Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер
Строительная теплофизика
Прочность сплавов
Основания и фундаменты
Осадочные породы
Прочность дорог
Минералогия глин
Краны башенные
Справочник токаря
Цементный бетон




13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017





Яндекс.Метрика
         » » Источники термальной энергии при рудоотложении

Источники термальной энергии при рудоотложении

12.09.2017

Энтальпия. Термальная энергия в земной коре генерируется за счет кондукции тепла и внедрения магм из подкоровых зон, радиоактивного распада изотопов 40K, 238U и 232Th, разгрузки напряжений вдоль зон разломов, экзотермических реакций минерал — раствор и приливной энергии. Наиболее важный среди них — подкоровый источник, тепловая энергия которого переносится кондуктивным способом и вследствие магматических и связанных с ними процессов; другие источники прибавляют к термальной энергии менее нескольких калорий энергии на 1 г породы с фиксированным временем увеличения, тогда как при магматических процессах за то же время выделяется несколько сотен калорий на 1 г горной породы.
Общая термальная энергия, связанная с магматическим теплом, зависит от массы и химического состава магмы. Распределение энергии определяется формой тела. Суммарная термальная энергия, выделяемая при остывании магмы до температуры окружающей среды и расходуемая на взаимодействие с водными растворами, обусловлена теплотой кристаллизации магмы, энтальпией расплавов и твердых фаз, теплотой реакций гидролиза и теплотой связанных с ними реакций в водной фазе:

где С — теплоемкость расплава и твердой фазы в кал/(г*°С), AHx — теплота кристаллизации твердых фаз из расплава в кал/г, AHr — теплота, обусловленная реакциями гидролиза, в кал/г, a M и Mr — соответственно масса всей породы и измененной породы в граммах. Реакции в водной фазе между ионами и комплексами и реакции окисления-восстановления не рассматриваются. Тепловые свойства систем, аналогичных системам типа базальт, гранит и альбит — H2O, сведены в табл. 12.1. Используемые в вычислениях средние значения теплоемкости твердых фаз пригодны потому, что во всем интервале температур теплоемкость минералов меняется приблизительно только на 10%. Допущение о равенстве теплоемкостей твердой фазы и расплава не вносит в расчет значительных погрешностей, поскольку, согласно геологическим данным, можно предположить, что большая часть плутонических тел внедрялась при температуре ниже их температуры ликвидуса и что на протяжении почти всей истории их остывания (~90% времени) в верхней части земной коры они представляли собой преимущественно кристаллические тела.

Теплота кристаллизации зависит от химического состава магм, причем особую роль играют летучие компоненты. Данные по системам альбит — H2O позволяют рассчитать влияние растворенной воды на AHx (табл. 12.1). На глубинах до 5 км в гранитных расплавах может быть растворено приблизительно 3 вес.% H2O; следовательно, AHx = 50 кал/г будет реальной для магм этого типа.
Теплоты реакций гидролиза, осуществляющихся на постмагматической стадии охлаждения, обусловлены: необратимым растворением минералов изверженных пород, вступающих во взаимодействие; суммой теплот обратимых реакций осаждения или растворения минералов гидротермального происхождения; теплотами ассоциации — диссоциации водных комплексов; теплотами окислительно-восстановительных реакций между водными компонентами. Энтальпия реакций равновесного гидролиза породообразующих силикатов для таких реакций, как минерал +H+ <—> водные нескомплексированные ионы, может быть выражена в виде

Энтальпия представляет собой тепло, поглощенное при этой реакции; например, —AHr характеризует изотермическую реакцию. В общем для таких минералов, как силикаты и окислы (за исключением кварца), энтальпии этих реакций характеризуются высокими отрицательными значениями — примерно -10в4 кал/моль, которые уменьшаются с увеличением температуры. Наоборот, сульфидные минералы и кварц имеют положительные энтальпии реакций аналогичной величины. Энтальпии диссоциаций водных ионных комплексов имеют, как правило, величины меньшие, чем энтальпии твердых фаз; тем не менее реакции окисления, особенно те из них, в которых участвуют водные соединения серы и кислорода, характеризуются большими отрицательными значениями энтальпий реакций — примерно -10в4 кал/моль. Теплоты реакций окисления могут быть существенными в тех гидротермальных системах, в которых количественное значение имеет окисление восстановленной серы до сульфата, например в обстановке термальных источников.
Энтальпия реакций гидролиза была рассчитана для процесса изменения кварцевого диорита в кварц + серицит и в калиевый полевой шпат + биотит при температуре около 300° С; результаты показаны соответственно в табл. 12.2 и 12.3. В этих расчетах было сделано допущение, согласно которому теплоты реакций, обусловленные необратимым растворением минералов, равны теплотам реакций обратимого растворения и источники или поглотители тепла в водной фазе были незначительными. Используемые в расчетах данные о количествах минералов были получены при изучении природных минеральных ассоциаций измененных пород. Согласно этим данным, все суммарные реакции, в результате которых образуются метасоматические фазы, экзотермические и выделяемая энергия составляет от 44 до 68 кал/г. Читатель также должен иметь в виду, что по мере того, как снижается процентная доля измененной породы, снижается и обусловленная гидролизом энтальпия. Кроме того, наибольшее количество энергии процессов гидролиза будет стремиться выделиться при низких температурах, при которых отношения массы первичных минералов, испытавших разложение, к массе вновь образованных метасоматических минералов являются максимальными. Этот последний эффект целиком связан с большими значениями теплот экзотермических реакций, происходящих при растворении минералов. Таким образом, действие гидролиза будет направлено на увеличение времени существования термоаномалии, особенно в интервале низкотемпературных стадий.

Рассчитанная суммарная энтальпия интрузивного тела, кристаллизующегося при температурах ликвидуса, остывающего до температуры окружающей среды и частично измененного под действием гидротермальных флюидов, составляет около 360 кал/г для гранита и 310 кал/г для его неизмененной разности (табл. 12.1). Общая термальная энергия, связанная с внедрением плутонов кислого состава, которые под действием растворов претерпели затем гидротермально-метасоматические изменения, составляет примерно 10в15 ккал на 1 км3 плутона. Для неизмененной массы это число уменьшается приблизительно на 15%.
Форма. Форма и размеры магматических тел определяют распределение и количество тепловой энергии в гидротермальной системе. Наши знания о морфологии плутонических магматических масс на глубине не совсем достоверны. Тела базальтового состава имеют, по-видимому, простые дайко-образные формы и протягиваются на очень большие глубины, тогда как тела гранитного типа имеют в плане вытянутую или изотермическую форму, а их вертикальные размеры меньше диаметра в плане. Обобщение сейсмических и гравиметрических данных и данных о значениях тепловых потоков привело к выводу о том, что батолитовые массы, в частности, могут иметь мощность только несколько километров. Определения мощности батолита Сьерра-Невада дали значения от 5 до 15 км. Сведение воедино независимых друг от друга аргументов ряда авторов, основанных на их геофизических наблюдениях, а также данные о распределении продуктов контактового метаморфизма вокруг интрузивных тел на глубоко эродированные участках позволяют предполагать, что отношение максимального диаметра тела к его мощности равно или больше единицы. Лишь наблюдения о том, что батолиты представлены массами сросшихся штоков, могут позволить нам отказаться от этого заключения. Принято считать, что в поперечном разрезе магматические плутоны рудных районов представлены только верхними частями громадных масс, протягивающихся на огромную глубину. Эта гипотеза находится в очевидном противоречии с результатами изучения батолитов, опубликованными Гамильтоном и Майерсом.
Распределение в пространстве и времени. Количество суммарной тепловой энергии гидротермальной системы также зависит от характера проявления магматической деятельности в пространстве и времени. В рудных районах с гидротермальными месторождениями магматическая деятельность имеет многоактный характер. Следовательно, наложение одного гидротермального процесса на другой оказывается неизбежным, поскольку радиометрический возраст связанных с этими процессами интрузивов обычно отличается меньше чем на 1 млн. лет. Подобные интрузии часто пространственно сближены, так что конвективный перенос от одного из источников может происходить по тем же самым протяженным трещинам, что и от более раннего источника тепла. Несмотря на то что взаимодействие конвективных флюидных систем детально не анализировалось, несомненно, что появление очередного источника тепла в моделируемой области продлевает время циркуляции флюидов; и в той мере, насколько неизмененными окажутся в течение второго акта магматической деятельности указанные протяженные трещины, пропорционально возрастет и отношение флюид/порода, даже если характер течения изменится в соответствии с новым источником тепла.
Конвективные потоки флюидов, порожденные интрузивными телами, расположенными друг от друга на расстояниях, превышающих половину ширины их конвективных флюидных систем, не будут взаимосвязанными. Типичное расстояние между действующими вулканическими центрами при современных границах конвергентной литосферной плиты оценивается примерно в 70 км. При таком расположении они заведомо находятся вне пределов смежной конвективной циркуляции флюидов. Горизонтальные размеры конвективных систем зависят от глубины, на которую распространяется течение флюидов; например, ширина гидротермальной системы в данном модельном случае равна высоте всей области моделирования, т. е. 5,50 км (рис. 12.1).
Распределение во времени событий магматической деятельности фактически остается неизвестным для временной шкалы, представляющей интерес для моделирования тепловых процессов, поскольку степень разрешения методов возрастной датировки недостаточна для определения положения событий интрузивного магматизма на шкале +50 000 лет.