ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СУБМАРИННЫХ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМ

2.1.2. Метод "степени протекания реакции" Г.Хелгесона.

    Впервые компьютерный метод термодинамического моделирования необратимого взаимодействия вода-порода был предложен Г.Хелгесоном в работе [Helgeson, 1968]. В своем методе Г.Хелгесон использовал принцип частичного равновесия П.Бартона: в качестве глобального параметра необратимого процесса была взята степень протекания () реакции, лимитирующей скорость всего процесса (как правило, это реакция с "исходными" минералами или "исходной" породой в целом), тогда как все остальные реакции считаются равновесными и, соответственно, поддающимися расчету методами равновесной термодинамики. Лимитирующая реакция меняет состав равновесной части системы в соответствии с стехиометрическим составом вступающего в нее "исходного" вещества. В явном виде это соотношение представлено в [Карпов, 1981, стр.124-126]. Величина ; - неявная функция времени, но функция монотонная, что позволяет рассчитать "химический" путь процесса в координатах m_i vs ; (где m_i - количества растворенных веществ и минералов-продуктов процесса). На рис.2.2 показан рассчитанный по этой методике путь процесса взаимодействия морской воды с базальтом при 350^oС и 500 бар.

рис.2.2

    Из анализа этого метода термодинамического моделирования, подробно описанного в [Хелгесон, 1982] очевидно, что он относится к системам закрытым в отношении раствора, и никакого пространственного перемещения вещества не предусматривает. В терминах равновесно-динамических моделей метод Хелгесона можно представить как последовательность равновесных состояний мультисистемы, состав которой изменяется за счет постепенного добавления в нее исходной породы. В терминах теории химических реакторов - это периодический (т.е. непроточный ) реактор (см.рис.2.1а). Метод Хелгесона, таким образом, отнюдь не ориентирован на задачи расчета метасоматических процессов, для которых существование переноса вещества в пространстве является важнейшим свойством. Результаты расчета на рис.2.2 соответствуют не метасоматическим зонам, а минеральным ассоциациям, сменяющим друг друга во времени в фиксированном объеме, где идет реакция, например, в автоклаве¹. Поэтому в такой модели не выполняется условие I теории Д.С.Коржинского, и результаты применения метода не согласуются со всеми ее следствиями. На рис.2.2а,б хорошо видно, что при разных значениях ; пропорции минералов и составы растворов в пределах устойчивости одной и той же минеральной ассоциации оказываются различными. Расширительное толкование этого метода как способа воспроизведения пространственно-временных соотношений в метасоматических процессах может привести к несоответствиям и даже, как будет показано ниже, к ошибочным решениям. В литературе такое расширительное толкование имело место и, более того, приобрело известную популярность [Карпов, 1981; Кашик, 1989].

    Впервые этот вопрос был исследован Б.Фрицем [Fritz, 1975], который указал основную причину, препятствующую применению метода Хелгесона к пространственным задачам. В этом методе твердые продукты предшествующих шагов реакции остаются в сфере взаимодействия и на последующих шагах могут снова реагировать ("back-reaction") с изменившимся раствором, а в инфильтрационно-метасоматическом процессе минералы - продукты реакции остаются "позади" образовавшей их порции раствора и с ней больше не реагируют. Насколько существенно данное обстоятельство - зависит от химизма конкретной системы, и этот вопрос будет рассмотрен ниже.