Файл: Борисов, О. Г. Экструзии и связанные с ними газо-гидротермальные процессы.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 18.10.2024

Просмотров: 85

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

ющих возможные пути синтеза метана на глубине. Направление и скорость смещения химического равновесия реакции будет опреде­ ляться не только изменением Р и Т, но и соответственно концентра­

цией газообразных компонентов. Расчеты проведены с учетом коэффициента летучести и теплоемкости, т. е. рассматривается си­ стема, образованная реальными газовыми компонентами. Равновес­ ный состав смеси газов (С 02, СО, Н20, Н2 и СН4) для некоторых значений Р и Т приведен в табл. 45. При Р = 1 атм равновесие в

исследуемой газовой системе очень подвижно с изменением темпе­ ратуры. Так, при низких температурах преобладает метан, а при 1500° — водород. При повышении давления различия в составе сме­ си газов очень быстро уменьшаются и при Р = 100 атм и выше и температуре от 500 до 1300° К состав газовой смеси почти не из­ меняется.

Перенося магматическую модель физико-химического равно­ весного состояния газов па магматические газы, выходящие па по­ верхность земли с лавой без учета их взаимодействия с окружающи­ ми породами (ввиду их быстрой эволюции с глубины), авторы пы­ таются объяснить возможную причину низкого содержания СН4 в вулканических газах. Длительный путь магматических газов из магматического очага сопровождается быстым понижением давле­ ния при незначительном изменении температуры. Этот путь харак­ теризуется всевозможными гомогенными окислительно-восстанови­ тельными процессами. При этом в соответствии с термодинамикой процесс должен сопровождаться быстрым изменением равновесных

.концентраций, что приводит к понижению содержания СН4 и повы­ шению содержания кислородсодержащих газов.

Приведенный выше рассчитанный состав смеси газов не явля­ ется единственно возможным. Большое значение имеет исходный состав продуктов (табл. 46).

Из таблицы видно, что даже при одинаковых Р — Т условиях, например, при Г=900° С и Р = 20 атм, содержание метана изменяет­

ся от 0,00 до 9,42%. Это лишний раз доказывает, что газовая фаза — очень подвижная термодинамическая система, чутко реагирующая на влияние любых переменных факторов, чем и объясняется боль­ шая вариация ее состава в фумарольных выделениях.

С. Мацуа (Matsuo, 1960) использовал принципы термодина для расчета возможного состава газов разных магм, основываясь не только на реальном составе фумарольных газов, но и на их взаи­ модействии с твердыми компонентами породы. Свои расчеты он максимально приблизил к возможным природным равновесным ас­ социациям. Кроме теоретических констант равновесия ряда возмож­ ных реакций, он рассчитал константы равновесия тех же реакций

по фактическому составу газов лавового озера

Килауэа .(см.

табл. 21). Расчеты приведены в табл. 47.

 

 

 

Реакции:

 

 

 

 

 

 

 

3Fe2S i04+ H 20

3

FeSi0

3

-J-Fe3

0

4 -|-H2

(19)

3Fe2S i04+ C 0 2

3

FeSi0

3

-(-Fe3

0

4 -l-C0

( 20)

.

Т а б л и ц а 45

Равновесный состав смеси газов (С02, СО, Н20, Н2 и СН4) при различных Р и Г (по В. К. Каржавину,

В. П. Вендилло,

1970)

 

атм

об. %

1^со.

^со

сн.о

^На

Сен.

50с со 2

Ссо

^HjO

Сн,

Сен.

100Сс02

Ссо

сн 2о

сн 3

С сн.

5 00 0 с со2

с со

СН20

с н,

С сн4

500

|

700

900

1100

1300

1500

1 6 , 3 2 0

 

1 4 , 7 6 2

5 , 6 2 2

0 , 7 9 5

7 , 8 6 9 - Ю - з

2 , 2 1 9 . 1 0 - з

0 , 6 9 0

 

3 , 8 0 9

2 2 , 0 9 2

3 1 , 7 4 1

3 3 , 1 1 6

3 3 , 2 8 8

3 2 , 6 4 0

 

2 9 , 5 2 4

1 1 , 2 4 4

1 ,591

0 , 1 5 7

4 , 4 3 8 - Ю - з

1 , 3 8 1

 

7 , 6 1 8

4 4 , 1 8 5

6 3 , 4 8 2

6 6 , 2 3 3

6 6 , 5 7 6

4 8 , 9 6 1

 

4 4 , 2 8 5

1 6 , 8 6 7

2 , 3 8 7

0 , 2 3 6

6 , 6 5 9 - И Г 2

1 6 , 6 6 3

 

1 6 , 6 6 3

1 6 , 6 5 0

1 6 , 3 2 0

16 ,1 41

1 5 , 9 7 2

7 , 0 - 1 0 “ 3

 

7 , 0 - Ю “ з

3 , 2 5 8 - Ю - з

0 , 6 9 0

1 , 0 1 9

1 , 3 8 8

3 3 , 3 2 6

 

3 3 , 3 2 6

3 3 , 3 0 1

3 2 , 6 4 0

3 2 , 2 8 2

3 1 , 9 4 4

1 , 4 ' 1 ( Г г

 

1 , 4 - Ю - з

6 , 5 1 6 - 1 0 - з

1 , 3 81

2 , 0 3 8

2 , 7 7 6

4 9 , 9 8 9

 

4 9 , 9 8 9

4 9 , 9 5 1

4 8 , 9 6 1

4 8 , 4 2 3

4 7 , 9 1 6

1 6 , 6 6 3

 

1 6 , 6 6 3

1 6 , 6 6 3

1 6 , 6 5 0

1 6 , 3 2 0

1 6 , 0 8 5

7 , 0 - Ю - з

 

7 , 0 - Ю - з

7 , 0 - Ю - з

3 , 2 5 8 - Ю - з

0 , 6 9 0

1 , 1 6 2

3 3 , 3 2 6

 

3 3 , 3 2 6

3 3 , 3 2 6

3 3 , 3 0 1

3 2 , 6 4 0

3 2 , 1 7 1

1 , 4 . 1 0 ~ з

 

1 , 4 - Ю - з

1 , 4 - Ю - з

■ 6 , 5 1 6 - 1 0 - 2

1,381

2 , 3 2 4

4 9 , 9 8 9

 

4 9 , 9 8 9

4 9 , 9 8 9

4 9 , 9 5 1

4 8 , 9 6 1

4 8 , 2 5 7

1 6 , 6 6 3

 

1 6 , 6 6 3

1 6 , 6 6 3

1 6 , 6 6 3

1 6 , 6 6 3

1 6 , 6 6 3

7 , 0 - Ю - з

 

7 , 0 - Ю - з

7 , 0 - Ю - з

7 , 0 - Ю - з

7 , 0 - 1 0 - з

7 , 0 - 1 0 - 3

3 3 , 3 2 6

 

3 3 , 3 2 6

3 3 , 3 2 6

3 3 , 3 2 6

3 3 , 3 2 6

3 3 , 3 2 6

1 , 4 . 1 0 - 2

 

1 , 4 - Ю - з

1 , 4 - Ю - з

1 , 4 - 1 0 “ 3

1 , 4 - Ю - з

1 , 4 - Ю - з

4 9 , 9 8 9

 

4 9 , 9 8 9

4 9 , 9 8 9

4 9 , 9 8 9

4 9 , 9 8 9

4 9 , 9 8 9

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 46

 

Состав (%) равновесно» газовой фазы при различных отношениях

 

 

исходных компонентов Р и Т (по М. X. Карапетьянц, 1963)

 

 

Состав

 

С углеродом

 

1

 

рез углерода

 

г , с

СО,:СН,==1:1

СО.:СН,= 5:1

СО.:СН,==1:1

СО.:СН ,=5:1

га за

 

 

Р=1

Р=20

Р=1

Р=20

Р=1

Р=20

Р - 1

Р = 20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

со2

10,21

18,86

26,70

55,84

4,18

21,21

38,30

47,60

700

со

30,00

9,25

51,15

15,90

44,65

29,60

36,80

27,80

н*

47,69

26,29

16,50

8,40

41,75

14,57

14,33

9,90

 

сн4

1,70

10,20

0,19

1,01

6,80

27,95

0,06

3,80

 

Н20

10,40

35,00

5,46

18,85

2,62

6,67

10,51

10,90

 

со.

0,63

7,05

1,68

19,91

0,31

4,69

36,00

37,76

 

со

48,73

36,30

81,24

59,65

48,10

46,90

38,90

38,70

 

На

49,45

40,83

16,63

13,71

50,40

31,32

11,15

10,17

 

сн 4

0,35

5,10

0,04

0,57

0,75

9,42

0,00

0,07

 

На О

0,84

10.72

0,41

6,16

0,44

4,67

13,95

13,30

 

 

FeS+FeSi03+ H 20 =fs=Fe2S i04-fH 2S

 

(21)

 

 

FeS+FeSi03+3H 20 ^

Fe2S i04+ S 0 2+3H 2

(22)

 

 

FeS+FeSi03+ 3 C 0 2 ч* Fe2S i04+ S 0 2+ 3C 0

 

(23)

 

 

3FeS+4H20 ^

Fe30 4+3H 2S + H 2

 

(24)

 

 

3FeS + 10H2O

Fe3O4+3SO 2+10H 2

 

(25)

 

 

3FeS+10CO2^ F e 3O4+3SO 2+10CO.

 

(2 6 )

 

Пределы колебания теоретических величии обусловлены неточ­

ностью термодинамических характеристик, тогда как колебания зна­

 

 

 

Т а б л и ц а 47

чений, рассчитанные по дан­

Сравнение теоретических констант равнове­

ным

наблюдений,

вызваны

сия (при Т=

1500° К и Р — 1 атм)

и констант

аналитическими ошибками и

равновесия,

определенных

по

составу

газов

различиями

геологических

 

 

 

 

 

 

 

условий отбора проб. И в то

 

К о н с т а н т ы

р а в н о в е с и я (1<т / С р )

же

время теоретические и

ЛЪ р е а к ц и и

 

 

 

в ы ч и с л е н н ы е

наблюдаемые

 

величины

 

т е о р е т и ч е с к и е

п о д а н н ы м

вполне совпадают.

Отсюда

 

 

 

 

о з е р а К и л а у э а

 

 

 

 

химический состав

магмати­

(19)

 

 

 

 

 

 

-

3 -----2

-

3 -----2

ческих газов тесно связан с

(20)

-2 ,5 ----- 1,5

—2,2----- 1,5

минеральной

ассоциацией,

(21)

-

4 ----- 3

-

3 ------ 2

соответствующей

природе

(22)

-

7 ------ 6

-

7 ------ 6

магмы. На основе сказанно­

(23)

-

6 -----5

-

6 -----5

го С. Мацуа рассчитал тео­

(24)

—14~ 9

 

- 1 2 ~

- 8

ретический состав магм раз­

(25)—24----- 20 —2 3 ~ - 2 0 личного типа (табл. 48).

(26)

—20 ~ —16 —20----- 15

Решая систему уравне-

138

 

 

Та б л и ц а

48

 

Сравнение теоретического состава

 

 

магматических газов трех видов магм

 

 

при температуре 900° К и давлении

1000 атм

 

Концентрация 'базальтовая

Магма

 

 

даццтовая

гранитная

 

с и,о

0,898

0,8998

0,889

 

11, М О - 3

1,3 -10 " * .

1 ,4 - 1 0 ~

 

С».

 

5 ,0 -Ю -5

6,8 - 10~G

6 ,3 - 10_;)

 

^so.

1 , 2 1 0 ‘

5,3-10 ~ 5

4,8-10

3

 

 

 

 

ний для расчета газового состава базальтовой магмы при Т— 1300 и 1500° К, Р = 1 атм и при Г==1500°К, Р = 10 атм, он получил кон­

центрацию SO2>100% . Сравнение данных по реальному составу газов озера Килауэа и расчетных данных показывает, что газы

,лавового озера, по-видимому, могли образоваться в равновесных условиях при Г=1500°К и Р = Ю 0 атм. Это противоречит физиче­

ским условиям и свидетельствует о том, что природа идеальных магматических газов иная, чем природа газов лавового озера. На­ до понимать, что газы, выделяющиеся на поверхность земли, не всегда отражают состояние равновесия в данных Р— Т условиях.

Поэтому нужно очень критически оценивать реальные природные газовые смеси и рассчитанные теоретически, давая нм правильную геолого-геохимическую оценку.

Термодинамические расчеты природных газовых смесей дают возможность оценить давление и температуру магмы. С. Мацуа (Matsuo, 1960), исходя из сравнения теоретических констант равно­ весия и вычисленных па основании состава магматических газов вулкана Шова-Шинзан, показал, что равновесие в газовой системе при 7 = 1300° К устанавливается при Р = 2 ~ 3 • 102 атм, что соот­

ветствует глубине очага порядка 1 км. По сейсмическим данным,

полученным после извержения вулкана, глубина равна 1—4 км. По усредненным данным газов пород (см. табл. 33) с учетом

: воды нами была рассчитана константа равновесия реакции

 

СОг+На^СО +НгО .

(27)

1

Это уравнение было выбрано потому, что КР реакции мало из­

меняется с увеличением давления при высоких температурах и учет коэффициента летучести не обязателен. Результаты расчетов (табл. 49) показывают, что средняя температура равновесной га­ зовой смеси всех пород лежит в пределах 650—1350° С. А для от­ дельных типов пород, учитывая значительные расхождения в оценке

I Кр, она следующая: для базальтов -~800°К,

андезитов ~700°К ,

риолитов ~ 650° К, диоритов ~ 1000° К, габбро

^

1350° К, гранитов

~

1100°К и диабазов ~Ю 50°К-

 

Основная ошибка

'

Приведенные цифры весьма приблизительны.

при расчетах падает на воду, содержание которой в породах изме-

139

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а

49

Константа

равновесии

( К р), вычисленная

по усредненным данным газов

пород, в

сопоставлении с расчетной и по

данным

 

 

 

 

 

 

 

различных авторов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Химический состав газов, об. %

 

Кр реакции (27) для различных температур

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lg к р

из различных источников

 

 

 

Породы

 

 

 

 

 

 

рассчитано по

рассчитано

Справоч­

В.П. Вол­

Темпера­

 

 

 

 

 

 

реакции

 

 

Н-О

СО„

н.

 

со

сн,

по урав­

тура,

°к

 

 

 

(27)

уравнению

 

нению

ник хнми - ков, Г.И.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(А*)

 

(Б*)

ка, т. Ш ,

РузаПкин,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1964

1969

 

 

Базальты

 

78,7

13,7

4,2

 

3,0

0,5

—0,6132

—0,9850

 

 

-0,955

 

700

 

Андезиты

 

91,0

6,7

1 , 2

 

0,9

0 , 2

—1,0083

—0,6352

 

—0,3837

—0,607

—0,6863

800

 

Риолиты .

.

97,0

1,7

0,9

 

0,3

0, 1

-1,2790

—0,3702

 

—0,1900

—0,344

 

900

 

Габбро .

.

63,0

6 , 1

28,6

 

1,4

0,9

0,2963

—0,1640

 

—0,0350

-0,138

—0,2505

1000

 

Диориты .

.

70,0

3,6

24,2

 

0,9

1,3

0,1409

0,0019

 

0,0918

 

 

1100

 

Граниты

.

80,0

6,7

11,9

 

1 ,0

0,4

—0,0014

0,1332

 

0,1975

 

0,0086

1200

 

Диабазы

. .

85,0

6,7

7,6

 

0,5

0,3

0,0785

0,2427

 

 

 

 

1300

 

*lg К а = ~ 2 р + 1,565 lg Г--0,066-10"- 3 7 _

 

 

 

 

0,3338

 

 

 

0,1704

1400

 

72

10

6.93(A)

 

0,4107

 

 

 

 

1500

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1600

 

lg =

 

+ 1,360 (Б)

 

 

 

 

 

0,4757

 

 

0,4400

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Смотрите также файлы