тел и оценке качества природного кристаллического сырья. Характерные типы и виды включений разных минералов используются для установления стадий в процессе рудообразования, для термометрического районирования рудных полей и оценки темпа охлаждения интрузивов. Что касается использования газово-жидких включений для выращивания кристаллов и синтеза новых материалов, то об этом уже говорилось.

Изучение структуры и состава газово-жидких включений — это очень важная задача. Дальше, безусловно, появится необходимость исследовать функциональные особенности неживых «тканей» природы. Об этом убедительно свидетельствуют исследования в области электрохимии, в первую очередь хемотроники. Итак, в кристалле — кристаллик, в нем — еще более маленький кристаллик и т. д. Кристаллики взаимосвязаны между собой. Что же убеждает в наличии реакций в газово-жидких включениях? Прежде всего хемотроника.

Источник: Г.С. Франтов. Геология и живая природа. (Уровни организации вещества, бионика и геоника, клетки и газово-жидкостные включения). Изд-во «Недра». Ленинград. 1982