Загадки самых крепких рассолов нашей планеты

Равновесно-неравновесное состояние системы рассолы-горные породы

Изучение физико-химического равновесия крепких рассолов с минералами водовмещающих горных пород представляет самостоятельную достаточно сложную проблему. В силу исключительно высокой их ионной силы применение обычных методов термодинамики невозможно. В этой связи в нашем институте была разработана специальная программа расчета таких равновесий Hydrogeo, в основание которой положена методика Питцера расчета коэффициентов активности ионов и воды. Математическая база программы расчета таких равновесий на ЭВМ разработана М.Б.Букаты (19971).

Проведенными расчетами установлено наличие по крайней мере двух типов равновесия в системе крепкие рассолы- минералы горных пород. Один из них связан с минералами осадочного генезиса, включая сульфатные и хлоридные соли, и отличается наличием практически постоянного равновесия в рассматриваемой системе. Любые рассолы либо всегда равновесны с такими минералами, как, например, кальцит, ангидрит, доломит, сидерит, либо это равновесие устанавливается выше определенного значения соленности, например, с галитом, стронцианитом, сильвином - при общей минерализации >300 г/л (Букаты, 19972).

Любопытно, что установление физико-химического равновесия рассолов с этими минералами не прекращает процесс взаимодействия в рассматриваемой системе по той простой причине, что характер равновесия с отдельными минералами, участвующими в процессах взаимодействия, не контролирует вывод из системы части продуктов конкретной реакции. Например, наличие или отсутствие равновесия конкретного рассола с гипсом не влияет на процесс восстановления сульфатов, образование H₂S и, соответственно, продолжения процессов взаимодействия в этой системе.

Таким образом, нами показано, что взаимодействие рассолов со многими минералами осадочного генезиса происходит в условиях физико-химического равновесия непрерывно в течение геологически длительного времени и приводит к глубокой метаморфизации рассолов. Примером служит приведенная выше реакция (3), которая с первых этапов захоронения маточных рассолов на морском дне протекает в условиях равновесия ангидрита, кальцита и доломита с рассолами, но при этом обеспечивает их трансформацию из Cl-Na-Mg типа в Cl-Ca или Cl-Ca-Na.

Приведенный пример раскрывает одну из новых граней фундаментальной проблемы взаимодействия водных растворов с горными породами в земной коре. Взаимодействия, которые протекают и в условиях равновесия. По И.Пригожину и И.Стенгерсу (1986) в случае термодинамического равновесия системы ее элементы (молекулы) ведут себя независимо один от другого, так как каждый из них "игнорирует" все остальные и ведет себя пассивно. Такие элементы системы авторы предлагают называть гипнонами, т.е. пребывающими в гипнотически-спящем состоянии. Переход системы в неравновесное состояние по их мнению "пробуждает" гипноны, между которыми устанавливается когерентная связь, и они начинают взаимодействие между собой. Оказывается, что природа сложнее и в ней имеется немало случаев, когда взаимодействие продолжается и в условиях физико-химического равновесия. Естественно, что это возможно только в открытых системах.

Другой тип равновесия рассолов установлен с минералами алюмосиликатных горных пород эндогенного (глубинного) генезиса, с которыми все разновидности рассолов оказываются всегда и в течение всей геологической истории неравновесными. Чтобы разобраться в этом феномене, приведем конкретный пример.

Если написать реакцию гидролиза анортита в виде:

CaAl₂Si₂O₈ + H₂O + 2CO₂ = Al₂Si₂O₅ (OH)₄ + Ca²⁺ + 2HCO₃^- , (4)

а реакцию растворения кальцита в форме

CaCO₃ + H₂O + CO₂ = Ca²⁺ + 2HCO₃^- (5)

и рассчитать их константы, то увидим, что они определяются концентрациями одних и тех же компонентов и при 25⁰С соответственно равны

(6)

(7)

Нетрудно видеть, что константы различаются только тем, что в первом случае P возведено в квадрат. В то же время значения констант равновесия разнятся на семь математических порядков. Из этого следует, что в одних и тех же геохимических и термодинамических условиях концентрирование рассматриваемых компонентов приведет к насыщению раствора, в первую очередь, кальцитом, выпадение которого будет служить барьером на пути установления равновесия раствора с анортитом. Последнее наглядно видно на рис. 4, на котором точки реального состава рассолов ложатся несколько выше линии насыщения кальцитом, но далеко от такой же линии равновесия с анортитом.

Рис.4 Степень насыщения рассолов разной минерализации относительно кальцита и анортита.

Следовательно, в реальных природных условиях формируется противоречивая равновесно-неравновесная система, в которой один минерал (анортит) растворяется, а второй (кальцит) формируется. Из-за этого невозможно установление физико-химического равновесия между раствором и анортитом, который поэтому растворяется непрерывно с той или иной скоростью и служит неограниченным источником кальция. При этом последний может полностью переходить в кальцит и тогда видимых изменений состава раствора не будет происходить, либо частично концентрироваться в растворе, что зависит от характера геохимической среды (Шварцев, 1998, Shvartsev, 1995).

Следовательно, рассолы, как и другие подземные воды, образуют с горными породами внутренне противоречивую равновесно-неравновесную систему, саморазвитие которой обеспечивает геологически длительное взаимодействие, непрерывное растворение одних минералов и формирование других, и как следствие - избирательное концентрирование отдельных элементов в водной фазе. Тем самым в системе рассол - горная порода вскрывается наличие важнейшего механизма ее внутреннего саморазвития, играющего огромнейшую роль не только в формировании рассолов, но и всего окружающего нас мира (Шварцев, 1995, 1997, 1998).

далее>>