ФЛЮИДЫ - СОКИ ЗЕМЛИ

Природный флюид - это существенно гидротермальная фаза низкой плотности и вязкости, сложенная в разных пропорциях летучими компонентами (Н₂О, СО₂, СО, N₂, H₂, СН₄ и другие углеводороды), которая способна влиять на процессы природного минералообразования, либо непосредственно в них участвовать. Роль флюида в формировании горных пород и руд, в транспорте химических элементов огромна, особенно в закритической области.

Введение

В обычной жизни понятие "флюид" отражает нечто эфемерное, связанное с чувствами, а порой и с настроением человека. Но в естественных науках этот термин имеет вполне определенный физический смысл. В петрологии под термином флюид понимают газовое или жидкое вещество, отличающаяся от горных пород и силикатных магм более низкими значениями плотности и вязкости. Природный флюид - это прежде всего надкритическая гидротермальная фаза, сложенная смесью главным образом Н₂О и СО₂ с примесями СО, N₂, H₂, СН₄ и других углеводородов. Эта фаза способна переносить и отлагать химические элементы, растворяться в магматических расплавах, на порядки увеличивать скорости протекания многих геологических процессов. Столь "удивительная" роль флюидов была известна геологам еще в XIX веке. Однако теоретические, экспериментальные и эмпирические исследования сжатых газов и их смесей в течении последних 2-3 десятилетий привели к тому, что сегодня известно о них существенно больше. Без преувеличения можно сказать, что результаты этих исследований создали науку о природных флюидах, значение которой в развитии наук о Земле трудно переоценить.

Какими же сведениями необходимо располагать, чтобы количественно оценить состав глубинных флюидов, их конкретную роль в образовании и преобразовании горных пород под воздействием флюида, в перемещении и кристаллизации магматических расплавов? На эти и другие вопросы мы попытаемся дать ответ в предлагаемой читателю статье.

Что нужно знать о свойствах флюидов?

Чтобы понять рассмотренные выше удивительные свойства флюидной фазы при высоких значениях температуры (Т) и давления (Р), необходимо хотя бы в самом общем виде напомнить читателю способы познания его свойств на примере самых простых сжатых газов, таких как Н₂О и СО₂. Если бы свойства флюидов описывались законами идеального газа, то проблема бы не существовала: свойства всех газов описывались бы двумя-тремя примитивными уравнениями. Однако идеальных газов в природе нет. Каждый индивидуальный газ обладает специфической способностью к сжатию, т.е. сближения молекул. При сжатии мольный объем газа (V) уменьшается, а энергии их взаимодействия (Е) возрастает пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими молекулами. Между тем равновесное состояние сжатого газа i при данной температуре определяется минимумом потенциала Гиббса (свободной энергии), который является основой расчета термодинамических свойств реального газа на основе экспериментальных данных. Задача сводится к нахождению численной зависимости V_i от P   при каждой данной температуре. Для идеального газа энергия взаимодействия частиц равна нулю, а для смеси идеальных газов - пропорциональна их относительным концентрациям. Поэтому при расчете свойств газа за стандартное состояние принимаются свойства идеального газа (PV=RT, где R - газовая постоянная, равная C_p- C_v = 1.987 кал/бар/К, а C_p и C_v - теплоемкости при постоянных P и V, соответственно). Все реальные газы и их смеси имеют критические точки (рис.1), которым соответствуют такие значения Т и Р, выше которых различия в свойствах жидкости и газа стираются. Однако в любой точке РТ-поля присутствуют как жидко-подобные (Liq), так и газо-подобные (Gas ) молекулы, отношение концентраций которых строго определено. Устойчивое (равновесное) состояние флюида при данных Т и Р соответствует минимуму G для условия

Liq (жидкость) = Gas (газ).                                       (1)

По предложению Ландау [5] состояние этого равновесия следует рассматривать не только как функцию Т и Р, но и h, т.е. G = f[T,P,h]. Это значит, что сумма мольных долей (X_i) газо-подобных и жидко-подобных молекул во флюиде при любых значениях Т и Р равна единице, т.е. X_Liq+X_Gas = 1. Отсюда свойства флюида в стандартном состоянии определяются как X_Gas=1, или X_Liq =1. До критической точки (рис.1) соотношение X_Gas/X_Liq при данных Т и Р вдоль кривой кипения жидкости легко определить из экспериментальных данных по условию:

G = RTln(X_Gas/X_Liq) + DG^o₍₁₎ + DG^e₍₁₎= 0,                           (2)

где, G^o₍₁₎ - изменение стандартной энергии в реакции (1), а DG^e₍₁₎ - изменение энергии при смешении во флюиде жидко-подобных и газо-подобных молекул (G^e_i = G_i - G_i⁰(Т,P) - RTlnX_i). Однако по определению равновесие (1) должно устанавливаться в каждой из фаз.

Следующая страница