ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СУБМАРИННЫХ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМ

6.4.4. Конденсация двухфазного флюида при быстрой разгрузке и рудоотложение

    Как показано в разделе 4.3.1, рудоотложение при быстрой разгрузке гидротермальных флюидов может быть воспроизведено в сценарии мгновен-ного охлаждения гидротермального раствора без химического взаимодействия с морской водой. Применительно к гетерогенному флюиду такое охлаждение будет сопровождаться конденсацией паровой фазы и взаимодействием перенесенных в паре компонентов с компонентами жидкой фазы. На реалистичность именно такого варианта указывает то, что при разгрузке через "черные курильщики" растворов с явными химическими признаками кипения гетерогенность их визуально еще не разу не наблюдалась.

    По сценарию мгновенного охлаждения были проведены расчеты для модельных гетерогенных флюидов, образованных:

а) в задаче изотермического кипения без фазовой сепарации (раздел 6.4.1, рис.6.6) при разных долях газовой фазы - использованы результаты расчетов при давлении 166, 160, 150 и 130 бар;

б) в задаче с фазовой сепарацией - для разных степеней откипания. Температура охлаждения была принята 150^oС, аналогично расчетам в разделе 4.3.1. Давление при этой температуре было взято равным 100 барам, чтобы гарантировать полную конденсацию паровой фазы.

рис.6.10

    Результаты расчета охлаждения флюидов без фазовой сепарации показаны на рис.6.10а в сравнении с охлаждением гомогенного раствора, полученного в изотермической задаче при Р = 166 бар. Из этого рисунка видно, что в широком интервале паросодержаний (20-70 масс. ^o/o) охлаждение и конденсация гетерогенного флюида, не сказываясь заметно на общей массе осадка, меняют его минеральный состав в сторону обогащения сульфидами тяжелых металлов. Вместо 3^o/o сфалерита в варианте с гомогенным раствором гетерогенные флюиды при охлаждении дают его 10-13^o/o, а доля халькопирита возрастает в 20 раз - от 0,06^o/o до 1,3^o/o. Содержание галенита в осадке возрастает от 0,01 до 0,13^o/o. Это обогащение - следствие повышения содержания тяжелых металлов в гидротермальных флюидах при кипении (см.рис.6.6е). Интересный эффект получен при охлаждении флюида с наибольшей долей пара (89 масс. ^o/o). Здесь пирит, преобладавший в других вариантах расчета заместился пирротином. Причина этого заключается в том, что в ходе кипения в "очаге" гидротермальной системы H₂ сильно перераспределяется в паровую фазу (см.рис.6.6ж). Хотя его мольная доля и невелика - около 0,1 мольн. ^o/o, но в этом варианте расчета велика доля самой паровой фазы, и в пересчете на всю систему количество H₂ дошло до 49 ммоль (вместо 14 ммоль в гомогенной задаче). Конденсация такого газа и привела к отложению более восстановленной фазы - пирротина. В этом варианте получена и максимальная доля халькопирита - 3^o/o. Таким образом, конденсация гетерогенных флюидов сопровождается отложением рудных осадков, при этом основное различие в сравнении с охлаждением не кипевших гидротермальных растворов заключается в повышении доли тяжелых металлов Cu, Zn и Pb.

    Интересные результаты получились при моделировании быстрого охлаждения растворов, подвергавшихся фракционной сепарации при кипении (см.рис.6.10б). Небольшая потеря паровой фазы (5-10^o/o от массы воды) увеличивает массу рудного осадка, однако при большей степени откипания рудный осадок уменьшается. Это кажется парадоксальным, поскольку концентрации рудных металлов в растворе при фазовой сепарации растут (см.рис.6.7). Причина такого эффекта заключается в нехватке сульфидной серы - H₂S удаляется в пар при фазовой сепарации. Уже при 20^o/o откипания остаточная концентрация H₂S сравнивается с суммарным содержанием железа и тяжелых металлов, и при продолжении фазовой сепарации в растворе создается дефицит S^II. Именно поэтому при большей степени откипания остаточные растворы при охлаждении дают прогрессивно уменьшающуюся массу сульфидов. Вместо пирита появляется пирротин (хотя среда не становится более восстановительной, чем в начале кипения), который затем сменяется Fe-хлоритом и Fe-актинолитом. Сохранение в осадке сульфидов Zn и Cu указывает на то, что в этих условиях они менее растворимы, чем сульфиды железа. После 50-процентной сепарации охлаждение раствора дает сфалерит, халькозин и нерудные фазы.