ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СУБМАРИННЫХ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМ

6.4. Термодинамическая модель кипения в гидротермах океана

рис.6.5

    Основная трудность в построении моделей кипения в гидротермах океана заключается сейчас в практически полном отсутствии информации о свойствах зон кипения. Достоверно неизвестны ни Т-Р-условия, ни характер сепарации фаз, ни время нахождения флюидов в пределах зон кипения. Хотя последствия кипения и фазовой сепарации выявлены по составу гидротермальных растворов (раздел 3.2), но как все это происходило - точно не известно. Имеются попытки создания концептуальных моделей фазовой сепарации (модель "двухслойной конвективной ячейки" Бишоффа и Розенбауэра [Bischoff, Rosenbauer, 1989], модель сепарации в наклонном разломе [Fox, 1990]), однако они еще не дают количественной информации, необходимой для построения термодинамической модели такого процесса. Поэтому задачи, решаемые термодинамическим моделированием кипения в гидротермальных системах должны быть сейчас ограничены выявлением таких свойств процесса, которые проявлялись бы независимо от конкретного устройства этих зон, то есть были бы инвариантами процесса кипения.

    Некоторые наблюдаемые свойства гидротермальных растворов океана, аналогии с геотермальными системами суши, а также общие теоретические представления позволяют ограничить разнообразие возможных сценариев процесса кипения:

а) Двухфазные флюиды имеют малую суммарную плотность. Это приводит к тому, что появление зоны кипения в конвективных ячейках резко увеличивает выталкивающую силу конвекции, и, соответственно, - скорости движения растворов. Сохранение зоны кипения при этом возможно только рядом с "нагревателем" - магматическим очагом.

б) В восходящем канале вследствие быстрого движения флюида процесс может быть принят адиабатическим [Bischoff, Pitzer, 1985].

в) Из-за малой вязкости паровой компоненты двухфазного флюида зона кипения может распространяться далеко вверх по восходящему каналу конвективной системы. Однако двухфазная разгрузка в гидротермах океана, как отмечалось выше, еще ни разу не наблюдалась. Причина этой особенности гидротерм океана заключается в быстрой конденсации паровой фазы при подповерхностном смешении - достаточно примеси нескольких процентов холодной морской воды для "схлопывания" пара.

г) Наблюдаемые вариации солености гидротермальных растворов океана указывают на возможность разделения (по крайней мере - частичного) пара и откипевшей жидкости - фазовую сепарацию.

д) Гидротермы с повышенной относительно морской воды соленостью по данным расчетов [Bowers et al., 1988] находятся в равновесии с породообразующими минералами метасоматитов. Из этого следует, что откипевшие воды достаточно долго находятся в контакте с породами.

    Учитывая эти соображения, в работе мы рассмотрели следующие сценарии кипения:

1) изотермическое кипение в контакте с породой без отделения паровой фазы - аналог процесса в "очаге" системы;

2) фазовую сепарацию в контакте с породой;

3) адиабатическое охлаждение двухфазного флюида - аналог движения по протяженному восходящему каналу;

4) конденсацию двухфазного флюида при смешении с морской водой.

Принципиальные схемы этих сценариев показаны на рис.6.5.