Все о геологии :: на главную страницу! Геовикипедия 
wiki.web.ru 
Поиск  
  Rambler's Top100 Service
 Главная страница  Конференции: Календарь / Материалы  Каталог ссылок    Словарь       Форумы        В помощь студенту     Последние поступления
   Геология >> Геология океанов и морей | Книги
 Обсудить в форуме  Добавить новое сообщение

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СУБМАРИННЫХ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМ

Д.В.ГРИЧУК

Москва 1999

Содержание

6.4.1. Изотермическое кипение раствора в контакте с породой - модель "очага" гидротермальной системы

рис.6.6

    В этом сценарии рассчитаны равновесные составы системы "толеитовый базальт-гидротермальный раствор-пар" как функция давления в системе. Расчет проведен для температуры 350oС, которая уже достаточно высока для "очага" гидротермальной системы, но еще позволяет получить приемлемое качество термодинамических данных по растворенным частицам. В качестве исходного состава для раствора взят расчетный состав, полученный в модели нисходящей ветви (глава 4) при условиях: Т = 350oС, Р = 500 бар, П/В=0,496, 1-я "волна".(табл.6.7). Диапазон давлений в модели кипения - от 190 до 130 бар (для чистой воды при 350o Ркип= 165,2 бар), что позволило перекрыть значительный интервал по степени выкипания. Количество породы в контакте с кипящим раствором задано 0,1 кг/кг р-ра, что соответствует принятому для такой температуры в модели нисходящей ветви. Полученный набор равновесных состояний системы может интерпретироваться как ступенчатое снижение давления в закрытой системе ("автоклав со сбросом давления").

    Результаты моделирования показаны на рис.6.6. Кипение в системе начинается при снижении давления до 165 бар. Это давление близко к точке кипения для чистой воды (165,2 бар) вследствие наложения двух разнонаправленных эффектов - повышения давления кипения за счет солености раствора (примерно на 5 бар) и снижения давления за счет примеси газов. Дальнейшее понижение давления приводит к быстрому росту доли паровой фазы в системе (см.рис.6.6а), которая достигает 50o/o от массы флюида при 155 барах и 88o/o - при 130 барах. Кипение сопровождается ростом концентрации солей в жидкой фазе - при начальной величине минерализации 33 г/кг она удваивается к 155 барам и достигает 260 г/кг при 130 барах (см.рис.6.6б).

    На рис.6.6б для сопоставления приведены расчетные данные для кипения в системе NaCl-H2O (при концентрации NaCl 0,587 моль/кг H2O, соответствующей минерализации модельного гидротермального раствора) и экспериментальные данные по кипению в системе NaCl-H2O, полученные Дж.Бишоффом и К.Питцером [Bischoff, Pitzer, 1989]. В многокомпонентной системе кипение начинается раньше - при 165 барах, чем дает расчет для бинарной системы (159 бар) и эксперимент для солености 35 г/кг (161 бар) вследствие влияния растворенных газов. Доля воды в паровой фазе в точке кипения для гидротермального раствора оказалась 98,6o/o. При понижении давления до 160-155 бар модельная система приближается к бинарной, поскольку при возрастании массы паровой фазы мольная доля Н2О в ней стремится к 100o/o. При давлениях раствора ниже 150 бар расчет для многокомпонентного раствора несколько больше отклоняется от бинарной системы в сторону повышения минерализации - вероятно, вследствие накопления в растворе хлоридов Ca и K (доля их здесь превышает 20o/o от суммы солей). В целом, концентрации растворов в модели кипения гидротермального флюида лежат между расчетной и экспериментальной кривой для бинарной системы NaCl-H2O. Принимая во внимание сложный состав модельного раствора и принятые в термодинамической модели допущения, такое соответствие следует признать вполне удовлетворительным.

    В расчете проявилась характерная особенность кипения в многокомпонентной системе с сильно летучими компонентами - кипение начинается на 5 бар раньше, чем в бинарной системе, но с понижением давления в интервале 165-160 бар доля пара растет довольно медленно (см.рис.6.6а). Это - следствие разнонаправленных эффектов: присутствие газов-примесей в паре провоцирует кипение, но усиление кипения ведет к разбавлению газовой фазы парообразной водой, и роль примесей резко падает (см.рис.6.6ж).

    Концентрации макрокомпонентов раствора - Cl, Na, Ca, K (см.рис.6.6в) при выкипании возрастают практически симбатно. Более резкий рост обнаруживает концентрация Fe - при увеличении концентрации Cl в 10 раз она повышается в 30 раз, достигая 47 ммоль/кг при 130 барах. Этот эффект является следствием комплексообразования - преобладающие формы Fe ( и ) зависят от концентрации хлор-иона квадратично. В противоположность макрокатионам концентрация Si в растворе снижается. Причина такого поведения: активность кремнезема в растворе связана с активностью Na через произведение активности альбита - одной из главных минеральных фаз в системе. Поскольку концентрация Na при испарении раствора растет, равновесная концентрация кремнезема снижается.

    Согласно результатам расчетов, рНТ раствора при кипении практически не меняется, испытывая небольшой рост при значительном выкипании (от 6,46 до 6,87). В противоположность этому окислительно-восстановительное состояние раствора при кипении меняется довольно сильно - lg(аН2) убывает от -1,85 при 166 барах (до кипения) до -2,73 уже при половинном выкипании (155 бар). Причина такого эффекта заключается в перераспределении летучих компонентов между жидкостью и паром. На рис.6.6г показаны концентрации в жидкой фазе восстановленных летучих компонентов - H2, CH4 и H2S. Хорошо видно, что уже на самых ранних стадиях кипения, когда доля паровой фазы еще невелика, эти компоненты удаляются из водного раствора. В итоге концентрации водорода и сероводорода в жидкой фазе снижаются на порядок, а метана - на 3 порядка. Перераспределение сероводорода между фазами изображено на рис.6.6д. Этот рисунок показывает, что половина исходного количества H2S переходит из жидкой фазы в паровую уже при 10-процентном выкипании водного раствора. Падение содержания H2S в водном растворе на этом рисунке выражено гораздо явственней, чем на предыдущем - на рис.6.6д показаны количества растворенного сероводорода, тогда как на рис.6.6г - концентрации. Уменьшение массы жидкой фазы усугубляет процесс перераспределения.

    Состав равновесной паровой фазы показан на рис.6.6ж. Во всем интервале условий в ней резко преобладают пары воды. Второстепенными компонентами являются (в порядке убывания) H2, H2S, CO2, и на начальной стадии кипения - CH4. Мольная доля этих веществ при малой степени кипения составляет 0,n o/o, и снижается при понижении общего давления до 0,0n o/o. Исключение составляет метан, концентрация которого в паре падает до 10-5 o/o вследствие окисления. Кислые газы, включенные в задачу - HCl и SO2 характеризуются крайне низкими равновесными концентрациями, и влияния на характер происходящего процесса не оказывают.

    Наиболее интересный вопрос в рассчитанной модели представляет поведение рудных элементов. На рис.6.6е приведены концентрации рудных элементов в жидкой фазе. Этот рисунок отчетливо показывает главную тенденцию, проявляющуюся в процессе кипения - при кипении концентрация рудных металлов в жидкой фазе резко возрастает. Анализ данных моделирования показывает, что причины роста концентраций у разных металлов различаются. Для железа, основным носителем которого в рассчитанной системе являются хлорит, эпидот и актинолит причина роста суммарной концентрации в растворе связана с усилением комплексообразования за счет концентрирования хлоридного раствора. Рост концентрации халькофильных элементов - Cu, Zn и Pb, поведение которых до начала кипения контролировалось через растворимость сульфидов присутствием сероводорода, вызван удалением H2S в паровую фазу ("механизм потери осадителя"). Этот эффект проявился для разных металлов по-разному. Цинк, обладающий наибольшей подвижностью в моделируемой системе, уже при незначительной степени откипания (= 10o/o) полностью переходит в раствор. Исчезновение сфалерита из равновесной ассоциации дает перегиб на кривой концентрации Zn (рис.6.6е), и последующий рост обязан только выкипанию жидкой фазы. Рост концентрации свинца обязан совместному действию потери осадителя - сероводорода и усилению комплексообразования. Наибольшее воздействие кипения на рост концентрации обнаруживается для меди. Помимо потери осадителя и комплексообразования, на поведение меди влияет еще и снижение активности Fe++ вследствие уменьшения восстановленности системы. При Р = 130 бар в раствор переходит примерно 1/3 от общего количества меди, заданного в составе системы. В итоге, если сравнить состояния системы до начала кипения (расчет при 166 барах) и при интенсивном откипании (130 бар), то при возрастании общей минерализации раствора примерно в 10 раз концентрация H2S убывает в 8 раз, концентрации Fe и Zn возрастают в 30 раз, Pb - в 150 раз, а Cu - даже в 700 раз! При этом из породы практически нацело растворяются присутствовавшие там сульфиды. Таким образом, гетерогенизация раствора оказывается более существенной для рудного металла, обладающего наименьшей подвижностью - меди.

    Приведенные результаты по влиянию кипения на свойства системы в изотермических условиях нельзя отождествить с каким-либо последовательно развивающимся процессом, поскольку постепенное снижение давления в закрытой системе вряд ли может быть реализовано в природе. Уменьшение гидростатического давления вследствие тектонических причин - слишком медленный процесс по сравнению с гидротермально-осадочным рудообразованием. Изменение давления вследствие вскрытия каналов истечения растворов, либо вскипания в столбе жидкости, наоборот, должно иметь катастрофические последствия в стиле фреатических взрывов или выбросов гейзеров. Полученные модельные результаты следует рассматривать как выявление влияния фактора кипения на металлоносность растворов, формирующихся в "очаге" гидротермальной системы.

<<назад вперед>>

 


 См. также
КнигиГеохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования:
Научные статьиИзотопы серы и углерода на активных гидротермальных полях Срединно-Атлантического хребта : ref5
КнигиВ.И. Старостин, П.А. Игнатов "ГЕОЛОГИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ":
КнигиВ.И. Старостин, П.А. Игнатов "ГЕОЛОГИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ": СОДЕРЖАНИЕ
Научные статьиМеханизм формирования структуры системы Земли. О роли стационарных энергетических центров в сохранении динамического равновесия системы Земли.:

Проект осуществляется при поддержке:
Геологического факультета МГУ,
РФФИ
   
TopList Rambler's Top100