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
         » » Принципы, постулаты и ограничения термометрии по включениям

Принципы, постулаты и ограничения термометрии по включениям

12.09.2017

Как упоминалось ранее, Сорби показал, что газовые пузырьки, присутствующие во флюиде большинства включений, образовались при сжатии различной степени, вызванном понижением температуры — от более высокой до температуры в момент наблюдения, и что температура образования включений может быть определена при нагревании образца до исчезновения пузырька. Вполне очевидно, что любое обратимое фазовое изменение, происходящее при охлаждении первоначально гомогенной флюидной фазы (появление газовой фазы, кристаллизация вещества на стенках или в виде минералов-узников, разделение на несмешивающиеся жидкости и прочее), может быть использовано в качестве термометра. Ограничения в использовании «усадочных» пузырьков впервые подробно были рассмотрены Сорби. Последующее обсуждение будет касаться в основном таких пузырьков, однако суждения по этому поводу относятся, как правило, к любому фазовому изменению.
Co времен Сорби было сформулировано много новых постулатов и ограничений метода гомогенизации. Время от времени метод и полученные данные вызывали горячие споры, но, к сожалению, из-за невежества и пристрастия часто делались ошибочные заявления. Ограничения метода и его положения в сущности просты; сложности возникают при попытках оценить надежность выполненных определений и размеры возможных ошибок. Главные допущения метода следующие:
1. Флюид, захваченный при консервации включения, существовал как отдельная гомогенная фаза. Одиночного включения недостаточно для доказательства этого допущения, но, если по множеству включений в одном образце мы видим в общем одно и то же соотношение фаз, можно полагать, что был захвачен именно гомогенный флюид. Если при гетерогенизации соотношение фаз не было постоянным, а размеры не превышали размеров включений (например, коллоидная дисперсность), то, по-видимому, в отдельных включениях, образовавшихся из гетерогенных систем, соотношение сосуществующих фаз было различным, и все последующие фазовые изменения при охлаждении накладывались на эти первоначальные отличия. Как было сказано выше, в разделе «Гетерогенные системы», подобные свидетельства первоначальной двухфазности систем дают нам ценную информацию о среде, однако температурные данные по таким включениям обычно бывают ошибочными (см. также обсуждение данных по давлению и плотности). При первоначальном захвате газовой фазы (паров самого флюида при вскипании или наличии самостоятельной газовой фазы другого компонента, например CO2 в H2O) в более обычном варианте гомогенизации в жидкую фазу могут возникнуть особенно серьезные ошибки в сторону завышения (табл. 14.2). Автор свидетельствует, что захват первоначально существовавшей газовой фазы — относительно редкое явление, но в тех условиях, где оно происходило, могут быть тысячи включений, указывающих на достоверность этого события.
Поскольку вскипание может быть причиной рудоотложения, особенно важно иметь возможность подтвердить, действительно ли это происходило в тех рудных месторождениях, в которых для включений установлены меняющиеся в широких пределах отношения газ/жидкость. Кроме вскипания, колебания отношения газ/жидкость могут быть вызваны образованием включений в различное время из флюидов с разными условиями P — T, негерметичностью включений, их расшнуровкой, но такие явления обычно легко распознать при микроскопическом изучении. В простейшем случае вскипание приводит к образованию двух типов включений, отражающих образование либо из жидкой, либо из газовой фазы. Последние (также называемые «паровыми» включениями) при комнатной температуре содержат очень мало жидкости и очень большой пузырек газа, так что при нагревании они будут гомогенизироваться в газовую фазу с выпариванием жидкости при той же температуре, что и жидкие включения. (Такое определение будет точным, только если включение имеет узкий канал, в котором вследствие капиллярных сил концентрируется оставшаяся флюидная фаза.) Незначительное количество жидкости иногда захватывается паровой фазой, так же как и небольшое количество пара (небольшой пузырек) может быть захвачено жидкостью. В обоих случаях такие включения, очевидно, будут давать более высокие значения температуры по сравнению с температурой образования. Возможно, хотя и рискованно, использовать такие минимальные температуры (найденные по большому числу таких включений), как температуры образования, поскольку наиболее вероятно, что включения захватывают либо только жидкую, либо только паровую фазу.
2. Объем полости включения после консервации не меняется. Объем может меняться и в действительности меняется под влиянием различных факторов — кристаллизации на стенках или в самом флюиде, термического сжатия минерала-хозяина (и выпавших минералов) при охлаждении, изменений под воздействием колебаний внешнего и внутреннего давления. Ермаков и другие авторы уделяли много внимания вопросу уменьшения объема полости вследствие кристаллизации на стенках или образования минералов-узников и полагали, что это может привести к очень большим неточностям в величинах температур гомогенизации. Два фактора способствуют сведению этой ошибки к минимуму. Во-первых, осажденные во включениях минералы (и вещества, кристаллизовавшиеся на стенках) не будут сказываться на изменении объема, если они вновь растворяются при нагревании; во-вторых, изменение объема при кристаллизации или растворении вещества не равно просто объему новообразованного твердого вещества. Так, Бенсон и др. и Коупленд и др. показали, что поведение NaCl в надкритической водной фазе удивительно аномально в том, что для него характерен очень большой отрицательный мольный объем — порядка 2 л/моль. В таких условиях кристаллизация NaCl привела бы к увеличению кажущегося объема. Ермаков, кроме того, делает большой акцент на величинах термического расширения минерала-хозяина. Оно будет оказывать очень слабое влияние на размер пузырька при комнатной температуре (в минералах с более высоким коэффициентом термического расширения пузырьки будут несколько меньшие), но, так как сжатие обратимо сменяется расширением при охлаждении, это не должно сказываться на температуре гомогенизации. Последний фактор — изменение объема включения под влиянием внутреннего и внешнего давления — теоретически влияет на температуру гомогенизации, но практически этим можно пренебречь. Образование минерала-хозяина и герметизация включений происходят при повышенных давлениях, так что при снятии давления., по мере того как образец перемещается к земной поверхности, объем включений должен несколько увеличиваться. Однако при последующем нагреве в условиях обычных давлений минерал-хозяин испытывает значительное напряжение из-за того, что давление внутри включения не балансируется снаружи. По этой причине разница между объемом полости при образовании включений и объемом при гомогенизации в эксперименте должна быть по крайней мере вдвое больше величины сжимаемости минерала-хозяина при давлениях минералообразования. Так как эта сжимаемость очень мала, суммарный эффект на данной стадии термометрических исследований в геологии можно считать незначительным.
При условии корректности измерений в некоторых непрочных минералах получаются воспроизводимые, но завышенные величины температур гомогенизации, что, возможно, связано с остаточной деформацией стенок низкотемпературных включений.
3. Включение остается герметичным после его образования. Этот вопрос уже обсуждался в разделе «Негерметичность включений». Автор полагает, что негерметичность может встречаться, но сравнительно редко, если не считать тех случаев, когда породы подвергались дроблению или другим деформациям, либо при очень высоких градиентах давления (как, например, в контакте с близповерхностной дайкой).
Особый случай, эквивалентный негерметичности, — перешнуровка крупных включений с образованием нескольких более мелких, о чем упоминалось выше, в разделе «Изменения после образования включений». При расшнуровке и обособлении частей включений после образования газового пузырька (или любой другой новой фазы) два вновь образовавшихся включения будут давать различную температуру гомогенизации (рис. 14.4). У того, которое захватило пузырек, температура гомогенизации будет выше температуры образования, как если бы оно захватило первичный газовый пузырек, а у другого температура гомогенизации будет слишком низкой (она, в сущности, будет отвечать температуре при перешнуровке и герметизации). Автор считает, что отшнуровка и другие изменения формы включений в природных условиях весьма распространены, и в значительной мере в них заключается причина разброса результатов, который легко заметить практически во всех самых тщательных термометрических исследованиях. Расшнуровка происходит, видимо, значительно быстрее при повышенных температурах. Так, масштаб развития этого явления при первых 50° С охлаждения после образования может быть значительно большим, чем при последующих 50° С снижения температуры, если даже второй интервал продолжительнее. Если это происходит, могут быть настолько большие колебания отношения газ/жидкость, что впредь следует избегать измерений в таких включениях. Te группы включений, которые дают достаточно согласующиеся температуры (и многие из них дали материал для публикаций), возможно, не расшнуровывались из-за первоначально более или менее стабильной формы. Ho обычно полагают, что разброс величин температур гомогенизации включений, представляющихся синхронными, есть результат нестрогой синхронности, случайной негерметичности, экспериментальных ошибок и т. п.
4. Влияние давления незначительно или может быть учтено. Относительно этого допущения существует много путаницы, и вопрос еще более осложняется тем, что величина и знак поправок на давление, который следует применить, зависят от используемого метода определения температур (т. е. гомогенизации, а не декрепитации). В сущности, влияние давления сказывается лишь в контроле плотности растворов выше кривой кипения (рис. 14.2). Если флюидное включение образовывалось при кипении (т. е. в таких условиях P — T, когда жидкость находилась в равновесии или близка к нему с паровой или газовой фазой), температуры гомогенизации равны температурам образования, и здесь не требуется никакой поправки на давление. В таком включении образование газового пузырька начнется сразу же по охлаждении ниже температуры образования. В этом случае не имеет никакого значения, одинаковы ли составы газа и жидкости (как, например, для чистой воды) или же они совершенно различны (например, включения с СO2).
Если включение образовалось при комбинации P и T выше кривой кипения, пузырек в нем не будет возникать, пока температура и давление не опустятся ниже кривой кипения. Так как в этих условиях плотность остается, в сущности, постоянной, изменения P и T внутри включения должны быть представлены вертикальной линией на рис. 14.2. Эта разница температур и равна поправке на давление. Чтобы найти истинную температуру образования, ее следует прибавлять к величине температуры гомогенизации.
Если давление можно оценить по геологическим данным о мощности перекрывающих толщ, измеренные температуры гомогенизации могут быть скорректированы по давлению, и следовательно, будут получены подлинные температуры образования.

Достаточно часто эта поправка на давление делается в предположении, что флюид во включении — чистая вода или что он имеет те же давление пара, тепловое расширение и сжимаемость, что и чистая вода. В общем случае это не соответствует природным условиям, поскольку большинство флюидов включений представляют собой NaCl-рассолы. Для них двухфазовая область, ограниченная кривой кипения, расширяется вверх по сравнению с полем воды примерно пропорционально концентрации солей. Поскольку система NaCl — вода довольно близка к природным системам и, кроме того, только для нее имеются детальные данные, часть этой системы показана на диаграмме (рис. 14.5). Если солевая концентрация неизвестна, возможные из-за этого ошибки в поправках на давление минимизируются в предположении 10%-ной концентрации солей. Смит указал, что разница между температурой гомогенизации газовой и жидкой фаз и более высокой температурой, при которой исчезают минералы-узники, представляет минимальную величину поправки на давление.
Данные о плотности фаз в этой системе сравнительно немногочисленны. Добавление NaCl приводит к отчетливому подъему верхней температурной границы двухфазной области на рис. 14.2. Так, включение, содержащее 30% газа при комнатной температуре, должно гомогенизироваться при 302° С в случае чистой воды или при 460° С в случае 30%-ного раствора NaCl. Увеличение концентрации также вызывает сильное понижение давления пара (например, при 400° С 20% NaCl понижают давление пара флюида, имеющего плотность 0,7, примерно от 1000 до 250 бар). Радикально меняется и сжимаемость флюида, так что поправки на давление для включений солевых растворов могут быть либо больше, либо меньше, чем для включений с чистой водой. Разница значительна для включений с высокими температурами гомогенизации. Так, поправка на давление для включения, гомогенизирующегося в жидкую фазу при 350° С и образованного при давлении 2000 бар, составит 265° С для чистой воды и 180° С для 20%-ного раствора NaCl, т. е. температура образования (или захвата) будет равняться 615 или 530° С. Рёддер и Копп показали, что включения в синтетическом кварце должны давать относительно точные величины температур образования даже при высоких поправках на давление, если известны температура и давление. Когда состав не известен, ошибки, возникающие по этой причине, можно уменьшить, допустив 10%-ную концентрацию NaCl в растворе включений.
5. Происхождение включения известно. Включения могут дать информацию только о тех условиях, при которых они образовались. Если включения первичные, они служат указанием на условия формирования минерала-хозяина, если вторичные — на более поздние моменты в минералообразовании. Для многих включений легко установить их явно вторичную природу. Как показано в начале этой главы, в такой же мере бесспорные доказательства первичного происхождения сравнительно редки. Однако известно много примеров, когда данные по заведомо вторичным включениям оказывались вполне приемлемыми.
Несмотря на то что многочисленные ограничения и допущения, подробно рассмотренные выше, как может показаться, препятствуют применению метода, имеются многочисленные образцы из многих месторождений, которые представляются явно удовлетворяющими всем требованиям. Автор считает, что из всех существующих методов геологической термометрии рассматриваемый, основанный на флюидных включениях, вероятно, самый точный и, несомненно, наиболее широко применяемый. Из пяти рассмотренных допущений метода четвертый — о поправках на давление — представляет собой, вероятно, существенный источник многочисленных ошибок. Последний момент, касающийся происхождения включений, служит, видимо, важнейшим ординарным источником неопределенностей и ошибок в интерпретациях.