2.3.1. Сценарий охлаждения в закрытой системе
В сценариях охлаждения рассчитывается набор равновесных состояний системы заданного состава при понижающихся температурах и давлениях. Основное свойство сценария для закрытой системы заключается в том, что состояние системы при каждом из этих расчетов не зависит от свойств предшествующих равновесных состояний системы при иных параметрах равновесия.
Наиболее точный прототип такого процесса - это расчет медленного остывания газово-жидкого включения в инертном кристалле (рис.2.9а). Если какие-либо фазы при изменении условий (например, понижении Т) становятся неустойчивыми, они из равновесной ассоциации исчезают. При рассмотрении последовательности состояний это эквивалентно протеканию "back-reaction" - реакций замещения ранее возникших минералов.
На рис.2.10а изображен расчет состава твердых фаз в закрытой системе заданного состава (см.табл.2.1, гидротермальный раствор), как функции температуры охлаждения. На рисунке хорошо видно, что при достижении определенных температур происходит замещение ранее выпавших минералов (пирротина на пирит при 175o, альбита на пирофиллит при 270o). Поскольку эта система закрытая, ее нельзя рассматривать как последовательность минералов при отложении из раствора, движущегося по трещинному каналу. Кроме того, реалистичность такой модели вызывает сомнение из-за того, что реакции перекристаллизации ранее выделившихся минералов при низких температурах затормаживаются. Образовавшееся рудное вещество может в природе испытать своего рода "закалку" и уже не изменяться более, как того требует равновесная модель. Таким образом, сценарий охлаждения в закрытой системе имеет ограниченную применимость при моделировании процессов в недрах гидротермальных систем.
Сценарий охлаждения в закрытой системе использовался применительно к океанским гидротермам в работе [Bowers et al., 1985]. Хотя в силу геохимической специфики исходного состава результаты в этой работе получились достаточно правдоподобными, некоторые детали в ней отчетливо показывают неправомерность применения сценария закрытой системы для систем проточных. Так, в расчете для растворов гидротермальной системы бассейна Гуаймас за счет "back-reaction" в указанной работе получился рост концентрации Mn при охлаждении раствора при температурах ниже 200oС.
Неожиданное на первый взгляд применение сценария охлаждения в закрытой системе обнаруживается при моделировании процесса очень быстрого гидротермально-осадочного рудоотложения, когда температура гидротермального раствора резко падает при излиянии его на дно океана. Если охлаждение и "закалка" рудных фаз происходят так быстро, что они не успевают прореагировать с компонентами придонной воды, модель закрытой системы (рис.2.9б) даст искомую ассоциацию. Такой сценарий был применен для расчета рудоотложения в курильщиках в работе [Гричук и др., 1985].
Модель быстрого охлаждения имеет свои "подводные камни". Она требует задания конечной температуры закалки, при этом существует вероятность того, что для разных реакций в системе эти температуры будут различны. Некоторые термодинамически устойчивые минералы в аналогичных природных ситуациях могут вообще не появиться, заменяясь метастабильными (например, аморфный кремнезем вместо кварца). Таким образом, модель быстрого рудоотложения требует привлечения априорной природной информации.
Приближенно определить среднюю температуру закалки можно по расчетам, аналогичным показанному на рис.2.10а. Наилучшее соответствие "дыму курильщиков" на дне океана - взвеси гидротермальных минералов, образующихся при быстрой разгрузке горячих растворов в холодную морскую воду - получается при Т закалки около 150-200oС. Чтобы лучше подчеркнуть отсутствие постепенности в охлаждении раствора, при изображении продуктов закалки оказалось удобно использовать круговые диаграммы [Гричук и др., 1985]. Тогда на рисунках можно показать дополнительно другие зависимости от параметров модели. На рис.2.10б показан состав гидротермальных осадков в зависимости от температуры закалки. Аналогичные результаты приведены в разделе 4.3.1.
Геологический факультет МГУ
|
