ГАЗОВЫЙ РЕЖИМ В СИСТЕМЕ «ВОДА-ПОРОДА» ПРИ УМЕРЕННО ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ 1 С. Х. Павлов, 2 К. В. Чудненко Институт земной коры СО РАН, Иркутск, [email protected] Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН, Иркутск, [email protected] 1 2 К настоящему времени накоплен значительный объем данных о составе растворов, в том числе и глубинных, гидротермальных систем в различных районах вулканической и поствулканической деятельности. В результате проведения многочисленных исследований и активного обсуждения проблемы формирования ионно-солевого, микрокомпонентного и газового состава гидротерм, их происхождение многими исследователями рассматривается как процесс физико-химического взаимодействия метеогенных (морских) вод с породами. Оценка поведения основных компонентов геотермального флюида, включая газовые, с позиций химического равновесия между флюидом и породой проведена для термальных вод Исландии С. Арнорссоном и др. [Arnorsson et al., 1982]. С позиций этой гипотезы наиболее полно рассмотрено формирование геотермальных газов для высокотемпературных гидротермальных систем Камчатки [Таран, 1988]. Методами компьютерного термодинамического моделирования показана возможность генерации в глубинных зонах земной коры и верхней мантии углеводородов [Карпов и др., 1998] и больших объемов углекислоты [Рыженко и др., 1996, 1997]. Исследовано формирование состава углекислых вод и причины их геохимического разнообразия [Крайнов и др., 2002, 2004]. В этих работах, а также в трудах других исследователей, поступление диоксида углерода в систему «вода-порода» предусматривается из внешнего источника. Поэтому при моделировании физико-химических процессов в рассматриваемой системе его парциальное давление задается строго фиксированной величиной. В реальности же, возможность появления углекислоты и других компонентов водной, газовой и твердой фаз, увеличения их концентрации или полного исчезновения определяется непосредственно независимыми факторами состояния (температура, давление, химический состав) системы «вода-порода». Существенный вклад в представление о происхождении углекислых вод внесли результаты экспериментальных исследований [Киссин, Пахомов, 1969], установивших возможность генерации диоксида углерода в процессе гидролитического разложения ряда карбонатных минералов при умеренно высоких (100-150 0С) температурах. Путь к решению проблемы понимания процессов формирования углекисло-метановых и метановых вод гидрокарбонатного и карбонатного состава в гидрогеохимических системах, содержащих органический углерод в толщах осадочных пород, намечен в [Павлов и др, 2004]. В данной работе, проведено моделирование поведения углерода при взаимодействии воды с разными типами пород в различных геобаротермических условиях. Изучались физико-химические процессы взаимодействия воды с осадочными отложениями различных зон седиментации [Петтидджон, 1981], метаморфическими образованиями разной степени метаморфизма [Войткевич и др., 1990] и породами различных гранитных комплексов [Флюидный режим…, 1980], содержащих углерод преимущественно в высоких концентрациях. Исследование процессов генерации СО2 при взаимодействия воды с различными видами пород проводилось в рамках термодинамических моделей с использованием программного комплекса «Селектор» [Карпов, 1981]. На первой стадии изучались модели без участия водного раствора, содержащие только газовую фазу (H2O, CO2, CH4, CO, H2, О2), основные породообразующие минералы гранулитовой и амфиболитовой фаций и карбонаты. Такой подход позволил смоделировать процессы выделения СО2 из сухих пород при их разогревании под действием внешних источников тепла. Моделирование проводилось в интервале температур и давлений, соответствующих глубинам первых километров земной коры (T=100 – 600 0С, P= 625 – 2000 бар). Полученные результаты показали, что в большинстве моделей критичной является температура 0 400 С, когда породы начинают отдавать СО2 в результате формирования новых минеральных фаз с меньшим содержанием карбонатных минералов. Даже довольно ограниченный рассмотренный мате- риал свидетельствует о том, что способность пород выделять газовую фазу изменяется в очень широких пределах: от минимальной у карбонатных пород ультраметаморфического ряда до максимальной у известковистых песчаников. Другим важным моментом, полученным в результате проведенного моделирования, стало установление того факта, что имеются породы (доломит), выделяющие СО2 в существенно низкотемпературной области (Т < 200 0С). При повышении давления до 1 – 2 кбар, приближающихся к ТР – параметрам протекания процессов регионального метаморфизма, у доломита, по сравнению с другими рассматриваемыми породами, меньше повышается температурный барьер начала выделения СО2. На следующей стадии исследования первоначальная модель была расширена за счет включения компонентов водного раствора и ряда минералов, образующихся в низкотемпературной области. Термодинамическая система Al-Ar-C-Ca-Cl-Mn-Fe-K-Mg-N-Na-P-S-Si-Ti-H-O-e включает водную фазу (145 компонентов водного раствора, в том числе растворенные газы), газовую фазу (Ar, CO, CO2, CH4, H2, O2, N2, NH3, H2S, S2, SO2, SO3) и 70 минеральных фаз. Температура изменялась от 5 до 200 0С, давление от 1 до 625 бар. Степень протекания гидрогеохимического процесса задавалась путем изменения величины соотношения порода/вода (10-7 – 1) при фиксированном количестве H2O (1 кг) и последовательном увеличении количества взаимодействующей с водой породы. Результаты моделирования, представленные на рис. 1, показывают характер изменения интегральной характеристики водного раствора – величины рН и поведение диоксида углерода в зависимости от степени взаимодействия воды с тремя отличающимися по способности формировать углекислоту типами пород при температуре 100, 150 и 200 0С. Взаимодействие воды с ничтожно малым количеством породы (порода/вода =10 -7) формирует слабокислые растворы мрамора, глинистого известняка и доломита. Увеличение массы породы, взаимодействующей с водой, повышает щелочность растворов. Процесс устойчив во всех растворах до достижения определенной величины соотношения порода/вода близкой к 10 –4.6. Этот рубеж связан с началом выпадения доломита в растворах мрамора и доломита, а в растворе глинистого известняка – кальцита. После чего кривые рН у мрамора, глинистого известняка и доломита расходятся. Изменения pH, показанные на рис. 1, в целом, отражают поведение кислотно-щелочного равновесия растворов воды, взаимодействующей с породами, как не образующими или слабо образующими, так и образующими кислые газы. Увеличение температуры приводит к повышению кислотности растворов. Повышение кислотности растворов доломита и глинистого известняка при увеличении степени взаимодействия воды с породой связано с продолжающимся и увеличивающим свою интенсивность процессом образования диоксида углерода (рис. 1). В растворе мрамора, щелочность которого увеличивается по мере повышения степени протекания процесса, содержание углекислоты стабилизируется, а при более высоких температурах (150 – 200 0С) даже несколько понижается. Стабилизация поведения кривых концентрации углерода в растворах мрамора и устойчивый их рост и резкие изменения в растворах доломита и глинистого известняка при увеличении степени взаимодействия воды с породой обусловлены появлением и/или исчезновением минералов твердой фазы и связанным с этим перераспределением элементов между твердой фазой и раствором, а также в самом растворе. Выпадение вторичных минеральных фаз и соотношение их концентраций зависит от кислотно-щелочного равновесия и минерализации растворов и их газонасыщенности. Состав и концентрация вторичных минеральных фаз, формирующихся в растворах одних и тех же пород при разных температурах, может заметно отличаться. Характер изменения концентрации диоксида углерода в растворах осадочных отложений метаморфических образований и пород различных гранитных комплексов позволяет сделать важный вывод о формировании высоко насыщенных углекислотой водных растворов в области умеренно высоких (100-150 0С) температур. Такими способностями обладают не только карбонатные осадочные и метаморфические породы, но и граниты. В большинстве пород в изученных интервалах температур и давлений углерод образует окисленные формы, поэтому газовая фаза на 98-99 % представлена СО2. Однако, даже среди весьма ограниченного состава исследованных пород, встретились метаморфические образования, в водных растворах которых углерод присутствует в различных степенях окисления, и наряду с его окисленными формами образуется метан. В результате формируются метаново – углекислые и углекисло – метановые и даже метановые растворы. Таким образом, выполненное исследование позволило установить возможность формирования высоко насыщенных углекислых, а также метановых вод внутри системы «вода-порода» в различных по генезису образованиях в области умеренно высоких температур. Газовый режим системы «водапорода» определяется составом пород, температурой системы и степенью взаимодействия воды с породой. Проведенное моделирование продемонстрировало чрезвычайно высокую роль воды в этом процессе, когда генерация углеродистых газов начинается на несколько сотен градусов ниже по сравнению с разогревом сухих пород. Работа поддержана грантом РФФИ 06-05-64708 и грантом интеграционного проекта СО РАН № 88. Список литературы Войткевич Г. В., Кокин А. В., Мирошников А. В., Прохоров В. Г. Справочник по геохимии. М.: Недра, 1990, 480 с. Карпов И. К. Физико-химическое моделирование в геохимии. Новосибирск: Наука, 1981, 246 с. Карпов И. К., Зубков В. С., Степанов А. Н., Бычинский В. А., Артименко М. В. Термодинамический критерий метастабильного состояния углеводородов в земной коре и верхней мантии. // Геология и геофизика, 1998, т. 39, № 11. С. 1518-1528. Киссин И. Г., Пахомов С. И. К геохимии углекислоты в глубоких зонах подземной гидросферы. // Геохимия. 1969, № 4. С. 460–471. Крайнов С. Р., Рыженко Б. Н. Причины геохимического разнообразия углекислых вод в массивах кристаллических пород. // Водные ресурсы, 2002, Т. 29, № 1. С. 26-38. Крайнов С. Р., Рыженко Б. Н., Швец В. М. Геохимия подземных вод. Теоретические, прикладные и экологические аспекты. М.: Наука, 2004, 677 с. Павлов С. Х., Карпов И. К., Чудненко К. В. Полное и метастабильное термодинамическое равновесие в системе углерод-вода. // Фундаментальные проблемы современной гидрогеохимии: Труды международной научной конференции, посвященной 75-летнему юбилею гидрогеохимии. Томск: Изд-во НТЛ, 2004. С. 51-57. Петтидджон Ф. Дж. Осадочные породы. М.: Недра, 1981. 752 с. Рыженко Б. Н., Барсуков Викт.Л., Князева С. Л. Химические характеристики (состав, рН, Eh) системы порода/вода. 1. Системы гранитоиды/вода // Геохимия, 1996, № 5. С. 436-454. Рыженко Б. Н., Барсуков Викт. Л., Князева С. Л. Химические характеристики (состав, рН, Eh) систем порода/вода. II. Системы «диорит(андезит)/вода» и «габбро(базальт)/вода» // Геохимия, 1997, № 12. С. 1227-1254. Таран Ю. А. Геохимия геотермальных газов. М.: Наука, 1988, 169 с. Флюидный режим метаморфизма. Новосибирск: Наука, 1980, 192 с. Arnorsson, S., Sigurdsson, S. and Svavarsson, H. The chemistry of geothermal waters in Iceland. 1. Calculation of aqueous speciation from 00 to 3700C // Geochimica. et Cosmochimica Acta, 1982, 46. P. 1513-1532. Рис. 1. Изменение величины pH и концентрации диоксида углерода в растворах мрамора, доломита и глинистого известняка в зависимости от величины отношения порода/вода при температуре: А – 100 єС; Б – 150 єС; В – 200 єС.