Физико-химическая эволюция высокотемпературных эндогенных флюидов/геохимическая активность эндогенных конденсатов

C http://ai-malyshev.narod.ru/GasFactor/GasFactorsFigs.html#Fig027 -А.И. Малышев

Вне зон отгонки серы концентрация ее паров незначительна по сравнению с более распространенными родственными газами – H2S и SO2. Однако там, где есть возможность сброса серы из газообразного флюида в жидкое состояние, т.е. в зонах отгонки, резко активизируются следующие реакции:

1. H2S-- > S + H2;
2. 2H2S + SO2-- > 3S + 2H2O;
3. 2H2 + SO2 -- > S+ 2H2O.

Hаиболее интенсивнa реакция 1. Сероводород термически неустойчив. Его распад начинается при 400°С, полный распад - при температуре 1700°С. В находящихся под большим давлением высокотемпературных эндогенных флюидах вне зон отгонки распаду препятствует то обстоятельство, что при протекании этой реакции должно резко возрасти давление газовой смеси, так как из одного моля газа образуются два. Поэтому вне зон отгонки в соответствии с принципом Ле Шателье-Брауна равновесие в реакции 1 смещено влево.

Ситуация меняется при попадании флюида в РТ-условия зоны отгонки. Cброс серы в жидкий конденсат снимает ограничение Ле Шателье-Брауна на реакцию 1, a сбрасываемая сера выводится из реакций газового взаимодействия и равновесие реакции 1 в зоне серной отгонки смещается в крайне правое положение, что соответствует полному распаду сероводорода с одновременным сбросом серы.

Одновременно с распадом сероводорода в зонах отгонки он интенсивно взаимодействует с диоксидом серы (реакция 2).

Равновесная смесь паров реагентов из обеих частей реакции 2 может существовать на всем пути движения высокотемпературных эндогенных флюидов, но при пересечении РТ-условий зон серной отгонки равновесие в этой реакции резко смещается вправо, в сторону сброса серы в жидкий конденсат.

Реакция 3 аналогична реакции 2 лишь с тем отличием, что она протекает в зоне серной отгонки с участием водорода, как продукта распада H2S.

В щелочной высокотемпературной среде молекулярная сера оказывается единственным и очень мощным окислителем для транспортируемых флюидным потоком металлов. Ее высокую химическую активность определяет тот факт, что в условиях высоких температур она сбрасывается не в виде обычных замкнутых восьмиатомных колец, а в виде коротких 2–4 атомных (Nкр = 2.78) обрывков цепей, крайние атомы в которых являются высокоактивными радикалами. Сера является химическим аналогом кислорода, более слабым в обычных условиях, но в зонах своей высокотемпературной отгонки она начинает его активно вытеснять из окисных и гидроокисных соединений с металлами и кислородсодержащих солей.

Это становится возможным благодаря образованию летучих кислородсодержащих соединений и их выводу из зоны серного конденсата:
2MeO + 3Sрасплав -- > 2MeS + SO2;
4MeOH + 3Sрасплав -- > 2Me2S + SO2 + 2H2O.

Аналогично протекает вытеснение галогенов из транспортируемых газовым потоком и перехватываемых в зонах серной отгонки галогенидов:

2MeCl + 2Sрасплав Me-- >2S + SCl2.

Легколетучие и быстро удаляющиеся из зоны серного конденсата галогениды серы термически неустойчивые, в газовом потоке сразу разрушаются под воздействием высокотемпературных паров воды и избыточного (благодаря распаду H2S) водорода:

2SCl2 + 2H2O = 4HCl + S + SO2;
SCl2 + H2 = 2HCl + S.

Сульфиды щелочных и щелочноземельных металлов под воздействием высокотемпературных паров воды неустойчивы и разрушаются с выносом этих металлов из зон отгонки, тогда как их место в серно-сульфидном конденсате занимают более устойчивые в сульфидных соединениях d- и p-элементы. Эти элементы перехватываются зонами серно-сульфидного конденсата как из газового потока, где они переносятся в виде соединений с галогенами, так и из капель щелочного конденсата, где они существуют в виде солей, в которых соответствующий элемент является кислотообразующим (типа K2FeO4).

Так можно охарактеризовать суть серного перехвата, протекающего в зонах отгонки серы из газообразного состояния в жидкую фазу.
Рудообразующая роль зон серного перехвата имеет первостепенное значение для образования в эндогенных условиях не только сульфидных руд, но и оксидных руд d- и p-элементов. Это обусловлено возможностью последующей трансформации рудных концентраций из сульфидной формы в оксидную под воздействием высокотемпературных эндогенных флюидов. Так, при падении серы в составе высокотемпературного флюида или повышении его температуры ранее образовавшаяся в зонах серной отгонки сульфидная минерализация оказывается неустойчивой и под воздействием высокотемпературных паров воды происходит ее отжиг с формированием оксидной минерализации: FeS + H2O -- > FeO + H2S, Cr2S3 + 3H2O -- > Cr2O3 + 3H2S и т.п. , этим процессом обусловлен генезис многих высокотемпературных месторождений железных руд, хромита и т.п. Кроме высокотемпературного отжига перевод первоначальной сульфидной минерализации в оксидную форму возможен при понижении температуры, пересечении барьера нейтрализации и переходе эндогенного флюида в форму кислых гидротермальных растворов. Cульфиды Sn, Mo, W, Ge переходят в оксидную форму: SnS + 2H2SO4 == > SnO2 + 2SO2 + 2H2O.

Возможность этого процесса подтверждается тесной ассоциацией скоплений касситерита, вольфрамита, шеелита, вульфенита со сбрасываемым в кислой среде кварцем.

Bысокотемпературные эндогенные летучие при перемещении к поверхности Земли претерпевают закономерную физико-химическую эволюцию.

Направленность этой эволюции контролируется физическими переходами между газообразным и конденсированными состояниями, как для веществ, входивших в исходный состав эндогенной газовой смеси, так и для продуктов их реакций и между собой и с вмещающими породами. Переходы “газ–конденсат” выполняют функцию физического сепаратора эндогенных летучих на газообразную составляющую, сохраняющую способность к перемещению даже в случае сплошных сред, и на остаточный конденсат, полностью теряющий способность к перемещению в сплошных средах или перемещающийся сравнительно медленно в пористых и трещиноватых средах. П ереходы “газ–конденсат” выполняют функцию химического сепаратора эндогенных летучих, так как контролируют направленность химических реакций, сопровождающихся этими переходами. Это происходит как благодаря избирательной открытости природных систем для веществ в разном агрегатном состоянии, так и вследствие скачкообразного изменения концентрации реагирующих веществ при переходах “газ–конденсат”.
Скачкообразное или постепенное выведение из состава высокотемпературной газовой смеси конденсирующихся веществ обуславливает существование трех геохимических областей, имеющих большое значение:
1. Область зон серной отгонки, в которой происходит сброс конденсата серы. Эта область имеет большое значение для образования многих рудных месторождений, а в той части, где область примыкает к барьеру водной нейтрализации, происходит формирование эндогенных месторождений собственно самородной серы.

2. Область зон водной отгонки, приводящая к появлению на пути эндогенных флюидов барьера нейтрализации и последующего зарождения волны повышенной кислотности. Эта зона имеет ключевое значение для формирования гидротермальных, золоторудных и кварцевых месторождений.

3. Область зон сероводородной и углекислотной отгонки (зон ЕУС), играющая ведущую роль в формировании месторождений углеводородов.