Автор: Николаева Ирина Юрьевна
Название работы: Экспериментальное исследование форм переноса бора в условиях низко- и среднетемпературного гидротермального процесса
|
Присвоенная ученая степень: кандидат геолого-минералогических наук
Специальность: 25.00.09 - геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых.
Классификационный индекс:
Ведущая организация:
Руководитель:
доцент кандидат геолого-минералогических наук Бычков Андрей Юрьевич;
Оппонент:
профессор доктор химических наук профессор;
ст. н. с. кандидат геолого-минералогических наук Шилобреева Светлана Николаевна;
Место защиты:
Дата защиты: 10 апреля 2009
Издательство: Москва
Количество страниц:
Язык: русский
Содержание работы:
Введение.
Глава 1. Геохимия бора в гидротермальном процессе.
Глава 2. Термодинамические свойства твердых фаз в системе B2O3-H2O.
Глава 3. Экспериментальное исследованиие форм переноса бора в парогазовой фазе.
Глава 4. Распределение бора между газовой и жидкой фазами: экспериментальные и расчетные данные.
Глава 5. Распределение бора между газовой и жидкой фазами в современных гидротермальных источниках Камчатки.
Заключение.
Список работ по теме диссертации.
|
Реферат:
Перенос компонентов в газовой фазе широко обсуждается в геохимической литературе. Обнаружены свидетельства большого значения газового транспорта при формировании гидротермальных
месторождений. Экспериментальных данных, пригодных для расчета термодинамических характеристик форм переноса компонентов в газовой фазе пока недостаточно, что ограничивает
возможности построения термодинамических моделей.
Исследование явления газового переноса можно проводить по нескольким направлениям: лабораторные эксперименты и изучение природных систем. Экспериментальные исследования растворимости
минералов позволяют определить формы переноса и рассчитать их термодинамические характеристики. Для согласования результатов различных экспериментальных методов используются
термодинамические расчеты. Исследования современных гидротермальных систем дают важную информацию о процессах, которые могут приводить к формированию рудных месторождений.
Если для древних объектов условия рудообразования и составы рудообразующих флюидов требуют реконструкции, то на современных объектах они могут быть изучены непосредственно.
Поэтому современные гидротермальные системы считаются природными лабораториями, где можно проверить основные идеи и гипотезы о рудообразовании.
На кафедре геохимии проводятся исследования переноса рудных и нерудных компонентов в газовой фазе. Бор один из элементов, для которых перенос в газовой фазе имеет важное
геохимическое значение. Вулканические газы выносят значительные количества бора. В низкотемпературном гидротермальном процессе бор накапливается во вторичных конденсатах.
Термальные воды областей современного вулканизма содержат высокие концентрации борной кислоты. Вместе с тем, летучесть борной кислоты и термодинамические свойства соединений
бора изучены недостаточно. Литературные данные часто противоречат друг другу и приводят к неправильным выводам об устойчивости фаз. Так, использование термодинамических свойств
для системы B2O3-H2O из известных баз данных показывает, что при нормальных условиях должна быть устойчива не борная, а метаборная кислота, что противоречит наблюдениям.
Цель работы определение основных закономерностей поведения бора в условиях низко- и среднетемпературного гидротермального процесса при формировании геотермальных систем,
связанных с современным вулканизмом на континенте.
Для этого решались следующие задачи:
исследование топологии диаграммы состояния и согласование термодинамических данных для системы B2O3-H2O. Определение областей устойчивости орто- и метаборной кислот;
изучение растворимости борных кислот в газообразной воде при разных температурах;
экспериментальное изучение распределения борной кислоты между жидкостью и газом при повышенных температурах;
разработка методики отбора и опробование сосуществующих парогазовой и водной фаз из парогидротерм Камчатки: кальдеры Узон, Долины Гейзеров, Академии Наук (вулкан Карымский),
Дачные, Медвежьи и Донное поле (вулкан Мутновский) и определение концентраций бора в газах и воде источников;
интерпретация результатов экспериментов и природных данных и определение реальных форм нахождения бора в газовой фазе.
Научная новизна. Экспериментальные исследования растворимости борных кислот в газообразной воде при повышенных давлениях раньше не проводились. Изучение состава конденсата
современных гидротермальных систем является новой геохимической информацией. В работе разработана новая и оригинальная методика опробования термальных источников, которая
позволила уменьшить вклад факторов, искажающих результаты: загрязнение каплями раствора и частичную конденсацию.
Практическая значимость. Построена диаграмма состояния одновариантной мультисистемы B2O3-H2O, в которой учтены все экспериментальные данные. Согласованы и исправлены согласно
фазовым равновесиям термодинамические данные для метаборита и сассолина. Эти данные рекомендованы для использования в расчетах.
Установлено, что при повышенных давлениях в парогазовой фазе не образуется других форм переноса бора, кроме H3BO3 и возможно HBO2. Термодинамические характеристики газообразных
форм бора согласованы с коэффициентами распределения в системе газ-жидкость. Эти данные могут быть использованы в расчетах геологических и технологических процессов.
Предложено использовать распределение бора между газом и жидкостью в современных гидротермальных источниках как геохимический индикатор присутствия в недрах системы пародоминирующей
зоны и оценки температуры глубинного кипения вод. Это имеет важное значение для поиска и оценки месторождений термальных вод для геотермальной энергетики.
Фактический материал и методы исследования. Работа проводилась в лаборатории экспериментальной геохимии кафедры геохимии МГУ. За время работы было поставлено более 250 опытов
при шести изотермах, выполнено более 600 определений бора в смывных растворах. Проведено более 150 опытов по определению распределения бора между жидкой и газовой фазами.
Проведено 6 полевых экспедиций в 2002-2007 годах на современные гидротермальные системы Камчатки, за время которых было отобрано 170 проб конденсатов и 185 проб воды. Для
всего объема отобранного материала (природных вод и конденсатов) были проведены аналитические определения 57 элементов методом ICP-MS.
Личный вклад автора заключался в постановке задачи, проведении всех экспериментальных и аналитических работ, обработке результатов и их интерпретации.
Структура и объем работы. Диссертация объемом 135 страниц состоит из введения, пяти глав, заключения. Список литературы включает 112 наименований. В работе 75 рисунка, 5 таблиц
и 10 приложений.
Апробация работы. Результаты исследования опубликованы в 2 статьях в журналах рекомендованных ВАК РФ. Материалы докладывались на Ежегодном семинаре по экспериментальной минералогии,
петрологии и геохимии Москва 2002, 2003, 2004, 2006, 2007, 2008, на XV Российском совещании по экспериментальной минералогии Сыктывкар 2005, Международной конференции
"Новые идеи в науках о Земле" Москва, 2003, 15 Международной Гольдшмидтовской конференции Москва (США), 2005, на семинаре международной программы научного бурения на континентах,
Петропавловск- Камчатский, 2006.
Защищаемые положения
1. На основании построения диаграммы состояния системы B2O3-H2O и ее топологического анализа согласованы термодинамические свойства метаборита, сассолина и борного ангидрита.
Поле устойчивости метаборита ограничено снизу по температуре, что объясняет присутствие этого минерала только в метаморфических породах. При температуре ниже 138оС этот минерал
не стабилен.
2. Впервые определена растворимость борной и метаборной кислот в парогазовой фазе при температурах 100-200оС и давлении до насыщения по жидкой фазе. Определена основная форма
переноса бора в этих условиях - Н3BO3. Рассчитаны термодинамические характеристики этой частицы, которые хорошо согласуются с результатами предыдущих исследователей.
3. Распределение бора между газом и жидкостью в современных гидротермальных системах характеризуются широким интервалом значений коэффициента распределения. Выявлено, что
для гидротерм, где происходит подъем парогазовой смеси с глубины (скважины ГеоЭС, источники Долины Гейзеров и часть источников Кальдеры Узон и Верхне-Апапельские источники)
преобладают коэффициенты распределения близкие к экспериментальным данным. Для термальных источников, в которых разгружаются паровые струи, газовая фаза содержит существенно
более высокие концентрации бора, чем рассчитанные по термодинамическим данным в системе B2O3-H2O.
Благодарности
Автор выражает признательность своему научному руководителю, А. Ю. Бычкову за всестороннюю помощь в проведении работы, Д. А. Бычкову за содействие в интерпретации полученных
результатов и проведении термодинамических расчетов, Ю.В. Алехину за полезное обсуждение полученных результатов и точные замечания. Автор благодарит А.В.Зотова, Н.Н. Акинфиева,
В.В. Реукова за предоставленные автоклавы и активное участие в обсуждении результатов; Т.В.Шестакову, А.А. Мигдисова, Г.С. Покровского, В.В. Пухова, Н.Ф. Пчелинцеву, Я.В.
Бычкову за помощь в освоении и проведении различных аналитических исследований в ходе выполнения работы; А.Е.Самсонова за техническую поддержку на всех этапах работы; О.В.
Димитрову, Н.В. Зубкову и Д.А. Ксенофонтова за неоценимую помощь в кристаллографических определениях получаемых фаз; А.И. Пушкина за переводы с немецкого. Особенно хочется
поблагодарить Г.А. Карпова, Е.Г. Лупикину, Д.Ю. Кузьмина, А.Г. Николаеву, А.А. Кузьмину, И.И. Чернева, С.А. Чиркова, Ю.Д. Кузьмина, В.М. Ладыгина, А.В. Самсонова, Г.М. Гавриленко,
Ю.О. Егорова, Д.В. Мельникова, Е.Г. Сидорова, Я.Д. Муравьева, В.В. Зуйкова, сотрудников Карымшинской станции и многих других прекрасных людей за неоценимую помощь в проведении
полевых работ на Камчатке. Исследования проводились при финансовой поддержке РФФИ (00-05-64266-а, 03-05-06157-мас, проект 03-05-64696-а, 06-05-65156-а, 06-05-79107-к, 08-05-00581-а).
|
Библиография:
1. Николаева И.Ю., Бычков А.Ю. Экспериментальное исследование растворимости метаборита и сассолина в водяном пару при 200 и 155оС Ежегодный семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии, тез. докл., М., 2002, с.29-30. 2. Николаева И.Ю., Бычков А.Ю. Экспериментальное исследование форм переноса бора в газо-паровой фазе системы B2O3-H2O. // Ежегодный семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии, тез. докл., Москва, 2003, с. 52-53. 3. Бычков А.Ю., Николаева И.Ю. Распределение бора в системе жидкость-газ и поведение борной кислоты в гидротермальной системе Узон (Камчатка). // Новые идеи в науках о Земле. матер. конф., М., 2003, т.2, с.138. 4. Бычков А.Ю., Николаева И.Ю. Растворимость сассолина и метаборита и формы переноса бора в газо-паровой фазе. // Новые идеи в науках о Земле. матер. конф., М., 2003, т.2, с.158. 5. Николаева И.Ю., Бычков А.Ю. Экспериментальное исследование распределение борной кислоты между газом и жидкостью и сопоставление с природными наблюдениями. // Ежегодный семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии, тез. докл., Москва, 2004, с. 51. 6. Nikolaeva I.Y.; Bychkov A.Yu. Experimental study of boron transport in vapor phase to 200оC // Geochimica et Cosmochimica Acta Supplement, Vol. 69, Issue 10, Supplement 1, Goldschmidt Conference Abstracts 2005., p.A740. 7. Николаева И.Ю., Бычков А.Ю. Экспериментальное исследование форм переноса бора в паро-газовой фазе. XV Российское совещание по экспериментальной минералогии, материалы совещания, Сыктывкар, 2005, с. 385-386. 8. Некрасов С.Ю., Николаева И.Ю., Бычков А.Ю. Экспериментальное исследование растворимости бората кальция при 250-350оС Ежегодный семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии. Тезисы докладов, М., 2006, с.56. 9. Николаева И.Ю., Бычков А.Ю. Распределение бора между газом и жидкостью в современных гидротермальных системах. Ежегодный семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии. Тезисы докладов. М., 2006 с.56-57. 10. Николаева И.Ю., Бычков А.Ю., Кузьмин Д.Ю. Распределение компонентов между газом и жидкостью в гидротермальных источниках Мутновского вулкана // Семинар международной программы научного бурения на континентах (ICDP). Взаимосвязь магматической системы вулкана Мутновский и Мутновского геотермального месторождения, Петропавловск- Камчатский, 2006. 11. Некрасов С.Ю., Николаева И.Ю., Бычков А.Ю. Экспериментальное исследование растворимости бората кальция при 250-350оС Вестник Отделения наук о Земле РАН, 2006, 1, с.1-2. 12. Николаева И.Ю., Бычков А.Ю. Распределение бора между газом и жидкостью в современных гидротермальных системах. Вестник Отделения наук о Земле РАН, 1, с.1-2. 13. Николаева И.Ю., Бычков А.Ю. Распределение элементов между газовой и жидкой фазами Мутновской геотермальной системы (Камчатка) // Ежегодный семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии. Тезисы докладов, М.: 2007, с.62. 14. Николаева И.Ю., Бычков А.Ю. Распределение бора между газовой и жидкой фазами гидротерм Мутновского вулкана (Камчатка) // Вестник КРАУНЦ, 2007, т.9, 2, с.3-13. 15. Николаева И.Ю., Бычков А.Ю. Распределение компонентов между газом и жидкостью в современных гидротермах Камчатки и газовый перенос элементов // Вестник отделения наук о земле РАН, 2008, 1(26) 16. Карпов Г.А., Лупикина Е.Г., Николаева А.Г., Бычков А.Ю., Лапицкий С.А., Николаева И.Ю. Динамика изменения гидрогеохимических характеристик, теплового режима и биоценозов пресных и термальных вод бассейна озера Карымское после катастрофического подводного извержения 1996г. в кальдере Академии Наук (Камчатка) // Вулканология и сейсмология, 2008, 5, с.3-21.
|
|
