ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СУБМАРИННЫХ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМ

Глава 2. Методы термодинамического моделирования гидротермально-метасоматических процессов

    Постановка задачи. Взаимодействие вода-порода занимает центральное место в геологических процессах, происходящих с участием водных растворов, как гидротермальных, так и низкотемпературных. Именно это явление обеспечивает формирование химического состава металлоносных гидротермальных растворов и гидротермально-метасоматическое рудоотложение. Поэтому разработка методики моделирования взаимодействия вода-порода играет ключевую роль в создании термодинамических моделей гидротермального процесса.

    В разработке методик моделирования в настоящее время существует два основных направления. Одно из них нацелено на разработку метода моделирования, включающего динамику массопереноса и кинетику химических реакций (макрокинетический подход [Зарайский и др., 1989]). В последнее время в развитии теории этого подхода были достигнуты значительные успехи [Балашов, Лихтнер, 1991; Lichtner, Balashov, 1993; Steefel, Lasaga, 1994]. К сожалению, как показано в обзорной работе [Рафальский, 1993], недостаточность информации по кинетическим константам препятствует широкому применению макрокинетических моделей. Разработка в рамках такого подхода моделей, компонентность которых была бы достаточна для интересов геологических интерпретаций, представляет собой задачу достаточно отдаленного будущего.

    Другое направление - это разработка моделей, объединяющих динамику массопереноса и имитацию кинетики химических реакций через последовательность равновесных состояний систем (равновесно-динамический подход [Методы геохимического моделирования.., 1988]). Основная масса выполняемых в настоящее время работ по моделированию гидротермальных процессов относится к этому направлению. При использовании равновесно-динамического подхода в соответствии с принципами локального равновесия Д.С.Коржинского и частичного равновесия П.Бартона развитие процесса в пространстве и/или времени представляется как последовательность равновесных состояний химических систем, составы которых задаются динамическими и кинетическими соотношениями.

    Расчет равновесно-динамических моделей включает две фазы: а) задание последовательности состояний систем (динамическая составляющая) и б) расчет равновесных состояний этих систем (равновесная составляющая). Методы расчета равновесий многокомпонентных мультисистем уже хорошо разработаны [Карпов, 1981; Reed,1982; Методы геохимического моделирования.., 1988]. Существуют высокопроизводительные вычислительные программы (СЕЛЕКТОР, HCh, EQ3/6, CHILLER и др.), позволяющие рассчитать равновесия в системах произвольной сложности. Обеспечение исходной термодинамической информацией благодаря развитию банков термодинамических данных (SUPCRT92, UNITHERM и др.) достаточно для получения геологически интересных результатов.

    Основная методическая задача сейчас заключается в совершенствовании динамической составляющей моделей. Поскольку динамические характеристики модели зависят от свойств моделируемых геологических процессов, создание универсальной методики, пригодной для любого процесса, вряд ли возможно. Опыт работ кафедры геохимии МГУ показал, что для моделирования процессов в разных частях гидротермальных рудообразующих систем приходится применять различные методики моделирования (сценарии). В данной главе рассматриваются методики моделирования нескольких наиболее типичных для современных модельных исследований геологических ситуаций: а) образования инфильтрационных метасоматических колонок; б) формирования рудообразующих растворов в протяженных гидротермальных системах с преобладанием трещинной фильтрации; и в) рудоотложения при охлаждении гидротермальных растворов.

    В качестве объекта для демонстрации особенностей методик равновесно-динамического моделирования гидротермально-метасоматических процессов используется взаимодействие морской воды с толеитовыми базальтами. Это взаимодействие в настоящее время хорошо изучено экспериментальными и расчетными методами (см. главу 3). При моделировании метасоматических процессов такая задача дает довольно сложные результаты, и в ней проявляются соотношения, редко встречающиеся в более простых по минеральному составу задачах, например, при моделировании кислотного выщелачивания гранитоидов. Рудоотложение при охлаждении рассматривается на примере океанских гидротермальных систем, являющихся типичным примером гидротермально-осадочного рудообразования (см. также главы 3 и 4).

    Для расчетов, иллюстрирующих применение различных методик в данной главе использовалась 15-элементная мультисистема (H-O-K-Na-Ca-Mg-Fe-Al-Si-C-S-Cl-Cu-Zn-Pb), включающая 45 минералов постоянного состава и 55 растворенных частиц, подробно описанная в разделе 3.4.2. При расчетах изотермических задач (T = 350^oС, P = 500 бар) в качестве исходного раствора была взята морская вода измененного состава - приведенная в равновесное состояние для этих условий (учтено, что при нагреве до 350^oС из морской воды осаждаются ангидрит и брусит). В задачах охлаждения гидротермального раствора в качестве исходного был взят модельный гидротермальный раствор, близкий по составу к реконструкциям растворов "курильщиков". Использованные составы пород и растворов приведены в таблице 2.1.

    Классификация химических реакторов. Рассматриваемые равновесно-динамические модели топологически имеют много общего с аппаратами, используемыми в химической технологии. Теория химических реакторов в химической технологии хорошо разработана [Денбиг, 1968; Общая химическая технология, 1977], и некоторые ее положения могут быть применены при моделировании геологических процессов. Для дальнейшего обсуждения полезна, в частности, классификация химических реакторов.

Рис 2.1

    Химические реакторы классифицируются по ряду признаков, в том числе: по способу заполнения, характеру движения реакционной среды, тепловому режиму и т.д. По способу заполнения реакторы делятся на периодические - заполняемые до начала химического процесса и опорожняющиеся после его завершения, и непрерывные (проточные), в которых вещества вводятся и выводятся в ходе процесса. По характеру движения вещества непрерывные реакторы делятся на реакторы смешения и реакторы вытеснения; предельные случаи называются идеальным смешением и идеальным (поршневым) вытеснением. Реальные реакторы вытеснения отклоняются от идеального случая вследствие многих причин: продольной диффузии, гидродинамической дисперсии, пристеночных гидродинамических эффектов и т.д. По тепловому режиму выделяются изотермические, политермические, адиабатические и др. типы реакторов. Реакторы могут быть составными, и в зависимости от конструктивного оформления либо объединяться в каскады реакторов, либо разделяться на ступени (ячейки, ректификационные тарелки и т.п.). Принципиальные схемы основных типов реакторов приведены на рис.2.1.

    Процессы в каждом из этих типов реакторов описываются собственной характеристической системой уравнений. Утверждается [Основы химической технологии, 1991, стр.79], что непрерывные реакторы вытеснения (см.рис.2.1в) могут быть аппроксимированы ячеистой моделью - в виде каскада реакторов идеального смешения (см.рис.2.1г) с большим количеством ячеек.

    Отметим также, что стационарный режим в непрерывных реакторах отличается от режимов пуска - остановки и описывается разными системами уравнений.