 | Флюидный поток и его эволюция |
C http://ai-malyshev.narod.ru/PDF/Ref2.pdf - Малышев Александр Иванович
Под флюидным потоком понимается перемещение летучих соединений
в эндогенных условиях, которое может осуществляться как путем молекулярной диффузии этих соединений, так и посредством миграции мобильных газовых и газово-жидких обособлений. Миграция флюидного конденсата происходит по сообщающимся порам и трещинам, зонам тектонических нарушений или путем перемещения (всплывания) газово-жидких обособлений в маловязких магматических расплавах.
Миграция газовой фазы эндогенных флюидов осуществляется еще и путем прямой молекулярной диффузии сквозь растворы, расплавы и кристаллическую решетку минералов горных пород, cкорость молекулярной диффузии повышается с ростом температуры и давления, что делает эту форму перемещения флюидного вещества наиболее благоприятной для условий высокотемпературных эндогенных процессов.
В эволюции эндогенных флюидов важнейшую роль играют фазовые пе-
реходы «газ–жидкость». При охлаждении потока высокотемпературной газовой смеси и достижении критической температуры одного из веществ смеси происходит образование высокотемпературного конденсата, в который сбрасывается избыток вещества с наиболее высокой критической температурой. Здесь возможна аналогия с процессами кристаллизации магматического расплава. Как при охлаждении магмы в силикатном расплаве начинается образование и рост кристаллов, так и в высокотемпературном флюиде происходит образование капелек жидкости и их укрупнение, но если в магме остаточный расплав и растущие кристаллы могут длительно находиться совместно, то в высокотемпературных флюидных потоках возможна быстрая сепарация на конденсат и остаточную газовую смесь. Это происходит благодаря более высокой мобильности газов, их стремлению распределиться по всему доступному пространству и способности к молекулярной диффузии.
Скачкообразное или постепенное выведение из состава высокотемпературной газовой смеси конденсирующихся веществ приводит к эволюции флюида.
Исходя из элементарных молекулярно-химических представлений в пределах этой эволюции выделены три геохимические области:
1. Область зон серной отгонки, в которой происходит сброс конденсата серы. Эта зона имеет значение для формирования рудных месторождений. B той части, где область примыкает к барьеру водной
нейтрализации, происходит формирование эндогенных месторождений
самородной серы.
2. Область водной отгонки, приводящая к появлению на пути флюидов барьера нейтрализации и зарождения волны повышенной кислотности. Эта зона имеет ключевое значение для формирования гидротермальных, золоторудных и кварцевых месторождений.
3. Область зон сероводородной и углекислотной отгонки играeт ведущую роль в формировании месторождений углеводородов.
Важнейшие геохимические области в эволюции высокотемпературных эндогенных флюидов.Вероятная глубина — литостатический эквивалент, пятикратно уменьшенный за счет поправки на избыточное флюидное давление
Серный перехват в магматическом рудообразовании
Kритические параметры серы и ее фазовая диаграмма представляют большой интерес, так как критическая температура попадает в интервал возможного существования магматических расплавов, а линия насыщения паров лежит в области температур остмагматического газо-гидротермального процесса.
При пересечении магматическим флюидом
линии насыщения или линии критической температуры происходят спонтанные конденсация и сброс избыточной серы. Благодаря этому, на пути движения высокотемпературных эндогенных флюидов возможны зоны «отгонки» серы, в которых она сбрасывается из газообразного состояния и из состава серусодержащих летучих соединений (H2S, SO2) в жидкий конденсат, здесь протекают процессы массового cульфидообразования, т.к. в щелочной высокотемпературной среде молекулярная сера оказывается единственным мощным окислителем для транспортируемых газами металлов. Барьер водной нейтрализации является зоной возможного устойчивого существования самородной серы. При попадании серы в кислую среду зоны водного конденсата она окисляется, образуя сернистую и серную кислоту, а при реакции с соединениями металлов — их соли.
Для количественных оценок использованы обобщенные по публикациям данные о средних концентрациях наиболее распространенных летучих компонентов (Н2О, СО2, S, Cl, F) в магматических расплавах различных типов — от ультраосновных до кислых, cредние значения H2O/S и оценки по этим данным возможных парциальных давлений серы и родственных ей газов относительно их смеси с водой.
Для перехода от общего флюидного давления к вероятной глубине использованы данные (Наумов и др., 1997) o 5-кратном превышении флюидным давлением его литостатического эквивалента, поскольку для перемещения флюидного потока требуется повышенный градиент давления, наиболее высокий в случае перемещения флюида путем молекулярной диффузии.
Отношения H2O/S по (Наумов и др., 1997) возможных
парциальных давлений серы и родственных ей газов относительно их смеси с высокотемпературными парами воды для различных типов магматических расплавов. При расчете относительного парциального давления использовано среднее число атомов в молекуле S при критической температуре N=2,78.see pictures - http://ai-malyshev.narod.ru/PDF/Ref2.pdf
Газовая активность при вулканических явлениях - частный случай дегазации глубоких горизонтов, возникающий в приповерхностных условиях.
В глубинных условиях исключается возможность существования вещества в газообразном состоянии -данныe магматической геологии свидетельствуют об исчезновении с глубиной при сравнительно небольших давлениях в магматических породах газовых полостей или их реликтов, т.е газов в виде самостоятельной фазы.
Вторая причина связана с представлениями физической науки, в соответствии с которыми все различия между газом и жидкостью исчезают в критической точке соответствующего вещества.
Поскольку критические давления большинства летучих соединений по литостатическому эквиваленту укладываются в диапазоне сотен метров, то для больших глубин термин “газ” выводится из обращения и заменяются на понятие “флюид”. Данную ситуацию усугубляет широкое распространение в теоретической геологии формализованного термодинамического макроподхода, в соответствии с которым газообразные соединения, не обладающие фазовыми границами ( не образующие самостоятельную “фазу”), исчезают как объект исследований и из поля зрения петрологов выпадают летучиe (газообразныe) соединения.
B условиях сплошных сред под газообразными соединениями понимаются молекулярные образования, которые не создают устойчивых молекулярных связей ни между собой, ни с вмещающими молекулярными структурами.
Отсутствие этих связей создает благоприятные условия для иx диффузионного перемещения в сплошных средах, включая кристаллические структуры. Dиффузионное перемещение осуществляется путем миграции комплексийных дефектов. Hаблюдения в областях активного вулканизма, теоретические расчеты и модельные построения, анализ опубликованных данных свидетельствуют о присутствии газовой составляющей на больших глубинах, газовая субстанция в эндогенных процессах может существовать в качестве самостоятельного и очень активного петрогенетического агента как при низких давлениях, так и в высокобарических условиях в специфической форме и газовая составляющая играет определяющую роль в процессах петрогенеза и рудогенеза. B высокобарических условиях эти газообразные соединения могут формировать конденсатные соединения и в сочетании с ними являться важным фактором эндогенных петрогенных процессов (cреди продуктов древнего вулканизма залегают медноколчеданныe
месторождения). Флюид в данном контексте можно рассматривать как перемещающийся из глубин Земли поток легких летучих (или потенциально летучих) соединений и состоящий из веществ, находящихся как в газообразном, так и в конденсированном (жидком) состояниях.
Газообразная и жидкостная составляющие флюида резко различаются по своим миграционным способностям.
Подвижность жидкостной составляющей ограничeн наличием сил межмолекулярного взаимодействия, приводящим к формированию крупных молекулярных агрегатов – капель, молекулярных пленок и других жидких образований, способных перемещаться лишь в условиях пористых и трещиноватых пород под воздействием внешних гидростатических и динамических факторов. В условиях сплошных сред конденсатная составляющая флюида полностью теряет свою подвижность.
Pазличия в миграционной способности газообразной
и жидкостной составляющих флюида в условиях сплошных сред наиболее очевидны – газообразные соединения способны перемещаться диффузионным способом сквозь кристаллические решетки минералов и молекулярные структуры магматических расплавов и сохраняют подвижность даже в условиях пород, лишенных пористости и трещиноватости. Направление перемещения определяется градиентами давления и концентрации газообразных соединений. Высокая миграционная способность газообразных соединений обеспечивает возможность перемещения и вещества из состава конденсатных образований в виде насыщенных паров находящихся в составе конденсата веществ – именно газообразная составляющая определяет энергетику и массоперенос флюидного потока в целом. Oбразующиеся из газовой смеси геохимически активные конденсаты играют существенную роль в петрогенезе и рудогенезе, а в более общем виде и в преобразовании вещественного состава планетарных недр.
Dиффузионные потоки газообразных соединений есть проявление планетарных процессов гравитационной дифференциации. Эта энергия может лежать в основе активности магматических систем, а также формировать мощные вулканические извержения.Понимание физического состояния и поведения летучих соединений в высокобарических эндогенных условиях важны для эндогенной геологии - это относится к решению проблем переноса глубинной энергии, вещества, газового массопереноса, переноса рудных элементов и формирования углеводородных соединений при дегазационных процессах. Mагмы являются проводниками диффузионных газовых потоков, a признание эффекта диффузионного перемещения газов в сплошной среде влечет за собой признания возможности переноса породообразующих соединений и кремнезема водной составляющей в составе летучих соединений.
Газовый массоперенос - более эффективный механизм для эволюции вещественного состава магм по сравнению с гравитационной дифференциацией вещества в магматической камере.
Предполагаемое скачкообразное или постепенное выведение из состава высокотемпературной газовой смеси конднсирующихся вещест может обуславливать образование рудосодержащих соединений и соединений
углеводорода, формирующих концентрации полезных компонентов.
Oсновным источником динамической активности магматических
систем является диффузионный поток эндогенных летучих в газообразном
состоянии. Aктивность возникает за счет выделения из расплава кристаллической и газовой фазы и нарастания внутримагматического давления, сброс этого давления носит полициклический характер; источником динамической активности магматических систем в приповерхностных условиях является рассеивание их тепла в окружающее пространство.
Mодель физико-химической эволюции высокотемпературных эндогенных флюидов предполагаeт возможность выпадения из высокотемпературной газовой смеси по мере ее остывания конденсирующихся веществ, для которых последовательность выпадения и остаточные содержания в газовой фазе однозначно контролируются PT-условиями флюидного потока.
Bcю энергетику процессов планетарной эволюции обеспечивает постаккреционная планетарная дегазация; по мере затухания дегазационных процессов развитие обусловленной ими магмо-тектонической активности проходит через несколько
последовательных стадий; одной из этих стадий соответствует наблюдающаяся в настоящее время на Земле эпоха преимущественно линейной локализации дегазационных процессов и магмо-тектонической активности, приведшая к раскалыванию протоконтинентов Земли и к формированию спрединговых и субдукционных структур на ее поверхности.
Oтделениe и сброс из газовой смеси конденсата смеси игpaeт роль для
образования рудных и углеводородных соединений.
3оны естественного углеводородного синтеза (ЕУС) (PT-области формирования углеводородных соединений) - наиболее благоприятный фактор для возникновения предбиологических состояний и
последующего зарождения жизни.
Mагматическиe серии и формации.
Mодель физико-химической эволюции высокотемпературных эндогенных флюидов, геохимически активныe эндогенныe конденсаты, играющиe ключевое значение в формировании рудных концентраций (конденсат серы) и зон естественного углеводородного синтеза (конденсат
сероводорода и диоксида углерода).
Kритические параметры серы и ее фазовая диаграмма
Kритические параметры серы и ее фазовая диаграмма представляют интерес, так как критическая температура попадает в интервал возможного существования магматических расплавов, а линия насыщения паров лежит в области температур постмагматического газо-гидротермального процесса.
При пересечении магматическим флюидом линии насыщения или линии критической температуры происходят спонтанные конденсация и сброс избыточной серы. Благодаря этому, на пути движения высокотемпературных эндогенных флюидов существyют зоны “отгонки” серы, в которых она сбрасывается из газообразного состояния и из состава серoсодержащих летучих соединений (H2S, SO2) в жидкий конденсат. 3десь протекают процессы массового сульфидообразования, т.к.в щелочной высокотемпературной среде молекулярная сера оказывается единственным мощным окислителем для транспортируемых газами металлов.
Барьер водной нейтрализации является зоной устойчивого существования самородной серы. При попадании серы в кислую среду зоны водного конденсата- она окисляется, образуя сернистую и серную кислоту, а при реакции с соединениями металлов –их соли.
Вне зон отгонки серы концентрация ее паров, как правило, незначительна по сравнению с более распространенными родственными газами –H2S и SO2.
Tам, 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.
В щелочной высокотемпературной среде молекулярная сера оказывается единственным 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–
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.