Экспериментальное изучение гетерогенных флюидных равновесий в системах силикат-вода-соль

Котельникова* З.А., Котельников А.Р.**

*ИГЕМ РАН, Москва, **ИЭМ РАН, Черноголовка

Экспериментальный метод синтетических флюидных включений (СФВ) состоит в залечивании сети трещин, специально полученной в образце кварца или другого минерала, сопровождающемся образованием флюидных включений (ФВ). Синтезированные из растворов известного состава при заданных температурах и давлениях включения рассматриваются как своеобразные пробоотборники флюидов и изучаются обычными методами термобарогеохимии. Важным моментом является факт присутствия в равновесии с флюидом силикатной фазы (кварца) как избыточного компонента. Это с одной стороны осложняет интерпретацию экспериментов, увеличивая компонентность изучаемой системы. Но с другой стороны, позволяет более полно моделировать природные флюиды, всегда находящиеся в контакте с силикатными фазами.

Опыты проводили при 700-800°С, Р=1, 2 и 3 кбар с растворами NaF, Na₂SO₄разной концентрации. Следует отметить, что эти соли, как и многие другие соединения элементов минерализаторов и (алюмо)силикатов в присутствии воды имеют диаграммы состояния II (P-Q)-типа. Результаты оптического изучения образцов свидетельствуют, что все опыты проходили в присутствии гетерогенного флюида: обнаружены включения с разным количеством фаз: двух-, трех- и четырехфазные: газ+ жидкость+ кристаллы+ стекло. Захват фазы стекла включениями однозначно свидетельствует о наличии взаимодействия флюида с кварцем при Т-Р-условиях опыта. Анализ стекол СФВ из опыта, проведенного при 800°С и 2 кбар в присутствии 2 мас.% NaF в воде показал, что в них содержится мас.%: 3.7√7.0 Na₂O, 0.3√4.0 F, 79.0√84.0 SiO₂. Таким образом, в данном случае следует говорить о флюидных равновесиях не в бинарных системах вода√соль, а в тройных вода√соль√кварц. Наличие разнотипных включений в продуктах опыта однозначно свидетельствует, что P-t -условия находятся ниже критической поверхности тройной системы H₂O√SiO₂√соль, но выше поверхности кристаллизации. Переход флюидных равновесий от бинарной к тройной системе можно представить как растворение кремнезема в высококонцентрированной водно-солевой фазе. В гетерогенных условиях протекает высокотемпературный гидролиз, и несмесимые флюиды имеют значительные различия по величине рН. Концентрированная фаза обогащалась щелочью, которая вступала во взаимодействие с кварцем, повышая таким образом растворимость последнего, появлялся так называемый ╚тяжелый флюид╩: богатый SiO₂ водно-солевой раствор-расплав. Тяжелый флюид характеризуется высокими содержаниями SiO₂ и воды, высокой плотностью, вязкостью, и, самое главное, - большой химической активностью. Растворимость рудных компонентов в нем по литературным данным может достигать десятков процентов и, в отличие от чисто водных растворов, температурный коэффициент их растворимости положителен. Кроме того, с ростом концентрации соли в тяжелом флюиде растворимость рудных компонентов также монотонно повышается (или имеет максимум).

Этот тяжелый флюид, в свою очередь, также расслаивается на фазы, значительно различающиеся по содержанию SiO₂, но с почти одинаковым отношением вода:соль, если при снижении P-t √параметров давление станет ниже линии пересечения поверхностей расслаивания и кристаллизации. Процесс расслаивания стекла наблюдали во включениях, захваченных из NaF- и Na₂SO₄-содержащих растворов. При этом в равновесии во включениях могли сосуществовать три или четыре некристаллических фазы. Следует отметить, что если давление незначительно снизить, то критические явления между расслаивающимися фазами будут невозможны, и на диаграмме состояния появятся два отдельных поля: водно-солевой жидкости и силикатно-водно-солевой.

Кроме того, возможно расслаивание на две несмесимые жидкости при охлаждении и обособленной водно-солевой фазы. Такое расслоение наблюдали в интервале 200-400°С как в насыщенных, так и недосыщенных растворах Na₂SO₄: у стенок включения или у границ пузырька пара появлялась еще одна жидкая фаза, не исчезавшая вплоть до декрепитации.

Таким образом, область существования гетерогенных флюидных равновесий значительно расширяется в сторону низких температур вплоть до 180√200°С. Грубая оценка путем линейной интерполяции условий экспериментов давлений, при которых происходит расслоение тяжелой или водно-солевой фаз флюида дает величины около 200√500 бар соответственно. Полученные экспериментальные результаты указывают на необходимость учета фазовых отношений во флюиде с учетом присутствия тяжелого флюида. Обычно при моделировании природных флюидов используют особенности строения бинарных водно-солевых систем, которые не описывают таких равновесий, возникающих только при увеличении числа компонентов. В многокомпонентных флюидно-силикатных системах, во-первых, значительно увеличивается возможность гетерогенизации флюида и, во-вторых, в результате этой гетерогенизации возможно равновесие не только двух, а трех, четырех и более несмесимых фаз.

Полученные экспериментальные результаты свидетельствуют о сложных взаимоотношениях силиката и флюида при повышенных температурах и давлениях. На магматическом этапе, при 700-800°С и давлениях 1-3 кбар, флюидная фаза, содержащая фтор и сульфат-ионы, не является гомогенной. Это же можно сказать и обо всех водно-солевых системах P-Q типа, по которым имеются экспериментальные данные (карбонат натрия, сложные сульфаты и др.), так как температурные координаты критической точки Q (минимальная температура верней гетерогенной области) для пограничных бинарных систем вода-соль лежат обычно в интервале 400-500°С (Равич, 1974; Валяшко, 1990). Если же принять во внимание возможность взаимодействия флюид-силикат, область гетерогенизации должна быть еще шире: кварц и алюмосиликаты также образуют с водой системы второго типа, причем координаты верхней критической точки таких систем очень высоки. Присутствие соли как еще одного компонента в значительной степени расширит поле несмесимости в область низких температур и давлений.

Финансовая поддержка: грант РФФИ ╧ 07-05-00389.

зеркало на сайте "Все о геологии"