ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СУБМАРИННЫХ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМ

2.3.3. Сценарий охлаждения со смешением

рис.2.12

    Смешение растворов разного состава - один из основных механизмов рудоотложения в гидротермальных процессах. Поскольку в общем случае температуры смешивающихся растворов различаются, и более горячий раствор, как правило более металлоносный, смешение сопровождается рудоотложением и за счет температурного фактора.

    Анализ имеющихся в литературе результатов показывает, что для моделирования таких процессов применялись несколько сценариев. Они различаются по способу добавления "второго" (холодного) раствора и по учету метастабильных реакций.

    Впервые термодинамическая модель рудоотложения при смешении была рассчитана в работе [Janecky, Seyfried, 1984]. Авторы поставили задачу воспроизведения процессов при разгрузке "курильщиков" в придонную воду океана. При этом (в отличие от описанного выше сценария быстрой разгрузки) они полагали, что вещество гидротермального раствора успевает (в целом или частично) химически прореагировать с морской водой. Приняв в качестве основного параметра модели температуру, из условия теплового баланса авторы получили уравнение для расчета пропорций смешения гидротермального раствора (m_HS) и морской воды (m_SW). В предположении, что средняя теплоемкость этих растворов различается незначительно, оно имеет вид:

,(2.15)

рис.2.13

где T_mix - температура смеси. Анализ примененной в работе методики моделирования показывает, что она представляет собой вариант метода "степени протекания реакции" Г.Хелгесона, в котором к основному компоненту системы - 1 кг гидротермального раствора последовательно прибавляется второй компонент - холодная морская вода. Происходит своеобразное "титрование" гидротермального раствора, сопровождающееся одновременным охлаждением. Однако этот процесс не сопровождался в модели Жанецки-Сейфрида удалением твердых продуктов реакции. Вследствие этого ранее выпавшие минералы могут на последующих шагах охлаждения растворяться и замещаться другими фазами. На рис.2.12 показаны результаты моделирования смешения раствора из "курильщика" с холодной морской водой по такому сценарию. Хорошо видно, что в этом варианте расчета образовавшийся ангидрит при дальнейшем охлаждении не сохраняется, а тальк частично замещается доломитом. Выпавший при 350^o халькопирит исчезает, затем образуется борнит, который потом замещается халькозином. При температурах ниже 100^oС медные минералы присутствуют в том же количестве, что и в начале процесса. Одна из наиболее устойчивых черт океанского рудообразования - приуроченность медной минерализации к наиболее горячим участкам гидротерм - таким сценарием не описывается. Подобная методика принципиально не может воспроизвести пространственную дифференциацию рудных компонентов.

    Поскольку природа указанных дефектов сценария ясна, модель смешения легко модифицировать применительно к сценарию последовательного смешения. В этом сценарии на каждом шаге охлаждения к ранее образованной смеси холодный раствор прибавляется небольшими порциями, а твердые продукты смешения удаляются из системы (рис.2.9г). Уравнение для расчета холодной добавки аналогично (2.15). Для i-того шага охлаждения:

,(2.16)

где m_i - добавка морской воды. На рис.2.13а приведены результаты расчета сценария последовательного смешения гидротерм с морской водой. При сравнении их с моделью Жанецки-Сейфрида (см.рис.2.12) видно, что состав осадка не только количественно, но и качественно - по набору и температурным интервалам осаждения отличается от нее.

    Важным достижением работы [Janecky, Seyfried, 1984] явилось рассмотрение роли метастабильных состояний для такого быстрого процесса, как разгрузка гидротерм. Авторы работы показали, что модель, в которой не учитывалась реакция между сульфатом морской воды и восстановителями, присутствующими в гидротермальном растворе лучше соответствует природным наблюдениям. Этот подход оказался весьма перспективным и в дальнейшем использовался рядом исследователей. Метастабильность процесса рудоотложения, очевидно, касается не только соединений серы, но и ряда других компонентов гидротерм. В частности, по данным для океанских "курильщиков" содержание кремнезема в растворах соответствует равновесию не с кварцем, в с аморфным кремнеземом [Wells, Ghiorso, 1991]. Разумеется, в рамках равновесно-динамического подхода отсутствуют критерии для выделения метастабильных составляющих системы, и только сравнение с природными прототипами позволяет это сделать.

    На рис.2.13б приведен результат моделирования для метастабильного варианта сценария постепенного смешения. Он отличается от равновесной модели набором образующихся минералов и интервалами их осаждения. В частности, меняется последовательность осаждения: вместо тальк - пирит - ангидрит в равновесной модели метастабильный вариант дает ангидрит - тальк -пирит, добавляется низкотемпературное осаждение магнезиальных карбонатов и брусита и т.д. Более подробно геохимические аспекты этого вопроса обсуждаются в разделе 4.3.1.