ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СУБМАРИННЫХ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМ

4.1.2. Эволюция состава системы при развитии гидротермального процесса - модель долгоживущей гидротермальной системы

рис.4.5

    Долгоживущие гидротермальные системы отличаются от короткоживущих двумя важными для рассматриваемой модели особенностями: 1) постепенным увеличением доли метасоматически измененных пород и, соответственно, падением доли неизмененных базальтов в недрах системы и скорости разрастания метасоматизированной зоны; 2) изменением состава метасоматитов под воздействием приноса одних химических компонентов морской водой и выноса других гидротермальным раствором. В разработанной нами модели эти явления воспроизводятся как результат прохождения многих последовательных порций раствора ("волн") через ступенчатый реактор (см. раздел 2.2), при этом добавки свежих базальтов на каждой ступени постепенно убывают согласно уравнению 2.11.

рис.4.6

    Данные расчета такой модели (вариант, соответствующий 1 "волне" на рис.4.1) приведены на рис.4.5 и 4.6. Главный результат развития процесса в нисходящей ветви гидротермальной системы состоит в постепенном разрастании области устойчивости I ассоциации под воздействием приноса окислителей (О₂, ) и Mg и выноса восстановителей (Н₂, Н₂S, CH₄) гидротермальным раствором. Граница между I и II ассоциациями постепенно смещается по линии тока вглубь системы, на ступени с более высокой температурой. Это наглядно видно по продвижению областей устойчивости гематита и ангидрита (см.рис.4.5) и сокращению полей устойчивости эпидота, актинолита, альбита, сульфидов. В составе раствора эволюция отражается на увеличении подвижности Mg и , поступающих с морской водой (см.рис.4.6).

рис.4.7

    Эволюция системы определяется в основном тем, что разрастание метасоматизированной зоны перпендикулярно стенкам трещин постепенно замедляется. Соответственно, уменьшается вступление в сферу реакции новых порций свежих базальтов, и П/В по ступеням реактора постепенно понижаются. Это влияет на переход в раствор компонентов, легко мобилизуемых раствором - таких, как S^II, К, Рb. Уменьшение П/В с каждой новой порцией раствора - "волной" приводит к снижению концентрации этих компонентов в формирующихся гидротермальных растворах (рис.4.7)¹. Существенно, что железо, концентрация которого в растворе определяется растворимостью алюмосиликатов, имеет другую динамику изменения - если в начале процесса раствор характеризовался соотношением S^II > Fe (см.рис.4.1в), то затем оно меняется на обратное (см.рис.4.7а). Интересная особенность поздней стадии развития системы - когда граница ассоциаций доходит до высокотемпературной области, в пределах II ассоциации равновесная концентрация сульфатов становится не такой маленькой, как ранее. На рис.4.6б видно, что для 800-й волны остаточное содержание  составляет около 2 ммоль/кг. При таких температурах могут уже сосуществовать в соизмеримых количествах (0, n ммоль/кг) и сульфат, и сероводород.

    Интенсивный вынос S^II имеет следствием растворение сульфидов, образовавшихся на первых шагах модели и сокращение областей их устойчивости (см.рис.4.5). При этом судьба рудных металлов - микроэлементов - Zn, Pb и Cu оказалась различной, и изменения их концентраций в растворе несинхронны. Эта особенность поведения рудных элементов хорошо видна по составу растворов на ступени реактора 370^o, отвечающего наиболее горячей части гидротермальной системы ("очагу") (см.рис.4.7б). Для этих элементов возможны 2 режима в зависимости от того - достигается ли на данной ступени насыщение относительно сульфидной твердой фазы, или нет. (1) Если при локальном равновесии раствора с метасоматитами сульфид элемента не образуется, концентрация элемента в растворе снижается с каждой волной пропорционально П/В - примером является поведение Zn и Pb при больших номерах волн (см.рис.4.7б). (2) Если же сульфидная фаза устойчива, то содержание рудного металла - микроэлемента зависит через произведение растворимости фазы от концентрации макроэлемента - серы. А поскольку содержание Н₂S при эволюции системы понижается, концентрация рудного металла растет - пример этого - поведение Cu (см.рис.4.7б)²

     Цинк и свинец для изображенного на рис.4.7б случая имеют двойственное поведение. В начальных "волнах" они характеризуются 2-м режимом поведения (здесь устойчивы сфалерит и галенит), а затем переходят в 1-й режим. В результате их содержания в растворе проходят через максимум на границе смены режимов (Zn - на 17-й волне, Pb - на 27-й). Очевидно, смена 2-го режима на 1-й должна быть общим свойством всех элементов, существующих в виде собственных сульфидов в области устойчивости II минеральной ассоциации. Последовательность смены режимов для рудных элементов зависит от их относительной подвижности в условиях равновесия со II минеральной ассоциацией. Ряд относительной подвижности согласно расчету модели "первой волны" имеет вид: Pb = Zn > Cu, что соответствует и результатам расчета "многоволновой" задачи (см.рис.4.7б).

    Различия в режиме поведения Zn и Cu при эволюции нисходящей ветви во времени имеют важное следствие. Если в первых "волнах" образующийся в модели гидротермальный раствор характеризуется соотношением Zn > Cu, то по мере эволюции концентрации этих элементов сравниваются, а затем соотношение меняется на Cu > Zn. В приведенном на рис.4.7б варианте расчета начальные концентрации Zn в растворе составляют 0,1-0,2 ммоль/кг Н₂О и затем снижаются до 0,014. Содержания Cu, напротив, растут от 0,00n до 0,09 ммоль/кг, и после 667-й волны, когда из минеральной ассоциации исчезает сульфиды меди, резко падают до уровня Zn. В рассчитанных вариантах модели, подобных рис.4.7б, но при других температурах и величинах П/В получены аналогичные инверсии (см. также [Краснов и др., 1990; Абрамова, Гричук, 1994; Гричук, 1996]). Таким образом, важным выводом из расчета модели является то, что в процессе жизнедеятельности гидротермальной системы должна происходить смена соотношения рудных металлов с Zn > Cu = Pb на Cu > Zn > Pb.