Серия "Науки о Земле". Том 74. Электронная микроскопия в минералогии

В книге обобщены новейшие достижения электронной микроскопии, в частности, приведены сведения о ее применении в минералогии. Авторы книги — наиболее авторитетные специалисты по отдельным вопросам теории, эксперимента и применения электронной микроскопии в различных областях исследований. Рассматриваются трансмиссионная электронная микроскопия высокого разрешения, высоковольтная и сканирующая электронная микроскопия, дифракция электронов, микрорентгеноспектральный анализ, теория контраста и высокого разрешения изображений, методики универсального препарирования и т. д.

Книга чрезвычайно полезна для работников лаоорато-рий электронной микроскопии вне зависимости от их профиля, минералогов, петрографов, металлургов, материаловедов, а также преподавателей, аспирантов и студентов соответствующих  вузов.

Предлагаемая вниманию читателей книга примечательна во многих отношениях. Она отличается новизной и оригинальным содержанием, необычным составом авторов, что оказало определенное влияние на ее построение и характер изложения. В книге нашел отражение тот качественный скачок в развитии электронной микроскопии (ЭМ) вообще и в ее применениях в минералогии в частности, который произошел в начале семидесятых годов. Здесь собран свежий научный и фактический материал, которого пока еще нет в других книгах по электронной микроскопии,— его можно найти лишь в отдельных публикациях, рассеянных по многочисленным периодическим изданиям и сборникам последних лет.Побудительными причинами резкого изменения содержания и глубины исследований, преобразившими облик современной электронной микроскопии, явились реализация возможностей получения картин высокого разрешения (ВР), разработка методики ионного утонения в препарировании, сочетание электронной микроскопии со спектрально-химическими видами анализа, все более широкое распространение высоковольтных электронных микроскопов. Под влиянием отмеченных факторов электронная микроскопия минералов вышла за пределы традиционных задач и объектов, и демонстрация  этого процесса,  пожалуй,  составляет  основной смысл данной книги.В качестве самого значительного явления в современной электронной микроскопии, наиболее перспективного для ее будущего, следует рассматривать достижение таких высоких разрешений, которые позволили осуществить переход от изучения детальных морфологических особенностей микрообъектов к прямому наблюдению сначала кристаллических решеток и их дефектов, а затем и реальных особенностей расположения атомов в решетках и независимо от решеток с разрешением порядка 1 А. Осуществление таких возможностей пока еще относится к немногочисленным объектам и работам, но уже полученные результаты (для турмалинов, в системе окислов ниобия и титана и др.) вызывают изумление и гордость, что, возможно, является временным чувством, так как, вероятно, уже в недалеком будущем подобные факты станут ординарными. Достижения ЭМВР не являются автоматическим следствием использования совершенных приборов и действия искусных операторов. Они подразумевают необходимость глубокого знания теории формирования изображений высокого разрешения и умения их расчетно моделировать для заданных экспериментальных условий. Поэтому вполне закономерно, что прогресс в технике электронной микроскопии сопровождался развитием теории контраста и разрешения и наоборот. Чрезвычайно ценно, что в книге уделено внимание методическим и теоретическим аспектам ЭМВР, без которых в настоящее время немыслима высокая квалификация специалистов в данной области.Современная электронная микроскопия фактически стала универсально применимой ко всем минералогическим объектам благодаря тому, что методы суспензий, реплик, декорирования дополнились ионным утонением полированных шлифов в заданной кристаллографической ориентировке. В сферу действия электронной микроскопии помимо слоистых и волокнистых минералов, обладающих высокой дисперсностью или хорошей спайностью, вошли соединения, размеры кристаллов и степень анизотропии свойств которых уже более не выступали ограничением прямому применению ТЭМ (трансмиссионной электронной микроскопии). Практика ТЭМ обогатилась огромным разнообразием структурных и химических типов минералов — каркасных и островных силикатов, карбонатов, окислов, сульфидов, простых соединений и|т. д. Во всех случаях эффективность исследования возрастала при сочетании методики ионного утонения с использованием высоковольтных электронных микроскопов благодаря увеличению проницаемости препаратов для электронов.Указанные два фактора (препарирование с ионным утонением и повышение ускоряющих напряжений до значений, измеряемых мегавольтами) привели не только к чисто количественному расширению круга объектов (в том числе минералогических), доступных ТЭМ. Новые минералогические объекты вызвали к жизни новые проблемы, относящиеся к специфике их физико-химических и физико-механических свойств. В итоге электронная микроскопия минералов наполнилась новым содержанием, а существующие научные направления обогатились теми исключительными возможностями в разрешении микроособенностей объектов, которыми располагает электронная микроскопия, и дополнительными, ранее недоступными экспериментальными данными.Именно таким образом возник новый раздел электронной микроскопии минералов, направленный на изучение пространственного размещения и кристаллографического соотношения структурно-химических и кристаллографических неоднородностей в породах. В самой общей форме его можно было бы обозначить как «электронную петрографию», но ближе всего он относится к более узкой проблеме распада твердых растворов. Электронная микроскопия возвела эту область научного исследования на более высокий, немыслимый ранее уровень, так как предоставила возможность точного анализа всего непрерывного интервала состояний вещества — от равномерного распределения изоморфно замещающих друг друга атомов через спино-дальные структуры до сочетаний микровыделений самостоятельных фаз. В этой области электронная микроскопия стала источником ценных данных, уточняющих положение |минеральных веществ на диаграммах состояния и позволяющих восстанавливать термодинамическую историю формирования пород.Расширившиеся методические возможности электронной микроскопии позволили распространить на минералы опыт исследования доменного строения и дефектов кристаллов, который был накоплен в металловедении. Этот процесс оказался нетривиальным из-за свойственных минералам существенных отличий в условиях существования в природе, физико-химических свойствах, типах кристаллических решеток и видах симметрии. Однако связанные с этим трудности с лихвой окупились той оригинальной информацией о реальном строении минералогических объектов, которая была получена в результате анализа вариаций дифракционного контраста в электронно-микроскопических изображениях. .Особенности распределения доменов, их размеры, кристаллографическая ориентировка границ и решеточные соотношения, типы дислокаций, сложная|картина их рождения, движения и скопления составили новый, доступный анализу и интерпретации фактический материал, запечатлевший последствия механических, термических и химических воздействий, испытанных породами, и тем самым раскрывающий существенные черты истории возникновения и условий существования минералов. В минералогию из области материаловедения вошли новые понятия и представления, но и материаловедение, как наука, наполнилось новым содержанием благодаря большому объему данных по минералам, являющимся продуктами огромного разнообразия природных процессов.Указанные аспекты электронной микроскопии в минералогии занимают в книге центральное место. Но в ней также имеются разделы, посвященные общпм основам электронной микроскопии, дифракции электронов, принципам аналитической электронной микроскопии, методикам препарирования, использованию разнообразных приставок. Таким образом, ее основное содержание подкрепляется необходимым вспомогательным материалом. В то же время по характеру и полноте рассмотрения отдельных вопросов изложение оказалось разнородным, и это связано с другой ее характерной особенностью — большим авторским коллективом.Привлечение для создания книги международного коллектива из 60 авторов из 9 стран имело свои значительные преимущества. Оно позволило в кратчайший срок решить большую и трудоемкую задачу — собрать воедино и опубликовать актуальный материал в условиях, когда временной фактор нграет первостепенную роль. Как правило, разделы составлялись авторитетными и компетентными специалистами, опиравшимися на результаты собственных исследований, в которых они, естественно, должны разбираться лучше, чем посторонние референты. Среди авторов — выдающиеся ученые, основоположники целых научных направлений (С. Амелинкс, Дж. М. Каули), блестящие специалисты, прославившиеся высшими достижениями в электронной микроскопии (С. Иидзима, X. Хасимото), ряд ученых-новаторов, внедряющих в сферу наук о Земле и о веществе земной коры идеи и достижения смежных наук и методов электронной микроскопии (Г.-Р. Венк, П. Э. Чэмп-несс и др.).Следует, однако, признать, что при таком коллективном сотрудничестве неизбежны и некоторые издержки. При всех своих достоинствах отдельные авторы не могли не отличаться научным воспитанием, индивидуальным опытом, вкусами и даже свободой владения английским языком. Составленные ими тексты не одинаковы по полноте, детальности, стилю и ясности изложения. Кроме того, на характер изложения наложило отпечаток то обстоятельство, что некоторые авторы, будучи представителями других отраслей науки и техники, пришли в круг минералогических проблем со своим специфическим языком и терминологией, не сделав должных попыток дать понять себя читателям, не имеющим специальной подготовки. Разумеется, с течением времени подобные трудности исчезнут и возникнет общий научный язык, но это будет результатом взаимного проникновения и взаимного влияния стыкующихся научных направлений. В этом свете данную книгу можно рассматривать как один из первых шагов в реализации указанного процесса. Для усвоения ее содержания в отдельных случаях нужно будет обращаться к дополнительным источникам научной информации.Как уже отмечалось выше, главное достоинство книги — новизна излагаемого материала. В этих условиях читателю надо быть снисходительным и к тому, что изложение местами носит фрагментарный характер. По самой своей сути на начальной стадии развития научных направлений новые проблемы не могут быть разработаны в одинаковой степени последовательно и завершение Слияние частных моментов в гармоничное единое'целое должно еще только произойти в будущем, но тогда и степень новизны незначительной мере будет утрачена, а информация, несомая книгой, устареет.   С полным основанием можно полагать, что книга по применению электронной микроскопии в минералогии окажется полезной не только минералогам и геологам, которым она раскрывает новые горизонты, но и всем специалистам, заинтересованным в совершенствовании и повышении уровня электронно-микроскопических исследований.