Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Математическое моделирование химической зональности в метаморфических реакционных структурах горных пород

ВАК РФ 04.00.02, Геохимия

Заключение Диссертация по теме "Геохимия", Шеплев, Валентин Семенович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты последовательной реализации намеченной программы исследований позволяют заключить, что поставленные задачи в основном выполнены. Найденное автором аналитическое решение модели Коржинског-Фишера-Джосгена послужило ключом к решению всех рассматриваемых в работе задач, связанных с диффузионным и инфилырационным метасоматозом. При фиксированных значениях параметров модель допускает существование одной, нескольких и даже непрерывного ряда различных последовательностей. Из всех возможных конфигураций зональности реализуется та, в которой скорость производства энтропии максимальна. Из этого экстремального принципа прямо следуют состав, число, последовательность и мощность слоев в зональности, скорости реакции на границах слоев, потоки и градиенты потенциалов в каждом слое. При этом решающее значение приобретают сродство и константа скорости брутто-реакции между пространственно разобщенными минералами. Константа скорости этой реакции (1.32) - системная характеристика всей совокупности параметров, конфигурации зональности и состава всех слоев.

В случае нескольких реакций между минералами возможно сопряжение реакций - протекание некоторых из них в направлении увеличения свободной энергии, однако в целом, по» всей совокупности реакций, свободная энергия системы убывает. Это согласуется с предложенным в работе критерием термодинамической устойчивости зональности. Критерий прост в использовании, прозрачен по содержанию и надежно диагностирует возможное пересыщение межзернового флюида в любой точке зональности в отношении отсутствующего здесь минерала. Несоблюдение критерия может привести к неправильной интерпретации данных природных наблюдений. Критерий термодинамической устойчивости не содержит термодинамических параметров, для его применения достаточно установить по наблюдениям стехиометрию общей на всю зональность реакции, в которой краевые минералы - реактанты, а минералы сегрегации - продукты. Используя формулы (1.32, 1.34) легко построить фазовую диаграмму изучаемой системы в пространстве параметров путем отслеживания границ и избежать постоянно обсуждаемой в литературе проблемы перебора астрономического числа возможных комбинаций. Уравнения для границ, как правило, удается вывести аналитически.

Достижения последнего времени (базы самосогласованных данных и модели активностей компонентов твердого раствора) позволили приступить к решению проблемы расчета составов фаз-твердых растворов в зональности. При решении соответствующей системы уравнений по Ньютону на каждом шаге итераций получается линейная система с матрицей, для обращения которой предложено удобное выражение. Выведены универсальные формулы коэффициентов активностей компонентов субрегулярного раствора.

При анализе многофазной системы оказалась полезной интерпертация диаграммы мультисистемы как сечения нонвариантной сверхсистемы, которое строится весьма просто на основе доказанного автором положения: столбцы стехиометрической матрицы независимых реакций задают направления лучей Скрейнемакерса.

Система уравнений, описывающих процессы в инфильтрационной колонке, существенно отличается от уравнений диффузионного метасоматоза, однако и в этом случае удается провести полный анализ с использованием найденных формул. Рассчитанный нам параметрический портрет совокупности инфильтрационных колонок содержащих зоны-призраки, существенно дополняет известные результаты исследований Балашова и Лихтнера (1991).

Несколько проще представляется задача восстановления РТ-условий квазистационарно растущей зональности, поскольку все необходимые параметры зональности берутся из наблюдений. Формулы (1.33 и 1.47) позволяют прямо использовать существующие и апробированные геотермобарометры, выведенные из условий взаимного равновесия, применительно к заведомо взаимонеравновесным минералам. Введенная уравнением (1.33) проекционная матрица принудительно приводит все миналы каждой фазы в равновесие с флюидом фиксированного состава, а следовательно, между собой.

В проблеме ритмической зональности удалось завершить исследование модели Ванга-Мерино. В четырехпараметрическом пространстве построено разбиение на области качественно различного поведения динамической системы уравнений. Для этого пришлось разработать алгоритм расчета ляпуновских коэффициентов произвольного индекса. Обнаруженные в системе автоколебания с числом предельных циклов в окрестности стационара до трех и высокая критичность к изменению параметров ставят жесткие ограничения на пределы изменения их реальных значений.

На основе полученного решения модели диффузионного метасоматоза, для основных типов пород (карбонаты, метапелиты, метабазиты, гранулиты и пироксениты) впервые построены параметрические диаграммы полей устойчивости различных последовательностей. Для исследованных пород найдены полные списки всех возможных зональностей. Обнаружены последовательности с разрывным интервалом покрытия, в которых слои, содержащие определенный минерал, разделяются слоями без этого минерала. Сопоставление результатов моделирования зональности в метаморфических породах с результатами наблюдений позволило оценить интервалы диффузионной подвижности компонентов флюидной фазы (в терминах относительных коэффициентов Онсагера) в различных породах: в метагаббро Ьдгсоэ <0.25 Ь5-,02, ЬМ8о= 2-5 Ь8Ю2; в метапелитах ЬА|2оз<0.25 Ь^ог, ЬМго= 2-5 Ьзюг, ЬРс0 =2-5 Ьзюг- ЬК2о >2.5 Ьяюг- По результатам поставленных в Институте минералогии и петрографии экспериментов [17] оценены абсолютные значения коэффициентов диффузии Са и М§ в короне, возникающей на контакте доломита с агатом. При температуре Т= 600-700 "С и давлении 2 кбар эти коэффициенты находятся в пределах (2.6-3.8) 10"'6 м2/сек.

В рамках сформулированной проблематики полученные результаты могут быть положены в основу исследований следующего этапа: анализа зональности в условиях остывания и декомпрессии. Для успешного продвижения в этом направлении необходима постановка экспериментов для изучения скорости массопереноса в разных системах и типах зональности в условиях, приближенных к природным. Математический айализ зональности в условиях остывания и декомпрессии предъявляет повышенные требования в отношении достоверности базы термодинамических данных и моделей активности. Прогресс в этом направлении исследований позволит вплотную приблизиться к решению одной из важнейших задач петрологии -определению длительности метаморфических событий.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

1. SheplevV.S., Luss D. (1979) Steady state multiplicity of fluidized be reactors. The solid-circulation model 11 Chem. Eng. Sci. v.34, p.515-521

2. Волкова Н.И., Шеплев B.C. (1980) Модель диффузионног метасоматоза в квазистационарном приближении. // Доклады А СССР, т. 252, N 5, стр. 1224-1227.

3. Боресков Г.К., Мещеряков В.Д., Шеплев В.С., Иванов А.А. (1984 Влияние фазовых превращений ванадиевых катализаторов на кинетик окисления двуокиси серы // Международный симпозиум п теоретическим вопросам кинетики каталитических реакций Черноголовка, с. 54-59

4. Шеплев B.C. (1986) Моделирование каталитических реакторо Новосибирск. 87с

5. Reshetnikov S.I., Fadeev S.I., Sheplev V.S. (1986) Methods for findin steady-state solutions of mathematical models for chemicotechnological schemes // React. Kinetic Catal. Letters v.30, N.2 p.275

6. Шеплев B.C., Колобов В.Ю., Кузнецова Р.П. (1990). Моделирование стационарного роста зональных минеральных структур // Новосибирск, :Изд-во ИГиГ СО АН СССР. Препринт N 20. 47 с.

7. Шеплев В.С., Корнеева JI.B., Ревердатто В.В. (1990) Простая модель растворения и роста рассеянных минеральных зерен при метаморфизме //Геохимия, N7, с.954-961

8. Шеплев B.C., Колобов В.Ю., Кузнецова Р.П., Ревердатто В.В. (1991). Анализ роста зональных минеральных сегрегаций и получение характеристик массопереноса при метаморфизме. 1. Теоретическая модель в стационарном приближении // Геология и геофизика, N 12, стр. 3-17.

9. Шеплев B.C., Кузнецова Р.П., Колобов В.Ю. (1992) Анализ роста зональных минеральных сегрегаций и получение характеристик массопереноса при метаморфизме. II Исследование системы Si02-Al203-MgO-Na2Ca5/2O // Геология и геофизика, N 2, стр. 84-93.

10. Шеплев B.C., Кузнецова Р.П., Колобов В.Ю. (1992) Анализ роста зональных минеральных сегрегаций и получение характеристик массопереноса при метаморфизме. III. Модель стационарной диффузии // Геология и геофизика, N 6, стр. 49-57 Кузнецова Р.П., Шеплев B.C., Колобов В.Ю. (1992) Анализ роста зональных минеральных сегрегации и получение характеристик массопереноса при метаморфизме. IV. Исследование системы SiO -MgO-CaO // Геология и геофизика, N 9, стр.52-61. . Шеплев В.С. (1993) Автоколебания при кристаллизации из раствора //

Доклады АН СССР, т. 328, N 6, с. 728-730. ( . Кузнецова Р.П., Колобов В.Ю., Шеплев B.C. (1994) Анализ роста зональных минеральных сегрегации и получение характеристик массопереноса при метаморфизме. V. Исследование системы SiO? -Al203-Fe0-Mg0-K20-Na20 // Геология и геофизика, N 10, стр. 105-115. . Шеплев B.C., Ревердатто В.В. (1994) Исследование модели рифтогенеза // Доклады АН, т334, N1, с 103-105 . Шеплев В.С. (1994) Параметрический портрет метасоматической колонки в режиме инфильтрации // Докл. РАН СССР, т.338, N1, с81-84 . Ревердатто В.В., Шеплев B.C., Полянский О.П. (1995) Метаморфизм погружения и эволюция рифтовых впадин // Петрология, t3,N1,C. 37-44 Шведенков Г.Ю., Колобов В.Ю., Ревердатто В.В., Шеплев B.C. (1996) Определение коэффициентов диффузии Са и Mg с помощью экспериментального воспроизведения меггасоматических зон в образовании кварц-доломитовой короны // Докл. РАН, т.348, N2, с. 240-244. . Шеплев B.C. (1996) К построению пучковых диаграмм // Петрология, N4(1), с. 159-165. Шеплев B.C., Слинько М.Г. (1996) Периодические режимы в проточном реакторе смешения // Proceedings of XIII Int. Conf. on chemical reactors. -Новосибирск т.II, c.53-59

Ashworth J.R., Sheplev V.S. (1997) Diffusion modelling of metamorphic layered coronas with stability criterion and consideration of affinity // Geochimica et Cosmochimica Acta, 61, N17, p.3671-3689 Шеплев B.C., Слинько М.Г. (1997) Периодические режимы в проточном реакторе смешения // Доклады АН, т 353, N 6, с.781 -784 Шеплев B.C. Ревердатто В.В. (1997) Минералогичская геотермобарометрия в условиях неустановившегося равновесия // «Науки о Земле на пороге XXI века: новые идеи, методы, решения » -Москва , «Научный мир», с.203

23. Брыксина Н.А. Шеплев B.C. (1997) Периодическая зональность пр росте кальцита из водного раствора // Математическое моделировани т.9, N 6, с. 32-38

24. Ананьев В.А, Шеплев B.C., Ревердатто В.В. (199 Термодинамический расчет минеральных равновесий и границ контактового метаморфизма для железистых малокремнисты метапелитов // Доклады АН, т.357, N 5, с. 665-666

25. Слинько М.Г., Зеленяк Е.И., Акрамов Т.А., Лаврентьев М.М. Шеплев B.C. (1997) Проблемы нелинейной динамики каталитическ , реакций и процессов (обзор результатов) // Математическо моделирование, N 12, с. 1-37

26. Sheplev V.S., Kolobov V.Yu., Kuznetsova R.P. (1997) Analysis о growth of zonated mineral assosiations // " Theophrastus1 Contribution t Advansed Studies In Geology - Vol. II", c.223-247.

27. SheplevV.S., Reverdatto V.V. (1998) A contribution to the furthe investigation of McKenzie rifting model // Geophysica, 34 (1-2), p.63-76

28. Ashworth J.R., Reveratto V.V., Kolobov V.Yu., Lepetyukha V.V., Sheple V.S. (1998) Textures of diffusion controlled reaction in contact metamorphosed Mg-rich granulite, Kokchetav area, Kazachstan / Mineralogical magazine 62, pt. 2, April, p.213-224

29. Ashworth J.R., Sheplev V.S., Bryxina N.A., Kolobov V.Yu., ReverdaU V. V. (1998) Dififusion-controled corona reaction and overstepping in garnet granulite, Yenisey Ridge, Siberia // J. Metam. Geol., 16, p.231-246

30. Sheplev V.S., Trescov S.A., Volokitin E.P,(1998) Dynamics of a stirre tank reactor with first order reaction // Chem.Eng. Sci., v 53, N12, pl-10

31. Ревердатто B.B., Шеплев B.C. (1998) Метаморфизм низки, давлений / высоких температур в орогенических поясах и метаморфиз погружения в осадочных бассейнах при расширении литосферы: геодинамические причины и моделирование // Международны" симпозиум, посвященный 90-летию академика В.С.Соболева. Новосибирск. Тезисы с. 33-34.

32. Шеплев B.C., Брыксина Н.А., Слинько М.Г. (1998) Алгоритм расчета ляпуновских величин при анализе химических автоколебаний // Доклады РАН, т 359 N6 с 789-792

33. Шеплев B.C., Ревердатто В.В. (1998) Минералогическая геотермобарометрия в условиях неустановившегося равновесия // Доклады РАН, т. 361, N3, с.392-396