Сила разуплотнения поверхностного слоя воды и ее роль в геологических процессах (стр. 32 )

Следовательно, в микропорах каждая молекула испытывает бомльшую частоту соударения молекул со стенками по сравнению с соударением молекул со стенками за пределами микропор. При­мерную величину различий в этой частоте соударений можно оце­нить на основании сравнения скоростей, с которыми молекулы сближаются со стенками в объеме жидкости и со стенками в микро­поре. В первом случае каждая молекула приходит в контакт со стен­кой со скоростью диффузионного блуждания ее в объеме жидкости незначительной величиной порядка 5⋅10–6 м/с (Шабалин, 1995), а во втором – молекула сближается со стенкой в предельном случае со скоростью свободного пробега в вакууме – около 500 м/с, так как  почти каждый ее скачок или свободный пробег приводит к ее соуда­рению со стенками. Это сравнение позволяет считать, что в самых узких частях микропор частота соударения каждой молекулы может возрастать в 108 раз. Такое громадное увеличение приведет к почти мгновенной реакции молекул со стенками, так как возрастает общая длительность контакта, необходимая для осуществления химиче­ских реакций. Все это ускорит химические реакции в микропорах в целом. При этом следует учитывать, что, наряду с увеличением частоты соударения каждой молекулы со стенками, наблюдается ускоренная самодиффузия молекул растворителя, в которую будут вовлекаться и молекулы растворенного вещества, ускоряя этим об­мен быстро прореагировавших молекул в микропорах с медленно реагирующими молекулами за пределами микропор.

Следует отметить, что ранее (1969, 1981) предпо­лагал, что химическая активность воды возрастает только после того, как она перемещается за пределы микропоровых про­странств, переходя из диссипативного состояния в свободное. По­казанное выше действие МДК-эффекта, напротив, проявляется внутри микропор, откуда выносятся растворенные компоненты.

2.6.1.6. Экспериментальное подтверждение МДК-эффекта

Простейшим экспериментальным подтверждением МДК-эф­фекта является проведенный мной опыт по коррозии металла. Если поверхность железного диска, тщательно отшлифованного самым мелким абразивным порошком или полированного с целью удаления железной пыли, покрыть тонким слоем воды и затем на нем провести бороздку лезвием бритвы или сделать вмятину ост­рием иглы, то вокруг этих деформированных участков через 2–5 минут появляются симметричные ореолы бурых окислов железа (рис. 35). Причем характерно, что ореол не образуется, если на поверхность металла нанесена только легкая царапина, которая ого­ляет поверхностный слой, но не производит какой-либо замет­ной деформации.

Интересно, что прямо над этими ореолами, но уже на поверх­ности слоя воды появляются тончайшие прозрачные коллоидные пленки окислов железа. Они имеют вид своеобразных зонтиков, плавающих над ореолами на поверхности воды и по конфигурации точно повторяют сами ореолы. По мере увеличения интенсивности окраски ореолов на дне, эти «зонтики» также утолщаются, затвер­девают и приобретают светло-буроватую окраску при окончатель­ном высыхании водного слоя. Под микроскопом видно, что эти пленки сложены мельчайшими изотропными сферолитовыми об­разованиями окислов железа такого же размера, что и коллоиды.

Рис. 35. Результаты эксперимента по коррозии поверхности полирован­ной железной пластины, покрытой пленкой воды. Вокруг бороздок и то­чечных вмятин в металле видны ореолы бурых окислов железа, по кон­фигурации совпадающих с размерами деформированных участков

Из этого эксперимента видно, что наиболее сильной коррозии подвергаются наиболее деформированные участки металла, со­держащие тончайшие микропоры и микротрещины. Эти трещины можно наблюдать непосредственно на периферии бороздок и вмя­тин, где вытесняемый при вдавливании металл вспучивается в виде вала, испещренного микроразрывами. Именно ускорением коррозии внутри этих трещин под действием МДК-эффекта обу­словлено быстрее образование окислов железа по периферии де­формированных участков.

Подтверждением действия МДК-эффекта также являются эксперименты по химической реакции мрамора с соляной кислотой или по растворению различных минералов (Шабалин, 1995).

Еще проще и убедительнее подтверждает существование МДК-эффекта следующий опыт. Если в фарфоровую тарелку с во­дой доложить на дно обыкновенные железные предметы – изогну­тые скрепку и гвоздь, то можно наблюдать, как через 4–5 часов вокруг тех участков, где эти предметы касаются дна тарелки, появ­ляются бурые ореолы окислов железа (рис. 36а). Эти окислы по­крывают как прилегающие к этим точкам касания участки дна та­релки, так и окружающие их части самих предметов. Если затем эти предметы убрать, то будет видно, что непосредственно под ними в самих точках касания и их ближайшем окружении, дно та­релки совершенно белое, т. е. чистое от окислов железа, причем на расстоянии, примерно соответствующем толщине самих пред­метов (см. рис. 36б). Также окислы осаждаются и на самих желез­ных предметах в участках их касания с дном. Совершенно оче­видно, что коррозия предметов наиболее быстро осуществлялась в пределах тех «микропор», которые образовались в участках со­прикосновения железных предметов с дном тарелки, и в то же время образующиеся окислы отсюда интенсивно выносились за их пределы в окружающее свободное пространство, осаждаясь по­близости. Здесь непосредственным катализатором коррозии яви­лись сами эти «микропоры» в точках касания, а не вещество фар­форовой тарелки. Это можно подтвердить, если провести анало­гичные эксперименты, положив скрепку и гвоздь на стеклянную, пластмассовую или другую поверхность, смоченную водой.

а	б
Рис. 36. Результаты эксперимента по коррозии железных предметов (изо­гнутой скрепки и гвоздя) в воде на дне фарфоровой тарелки. На рис. 36, а вокруг участков касания предметами дна тарелки видны ореолы бурых окислов железа; на рис. 36, б предметы убраны и видно, что под ними, во-первых, конфигурация ореолов в точности соответствует конфигурации участков касания, во-вторых, непосредственно в точках касания окислы железа отсутствуют

Эти простейшие эксперименты являются, по существу, клю­чевыми для понимания геологических процессов в земной коре, так как свидетельствуют об ускорении химических реакций в мик­ропористых средах, стремлении растворенных веществ перемес­титься из этих микропористых участков в более широкие свобод­ные пространства и образовать здесь коллоиды.

2.6.2. Роль осмотической составляющей СРПС в форме МДК‑эффекта в явлениях природы

2.6.2.1. Поддержание постоянной проницаемости горных пород в земной коре при метасоматических процессах

Существуют различные мнения о причине поддержания от­крытой пористости в горных породах при метасоматозе. (1950) отмечал, что «причины сохранения пор в горных породах недостаточно ясны. Вероятно, основное значение здесь имеет постоянное возобновление микроскопических трещи­нок, по которым совершается передвижение поровых растворов под воздействием тектонических напряжений и движений. Боль­шую роль должны также играть капиллярные силы и особые явле­ния на поверхностях соприкосновения кристаллических зерен си­ликатов, делающих их особенно проницаемыми для водных рас­творов» (с. 49). После этого высказывания он к данной проблеме не возвращался.

Ряд исследователей разрабатывали идею о существовании тонкой флюидной пленки, которая окружает растущие метасома­тические кристаллы и через которую компоненты диффундируют к граням кристаллов, а также выносятся компоненты окружающей породы. Эта гипотеза была выдвинута еще в 1918–1926 гг. Линдг­реном и Бодейлем. О причинах возникновения и устойчивости этой пленки питающего раствора существует две основные гипотезы. Первая из них основывается на открытом (1937, 1979) эффекте адсорбционного понижения прочности твердых тел при деформациях. Сущность эффекта заключается в том, что прочность твердых тел значительно понижается, если их разруше­ние будет сопровождаться проникновением в растущую трещину поверхностно-активных (понижающих свободную поверхностную энергию твердого тела) жидких сред, смачивающих поверхность разрушения в процессе ее образования. Возможность участия этого эффекта в геологических процессах предполагали и др. (1989) и (1989).

Как показано мной ранее (Шабалин, 2000), действие эффекта, обусловлено температурной составляющей силы разуплотнения поверхностного слоя воды (Т-СРПС). Действительно, Т-СРПС в определенной мере способствует увеличению проницаемости по­род в период тектонических подвижек при наличии водных раство­ров в зонах разломов. Но после завершения подвижек действие этой составляющей силы и соответственно эффекта Ребиндера прекращается, в то время как деятельность метасоматических процессов только начинается. Поэтому нельзя объяснить поддер­жание постоянной проницаемости пород при метасоматозе дейст­вием Т-СРПС.

Вторая гипотеза о причинах устойчивого существования меж­зерновой пленки водного раствора основывается на представле­нии о кристаллизационном давлении, создаваемом растущим ме­тасоматическим кристаллом на вмещающую его породу. Непо­средственно оно наблюдается, например, когда растущий в глине минерал выталкивает глинистые частицы на поверхность и по­этому оказывается чистым, не содержащим включений. Однако экспериментальные и теоретические данные о величине этого давления весьма противоречивы. Экспериментальные данные суммированные -Мальковым, и проведенные им же эксперименты (1959) дают величину кристаллизационного давле­ния от десятых долей г/см2 до 20 кг/см2. Причем такое различие наблюдается в проведенных разными исследователями экспе­ри­ментах на одних и тех же веществах. На основании теоретиче­ских соображений некоторые исследователи оценивают эту величину в 100 атм (Остапенко, 1984), или 600 атм (Поспелов, 1973), или даже 1370 атм (Ланда, 1979).