Влияние воды на физико-химические свойства расплавов магматического состава

Лебедев, Евгений Борисович

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Влияние воды на физико-химические свойства расплавов магматического состава
ВАК РФ 04.00.02, Геохимия

Автореферат диссертации по теме "Влияние воды на физико-химические свойства расплавов магматического состава"

АКАДИИИЯ НАУК СССР ОРДШ ЛЕНИН! ИНСТИТУТ ГВОШШ И АНАЛИТИЧЕСКОЙ ШИН ни. В.И.Вернадского

Специализированный совет по геохимии Д.002.59.02

На правах рукописи

л&щйн Евгений Борисович

ВЛИЯНИЕ ВОДЫ НА ИЗИКО-НШЧБСНИЕ СВОЙСТВА РАСПЛАВОВ ШЖВПЕСЯОГО СОСТАВА

Специальность 04.00.02 - геохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степеЕГ доктора хгодгаескшс наук

Москва 1981 г.

Работа выполнен* в Ордена Ленина Институте геохишш и аналитической химии им. В.И.Вернадского АН СССР.

Официальные оппоненты:

1. Доктор геолого-минералогических наук, профессор

Иванов И.П.

2. Доктор химических наук, доцент

Калашников Я.А.

3. Доктор химических наук, старш. научн. сотрудник

Рыженко Б.Н.

Ведущая организация - Институт физики Земли им. О.Ю.ПЪшдта АН СССР, г. Москва.

Защита состоится "За/" иШ&СрлА 1981.г. в на. заседании специализированного совета Д.002.59.02 в Институте геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского (ГБСКИ) АН СССР по адресу: Москва, 1Г7334, Воробьевское шоссе д. 47-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГЕСКИ АН СССР.

Автореферат разослан " И " ¿у.уис*?^ 1981 г.

Ученый секретарь /77/г*

специализированного совета ^ууСв-^7^-^Иванова Г.Ф.)

-Г-г \

. _ I

Глава I. ВВЕДЕНИЕ

Необходимость экспериментального и теоретического исследования влияния вода на физико-химические свойства штаатических расплавов определяется существенным влиянием летучих компонентов на магштический процесс и формирование верхних оболочек Земли.

Шгьатическому процессу исключительнуо роль в эволюции вещества тантии и формировании Земной корн, гидросферы и атмосферы придавал А.П.Виноградов.

Экспериментальное и теоретическое обоснование поведения вода-главного летучего компонента шгаы проводилось Н.И.1итаровнм. Он поставил и руководил направлением исследований тгьатогешшх процессов в присутствии летучих компонентов. Представленная работа является продолжением этих исследований.

Построение теории ¡¿апатического процесса и проведение расчетов геологических задач, связанных с проблемами породо- и рудо-образования затруднено из-за отсутствия физико-химических характеристик свойств тгьатических расплавов, тем более, что во многих случаях невозможно предсказать изменения физико-химических свойств и условий протекания процесса. Это подтверждено исследованиями, в которых в результате действия впсокнх давлений и летучих компонентов были обнаружены новые эффекты в поведении расплавов и резкие изменения их физико-химических свойств.

Получение сведений о влиянии летучих компонентов па шпзати-ческие расплавы обеспечивается при помощи экспериментальных исследований при высоких давлениях.

Изучением силикатных систем с летучими компонентами у нас в стране занишвтся ряд исследователей: Островский И.А., 2&риков В.А.,1&дик A.A..Рябчиков И.Д.»Когарко Л.Н., Рызанко Б.Н.,Эпель-баум U.E. и др.; за рубежом: В.Бернем, Х.Йодер, И.Куииро, 1.Шоу, Т.Цурасз, Б.Касен, К.Скарф и др. В результате их работ достигнут значительный прогресс по изучение силикатных шпзтичеекпх систем с летучими компонентами. ОдЕако^до последнего времени данные по характеристикам физико-химических свойств водно-енлика?- * ных расплавов тгштического состава3^были весьш ограничены.

®^Под расплавами магштического состава понимаются расплавы магматических пород и модельные расплава (альбит, кремнезем и искусственные снесп-анаяогп пород;, в которые во время опытов под давлением добавляется летучий компонент.

Актуальность тзштики работы вытекает из современного состояния учения о шотатическом процессе и определяется необходи -мостью в физико-химических данных по влиянию летучих компонентов (в первую очередь воды) на свойства силикатных магматических систем, имеющих основополагапцее значение для характеристики магматического процесса, почти не освещенных теоретическими и экспериментальными исследованиями. Эти данные также необходимы для использования их при решении генетических и практических вопросов, связанных с проблемами породо- и рудообразования.

Тема диссертации отвечает проблеме 3.14.1 "Геохимия процессов, происходящих в глубинных зонах Земной корн и верхней мантии',1 утвержденной Президиумом АН СССР в соответствии с решением Совета Министров СССР от 25 шя 1973 г. за й348.

Новизна и научная значимость диссертации состоит в следующем:

1. Впервые комплексно при высоких параметрах (давления и температуры) проведено исследование равновесий летучих компонентов в расшиве и физико-химических свойств водно-силикатных расплавов магматического состава, включающих составы кислых и основных дагм. Получены физико-химические константы, характеризующие влияние воды на силикатные расплавы (растворимость, плотность, электропроводность, диффузия, вязкость, поверхностное натяжение, скорость продольных волн). Установлены неизвестные ранее закономерности в поведении этих систем, имевдие общетеоретическое значение. Установлен эффект значительного снижения вязкости под высоким давлением в недосыщенных водой и сухих «апатических расплавах, установлена линейная зависимость удельных объемов водно-силикатных расплавов магматического состава (гранит, базальт, кремнезем) от содержания воды, изучены экстремальные зависимости растворимости воды в расплавах при высоких давлениях и др.

2. Дана термодинамическая характеристика системы силикат-вода (летучий компонент), проанализированы аналитические зависимости влияния воды на физико-химические свойства расплавов магматического состава.

Автором, одним из первых в мировой практике, сделано комплексное приложение экспериментальных физико-химических характеристик свойств к анализу равновесий расплавов ^апатического состава с летучими при высоких давлениях. На основе этого подхода, имеющего общий характер, были описаны (или уточнены и дополнены) условия физико-химических равновесий магматических расплавов с

летучими при высоких давления и тежературах.

3. С использованием полученных констант па основе простых моделей были рассмотрены физико-химические условия зароаденпя, эволюции 1ап.я, оценены динамические характеристики движения и дифференциации расплавов, приводящей к образовании различных пород.

4. В результате обобщения экспериментальных и теоретических данных созданы физико-химические основы представлений о взаимосвязи свойств тгттаческих расплавов с содержанием в них главного летучего компонента - воды.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Полученные константы пшроко используются для физико-хшичес-кого анализа слоеных природных систем, для реконструкции условий породо- и рудообразованкя, связанных с шгштическии процессом, для интерпретации геофизических данных, для расширения знаний о глубинных процессах.

2. Разработанные физико-химические методики узе используются в практике различных лабораторий и могут быть использованы для экспериментальных исследований при высоких давлениях систем с летучими компонентами для решения различных геохимических задач.

Аппаратура высокого давления с внутренним нагревом и методические разработки автора 11017т быть рекомендованы к применению не только в родственных, но и в широком круге научных лабораторий и производственных организаций.

3. Работа содержит фязпко-хшшческие рекомендации по практическому использованию полученных данных при выборе условий работ

в связи с оценкой свойств глубинного вещества при решении задач теоретического и практического характера (при глубинном бурении, при оценках газового резона в зонах активного вулканизма, при оценках геохимических критериев предвестников земле -трясений, а такзе при разработке технологических вопросов, связанных с использованием высоких давлений летучего компонента в производстве водно-силикатных стекол и керамики).

4. Результаты работы могут быть использованы и уае используются в учебной, методической и справочной литературе фззнко-хн-мической и.геохимической специальностей.

Научные результаты. Диссертационная работа является фундаментальным обобщением результатов экспериментальной п теорэтя-

ческой разработки проблемы влияния летучих компонентов на физико-химические свойства расплавов. Г&териал диссертации создает физико-химические основы, необходимые для анализа многих сторон ьагьитического процесса. Работа выполнена с использованием оригинальной аппаратуры и методик, приведены также пути их применения.

Выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, опираются, в первую очередь, на экспериментальные данные исследований автора при высоких давлениях и температурах. Надежность этих данных подкреплена длительной и тдательной отработкой методик экспериментов. Исследования, материалы которых включены в диссертацию, преимущественно выполнены автором индивидуально. Цри совместных работах, что в каадом случае оговорено в тексте диссертации, автору принадлежит основной научно-ыетодический вклад.

Построение работы и задачи исследования. Изучение влияния воды на физико-химические свойства расплавов ыагттнческого состава при температурах и давлениях, соответствующих по глубине Земной коре и верхней мантии, потребовало решения ряда конкретных задач экспериментального и теоретического характера, в соответствии с которыми построена работа:

1. Разработка оригинальных аппаратов с внутренним нагревом и прецизионных методик для работы в условиях до 10000 атм и температур до 1400°С.

2. Изучение растворимости воды и фазовых отношений в магматических расплавах кислого и основного составов как количественной основы для определения влияния вода на физико-химические свойства ьагм.

3. Экспериментальное определение свойств расплавов и определение взаимосвязи между содержанием воды в расплавах шг&пти-ческих пород и модельных расплавах с их физико-химическими свойствами (вязкость, плотность, электропроводность, диффузия, поверхностное натяжение, скорость продольных волн).

4. Термодинамический анализ общих закономерностей влияния воды на физико-химические свойства «апатических расплавов на основе экспериментальных измерений плотности водно-силикатных расплавов.

5. Оценка динамических характеристик мапш низкой вязкости на основе полученных экспериментальных данных.

6. Создание физико-химических основ представлений о взаимосвязи свойств магматических расплавов с содержанием в них воды (по обобщенным экспериментальным и теоретическим данным).

В качестве исследуемых природных штериалов были выбраны известные, геологически и петрографически хорошо изученные представители базальтов и гранитов среднего состава: базальт Киргу-рич (Ключевской вулкан, Камчатка) - кварцевый толеит; Эльджур-тппскей гранит (Сев. Кавказ); в качестве модельных расплавов использовались: альбит - как аналог кислых магматических составов, кремнезем и др.

Диссертация содержит 7 глав: I глава - введение, 2 - методическая, в 3 и 4 главах изложены результаты экспериментальных исследований, в 5 и 6 главах рассмотрены вопросы физико-химического анализа, 7 глава содержит вопросы приложения и данакз-кн шгмы низкой вязкости, выводы и перспективы работ приведены в заключении.

В диссертации 294 стр. текста, 60 таблиц, 93 рисунка, 335 ссылок на литературу. По результатам исследования в соавторстве опубликовано 40 печатных работ, из них 2 монографии.

Автор глубоко признателен руководству института за поддержку того научного направления, разработке которого посвящена настоящая диссертационная работа.

Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность и благодарность заведующему лабораторией чл.-корр. АН СССР Н.И. Хитарову, под руководством которого автор начинал свсю работу и научную деятельность, выполнил большинство исследований и со стороны которого постоянно чувствовал поддержку и помощь.

Автор чрезвычайно признателен сотрудникам института и других учреждений, с кем был связап совместной работой: Кадику A.A., 1Ьлинину С.Д..Слуцкому А.Б.,Когарко Л.Н.,Иванову F.B..Луканину О.А.,Цускову О.Л..Сендерову Э.Э. .Арутшяну Л.А. ,7оке2швили Н.Е. Попову A.A.,Цугину В.А..Шгапетяну Л.Б. и др. и ститает своим долгом выразить им свою благодарность за многолетнее сотрудничество, детальное обсуждение работы н помощь.

Автор глубоко благодарен Дорфцану А.11.,Багдасарову Н.Ш.,Ко-ровушкиной Э.Е. и Павловой Л.Ф. за совместные экспериментальные работы, их обсуждение и за поиэпь в оформлении диссертации.

Автор благодарен всем сотрудникам лаборатории ia патогенных процессов за повседневное участие и поыозь.

Наконец, автор чрезвычайно высоко оценивает помощь сотрудников института и других организаций в деле консультаций, ценных советов, полезных обсуждений и конструктивной критики, ка-саицихся как работы в целом, так и отдельных ее разделов.

Глава 2. ТЕХНИК! И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Небольшое количество экспериментальных работ в области изучения водно-силикатных расплавов в значительной мере объясняется техническими трудностями одновременного сочетания высоких температур (Ю00-1500°С) и создания высоких давлений (5000 -10000 атм) в присутствии летучих компонентов.

Автором, совместно с Н.И.Хитаровым и др., разработаны 3 типа аппаратов высокого давления (3000, 5000, 10000 атм) с внутренним нагревом, характеризующиеся особенностями конструкции реакционной камеры с сильфонным пережимным устройством или ртутным затвором, 3 - секционного нагревателя, конструкции затвора аппарата. Эти аппараты обеспечили получение экспериментальных данных высокой точности (рис. I).

Особенности конструкции реакционной камеры с пережимным устройством (в холодной зоне аппарата) состоят в том, что вода,находящаяся в платиновой реакционной камере в горячей ее зоне играет роль собственного водяного буфера, который в зависимости от Р,Т условий обеспечивает летучесть кислорода ^о =-5 + -2. В ряде исследований в реакционной, камере использовался буфер Ы1/Н10 , обеспечивающий 1б*о2 =-5 при Т=1400°С и Р0 д=5000 атм. Автором были разработаны и применены ряд прецизионных методик для исследования свойств водно-силикатных расплавов при высоких давлениях. Эти методики обладают спецификой, заключапцей-ся в том, что объемы исследуемого вещества, помещаемого в реакционную зону чрезвычайно валы и вследствии этого ограничены возможности применения различных измерительных приспособлений. Точность измерений йязико-химических свойств расплавов

1. Вязкость расплавов определялась методом падающего платинового шарика и ошибка составляла Г7-25$.

2. Плотность определялась методом пьезометра и ошибка составляла 1-4$.

3. Ошибки измерения электропроводности составляли 10-20$.

4. Поверхностное натяжение расплавов определялось методом "сидячей капли" и ошибки составляли 10-13$.

Рас. 1,а. Реакционная камера аппарата с внутренним нагревом. 0

б. аппарат с внутренним нагревом до 1400 С и до 51300 атм.

в. аппарат с внутренним нагревом до 1400 С и до 10 000 атм.

5. Сшибки измерения скорости продольных волн сг лвляли 20-25$.

6. Ошибки определения коэффициента диффузии вода в расплаве составляли ~ 10$.

7. Ошибки определения растворимости воды в закаленных образцах ьагштических расплавов составляли 0,1-0,5$.

8. Ошибки измерения давления составляли ~1%, а температуры -I - 1,5%.

Глава 3. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ СОДЕРНАНИЯ ВОДИ В СИЛИКАТНЫХ РАСПЛАВАХ МАГШЯИЧЕСКОГО СОСТАВА (экспериментальные данные)

Экспериментально изучена растворимость воды в расплавах эль-дауртинского гранита, альбита, кремнезема., базальта Киргурич при Р=500-7000 аты и Т=900-1400°С.(рис. 2).

Ыагьатические и модельные силикатные расплавы в зависимости от состава, температуры и давления характеризуются определенными значениями концентрации вода в насыщенных условиях (табл. I). Анализ общих закономерностей растворимости вода показал следующее: на зависимости растворимости от давления не наблюдается экстремальных точек, но эта зависимость не подчиняется закону Генри (рис. 2). Для расплавов альбита растворимость подчиняется зависимости корня квадратного от давления. Ш зависимости от температуры были обнаружены экстремальные точки для расплава гранита и обнаружены положительные температурные коэффициенты растворимости воды для базальта и альбита (рис. 3). Эти закономерности обусловили изменение знака теплового эффекта растворимости воды под давлением.

Результаты изучения растворимости воды от состава на ряде расплавов (кремнезема, альбита, гранита, серии клхяевских базальтов, ультраосновных расплавах) показали зависимость содержания воды от количества кремнезеш и от соотношения модифицирующих и сеткообразупцих компонентов

На20 + К20 МвО + СаО

-ЗТС^- ; аи>2 +. А1203

В результате изучения растворимости получены табличные данные по условиям насыщения и определены общие закономерности растворения воды в магматических расплавах. Кинетика растворимости воды в раслдавах определялась методом электропроводности (рис.4).

Полученные данные явились количественной основой для определения влияния воды на физико-химические свойства расплавов.

_I-1-1-1-'--1-1-

й 5 ю (!) 20 £5 30 2", гас

«Рис.2. Зависимость содерзания воды в продуктах закалки водно-

базальтового расплава от давления и температуры. 0 'Рис.З. Растворимость воды в гранитном расплаве ■'хгрн Т=1200 С. 1Рнс.4. Кинетика растворения воды в расплаве граната по данным электропроводности.

БАЗАЛЬТ

n> ы 8 8 8

i i i

со со м « « «

СО

I I 1

tí^ ^ * * «

-л от to

I I I

сл сл

OD -J

I I I

I С* .

и> со

со сл м

. I

«W*

I I I

I I

м м « «

I I

со ю

<т "

со от

I 1 СО

ОТ

I I

"о 1

•со '

• I

со

1 I

К В 8 8

МММ

{О Ы О СО

8 8 8 8

го со 1о о

itw ib-• •

со *»

I I

от от * *

сл

I I

* «

сл от

I I

¿Ь rfs. « «#

со

I I I I

от от от -о

-о "со

со со

м оэ f—.

1-1 М

{О м

0 со

1 I

а 3 «

сл

00 00 О И

00 00

<3 00 '—•

М 1-1

0 о « «

Ю -о

1 I

у в

от от

оэ to

I I

00 00

СО iN

I I

10 u>

0 М И W

р о

СЛ 00 --

1 I

'—.

м м

сл сл

сл

ГРАНИТ

М М W W ы |сьсо(оыо<£сх>->э

88888888

ÍO >0

I • •

М СО

со со со

• -т *

сл сл со . .

«о

от от

сл

1 *

с3 г3

со м

<о со

0 ю

1 I

ÍO Ю К5

СЛ цз

со со со

« « •

СЛ ОТ 00 it^

м со от

it». СЛ сл о

сл сл от

От 00 со

41 -а <1

И М Со

0э 00 Со

ОТ СЛ IP.

I I I

« «

О «43

ib- сл

«5 Ы

сл от

00 го

ОТ SI

оэ со

-J 00

сл о

СО Ю

сл о

1 I

■Гь СО ÍO 1-1

о ' *СЛ ' ' 1 -сл

I I I I I I

I 1 I I I I

I I

соста!

а?

о ч ы

и ¡

0 н ь<

о о

•s

о а

и в

v!.

Г лат 4. ШЗИК0-ХШ.ШЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДНО-СИЖКА.ТНЫХ РАСПЛАВОВ МА1Ш1ИЧЕСК0Г0 СОСТАВА (экспери -ментальные данные)

Для выяснения закономерностей влияния воды на магматические расплавы потребовалось исследование комплекса свойств: плотности, вязкости, электропроводности, диффузии воды, поверхностного натяжения, скорости продольных волн, которые экспериментально измерены при следующих условиях: Плотность

1) в водно-гранитном, водно-базальтовом, водно-кремнеземистом расплавах под давлением до 5000 атм и Т=1200°С (кремнезем при Т=1400°С).

2) в расплаве базальта Киргурич в сухих условиях при Р=1 атм и Т=1250-1400°С; при Р=5000 атм и Т=1300-1400°С.

Вязкость

1) в расплавах эльдауртинского гранита, альбита, базальта Киргурич, базальта из Срэдинно-атлантического хребта под давлением воды до 5000 атм и Т=1000-1400°С; в расплаве кремнезема под давлением воды до 3000-5000 атм и Т=1300-1400°С. (рис. 5,6; табл. 2,3),

2) в расплаве базальта Киргурич в сухих условиях под давлением до 23000 атм и Т=1300-1400°С (рис. 7, табл. 4); в расплаве базальта из Средияно-атлантического хребта до Р=10000 атм и Т=1300-1400°С.

3) под давлением в недосыщенннх водой условиях: в расплаве базальта Киргурич - до 20000 атм, в расплава базальта из сре-динно-атлантического хребта - до 10000 атм, в расплаве крем-незею - до 15000 атм (табл. 5).

4) при нортльном давлении в расплаве базальта Киргурич и в расплаве базальта из срединно-атдантического хребта. Электропроводность

1) под давлением воды до 10000 атм и Т=1200°С в расплавах эльд-журтинского гранита(рт. 8), альбита, базальта и кремнезема.

2) при нормальном давлении до Т=1600°С в расплавах гранита/табл.б) альбита, базальта.

ДгоЮузпя воды

I) в расплаве кремнезема под давлением воды 3000-5000 атм и Т=1300-1400 С (рис. 9).

<0 9 8 7 в 5

- 3

\ \

\\ >

Т--1200°С

V 4

Й5 'Гр

£ 4 6 8 Ю /2

Щ8ес%

¿3456789 10 НгО,ёв!%

М0'а • ИИ* ! °

\iifflfilSSO \ЯЯГ I ?/зйг |

¿5 Р'/О^отМ

Рис.5. Сравнение экспериментальных данных по вязкости для содержащих воду расплавов

креынезеш, гранита, альбита и базальта. Рис.6. Вязкость насыщенного водой расплава базальта Кнргурич. Рис.7. Зависимость вязкости базальта Киргурич (кварцевый толеит) от давления при различных температурах.

■&блица 2

Вязкость насыщенных водой апатических расплавов^-/?

Давление,: т °с ВЯЗКОСТЬ, пуаз

атм : ; Гранит ; Базальт : Альбит I Кремнезем

1000 1000 1200 1400 2.0.105 4.2.104 5,1. га3 1,0. ТО5 8,2.10 3,5.10 1,5. Ю4 -

2000 1000 1200 1400 5,2. Ю4 8.4.Ю3 4.0.Ю3 - 2,0Л03 -

3000 1000 1200 1300 1400 2.4.104 4,0. ГО3 2.0.103 2,9.10 8,8 5.5.102 3,2.102 1,4Л05 7.0.104 3,0. Ю4

5000 1000 1200 1300 1400 1,7. Ю3 6,7. ТО2 1,0. Ю2 3,0. Ю2 5,5 2,5 2,6.Ю2 2,1.10 1,6.Ю4 4,3. Ю3 2,5.103

Таблица 3

Энергия активации вязкого течения тгштических расплавов, содержащих воду

Содержание воды, вес.£

Э&ергия активации Е, ккад/коль

Гранит

Базальт

О 3 5 8 10

1200-1400

73,1

45.0 40,8 34,5

33.1

60,0 34,1 28,3 22,0 20,0

Таблида 4

Вязкость кварцевого толеита (базальт Киргурич) в сухих условиях

Давление, атм Температура, °С : Вязкость, пуаз

I 1200 5.5.Ю3

1300 5.0.Ю2

1400 1,5. ТО2

5 ООО 1200 3.6.Ю3

1350 2.5.102

1400 1.3.102

14 ООО 1290 1,4. Ю4

1300 5.2.102

1400 1,0. Ю2

23 ООО 1300 6,3. ТО4

1325 2,6. Ю4

1400 9,8. Ю3

Таблица 5

Вязкость расплавов магматического состава при фиксированном содержании воды при 1400°С (в недосыщенных водой условиях)

Состав :} авлзние.атм: Содержание воды, ъвс.% Вязкость, пуаз

Кварцевый I ООО 3,3 3,5.10

толеит 5 ООО 3,5 7,5

14 ООО 3,0 2,9

20 ООО 3,5 I

Одивиновый 100 толеит 5 000

10 ООО

Кремнезем 12 ООО 15 ООО 15 ООО 15 ООО

3,0.10 9,0 I 3,0_1,2

5,0 1,0Л06

8,0 2,8. Ю4

10,0 7.0.103

15,0 2.4.103

Поверхностное натяжение

1) в расплаве базальта Киргурич при нормальном давлении и Т=1250-1400°С.

2) в расплаве базальта Киргурич под давлением вода до 3000 атм и Т=1200°С (рис. 10).

Скорость продольных волн

1) в расплаве базальта Киргурич под давлением вода до 2000 атм и до 1200°С.

2) в расплаве базальта Киргурич в сухих условиях при давлении до 4000 атм и Т=600-1400°С.

Важнейшими являются исследования плотности водно-силикатных расплавов, т.к. зги данные используются для анализа всех других свойств. Кроме того, при высоких параметрах, определение плотности является сейчас наилучшим методом для получения термодинамических свойств водно-силикатных расплавов, т.к. калорп. зт-рические метода получения термодинамических констант пока шло-эффективны.

Значения вязкости водно-силикатных систем в зависимости от P-T-Njj^o условий изменяются в широких пределах и обычно используются для структурных исследований. Исследования подтвердили наличие двух механизмов растворения воды (молекулярного и диссоциированного) . Однако, было установлено, что зависимость между концентрацией воды и формой ее нахождения сложная. Кроме того, значения вязкости магматических расплавов дали возможность оценить условия их дифференциации. Очень важным оказалось то, что были обнаружены новые эффекты: снижение вязкости базальтовых расплавов при повышении давления в сухих условиях и недо-сыценных водой условиях (рис. 7), иыеюсие большое значение для расширения генетических представлений о тгиаобразовании. Повышение давления в условиях коры и верхней мантии не приводит к увеличению вязкости в базальтах и андезитах, а происходит снижение вязкости за счет деполимеризации расплава. Эти результаты изменили ряд старых представлений об особенностях генезиса шгин.

Электропроводность водно-силикатных расплавов бит исследована впервые. Исследование электропроводности важно потому,что это свойство определяет ионную структуру водно-силикатных iar-ъатяческих расплавов и формы нахолденпя различных компонентов в них.

<?> 48 0,9 (O f,1 ^ ~-1Въ

i 2 3 4 S 6

1000 3000 5000 Р;Отн

.Рис.8. Электропроводность расп- (Рис.9. Зависимость коэффициента Рис.10. Зависимость коэффици-

лава гранита под давле- | диффузии воды в водно-сили- . а

а I катных расплавах от содержа- ента поверхностного натя-

нием воды. ния воды нения расплава базальта

1200°-кремнезем-вода.(автор и др) _ „ „

НООО-альбит-вода(сйельбаум и др) Киргурич от давления. 850°-обсидиан-вода(Шоу).

Близкими по значению к исследованиям электропроводности были исследования по диффузии пот в водно-силикатном расплаве. Они показали, что значения энергия активации электропроводности и диффузии воды в водно-силикатных расплавах близки ( —10-12 ккал/моль). Это говорит о том, что в этих процессах участвуют одни и те же частицы. Важным оказалось и то, что коэффициенты диффузии воды в расплаве имеют конечные значения в=Ю~5 + 10 см /с и близки к значения!,I коэффициентов диффузии щелочей в силикатных расплавах. Эти данные показали, что предполагавшаяся ранее рядом исследователей чрезвычайно высокая подвижность воды не подтвердилась.

Исследования поверхностного натяжения, являющегося важной энергетической характеристикой расплава показали, что под давлением воды происходит резкое снижение значений этого свойства и что базальтовые расплавы характеризуются чрезвычайно высокой смачиваемостью силикатных и алюмосиликатных поверхностей. Эти исследования позволили также оценить дырочную модель водно-силикатного расплава. Результаты показали, что при высоких концентрациях воды возможен механизм молекулярной диффузии Н20.

Исследование продольных волп в расплаве совместно с его плотностью позволило оценить сжимаемость водно-силикатного расплава, с помощью которой была показана существенная роль воды в деполимеризации расплава.

Полученные экспериментальные данные позволили проанализировать общие зависимости изменения физико-химических свойств расплавов.

1. Температурные зависимости таких свойств водно-силикатных расплавов, как электропроводность, даффузия воды, вязкость при постоянных содержаниях воды, показали их подчинение экспоненциальным уравнениям. Это позволило вычислить энергию активации указанных процессов (табл. 3). Было показано, что с повышением содержания воды в расплавах происходит снижение энергии активации, которое может отражать изменение механизма растворения воды. Кроме того, сравнение энергий активации процессов, характеризующих перемещение катиона (при электропроводности и диффузии) и аниона (при вязком течении) указывает на более значп -тельное снижение Е7 . Это может говорить об уменьшении размера аниона при деполимеризации расплава.

2. Влияние давления на свойства расплавов в пасыданных уело-

Таблица 6 Е

Электропроводность насыщенных водой магттических расплавов, 6"= ,

: Давление, ТЕМПЕРАТУРА °С

: атм 800 900 : юоо : ноо I 1200

Гранит 9 ООО 9,2. Ю-2 1.3.10-1 1,7.ТО"1 2.2.10"1 2.6.10"1

7 ООО 8,6. Ю-2 1.2Л0"1 1.6Л0"1 2.0Л0"1 2.3 ЛО"1

4 ООО 6,ЗЛО"2 1,0 ЛО"1 1.4Л0-1 1,7.10"^ 1.9.10"1

2 500 2.9Л0"2 6.2.10"2 8.5.10"2 - -

I ООО 5.7.10"3 1.4Л0"2 2,8.10~2 4, ЗЛО"2 9.5.10"2

"сухой" I 1,9.10"® 4.1Л0"6 1.6.10"5 б.ОЛО"4 1,3. Ю~2

Базальт 9 ООО 2.6.10"2 5.0Л0"2 1,6. ю-1 3.7Л0"1 _

7 ООО 2.4.10"2 4.4ЛО"2 1,5. Ю-1 2.7Л0"1 3,0 ЛО-1

2 500 1,0 ЛО"2 1,3. ИГ2 4, ЗЛО"2 1,4 ЛО"1 2,4 ЛО-1

I ООО 6,7. Ю"4 1.2.10"3 5.8.10"3 2,5.10"2 6,4.10~2

"сухой" I 5,5.10"® 1ЛЛ0"5 3.7.10"5 6.9Л0"4 4,7 ЛО"3

Кремыезеы 10 ООО _ _ _ 4.1.10"2

7 ООО - - - - 1,0 ЛО-3

виях главным образом сказывается на увеличении растворимости Н£0 в расплавах. Это приводит к значительным изменениям свойств (снижению вязкости, плотности и поверхностного натяжения и повышению электропроводности), рис.5-10. Была обнаружена важная роль влияния давления на снижение вязкости сухих и недосыщенных водой сложных алкмосшшкатных шгкатических расплавов (рис. 7), что объясняется деполимеризацией. Этот эффект тлеет важное значение для расширения генетических представлений об эволюции магмы. Вследствие постоянства отношений 7^<о = const электропроводность увеличивается.

В водно-силикатных расплавах, не имеющих многокомпонентных полимерных комплексов (например siOg - HgO), при фиксированном содержании воды, повышение давления приводит к полимеризации расплава и увеличении доли молекулярной воды, что сказывается на увеличении вязкости.

В сухих базальтовых расплавах повышение давления приводит к снижению вязкости и повышению плотности и поверхностного натяжения.

3." Зависимость Фззико-химических свойств расплавов от содержания воды. Для всех изученных свойств не наблвдается линейной или аддитивной зависимости от содержания растворенной воды в расплавах. Это характерно для плотности, вязкости, электропроводности, диффузии воды, поверхностного натяжения и указывает на то, что происходят фундаментальные изменения в структуре силикатных штаатяческих расплавов при растворении воды. Били проанализированы ряд моделей вязкого течения, которые подтвердили значительные отклонения от идеальной зависимости.

Зависимость свойств расплавов от квадрата мольной доля вода показывает на неподчинение закону Генри, т.е. отсутствие молекулярного механизма растворения Н^О. Наблюдается излом на указанной зависимости для таких свойств как электропроводность, вязкость, плотность и термодинамических - летучесть, при концентрации воды ~ 3-5 вес.$. Это связывается с изменением механизма растворимости воды.

4. Зависимость свойств расплавов от соотнодэния иодшГшшру-fct л сеткообтнзуктах ксшопонтов и "немостпкового кислорода".: : В результате изучения расплавов различного состава (кислых, ос-I новннх, ультраосновных) получена зависимость, характеризуемая

'изменение физико-химических свойств (растворимости, вязкости )

НгО, 6ес% 10

Пег/ /

5 ^

А. /*й£ 4

уоа

б&Ч

кр

Т~1200°С

ТМ> \

Рис.И. Зависимость растворимости вода в магматических расплавах от соотношения модифицирующих и сет-кообразунцих компонентов. (Щелочные - ■ и магнезиальные - • составы).

0.1

о,г

0,3 ОА 0,5 М/ЪгО ,Мои

Ч 10

' о $10*

\ 1 ■ »

\ ■ \ . И

- \

'■■■«»..Ед

1 1 1 1 1 . 1 .. ! .

Рис.12. Зависимость вязкости магматических расплавов (сухих - □ и содержащих воду -о) от соотношения модифицирующих и с е ткообразущих компонентов.

УеОШоЪ

5000огм

0,5

Ке„0, На!

от соотношения катионов (модификаторов и сеткообразователей).

Установлено, что повышение концентрации сеткообразувдих компонентов, занимающих тетраэдрические позиции и способствующих полимеризации расплава (sío2, ai20.j, ре2о^, тю2, приво-

дит к повышению вязкости и повышению растворимости воды в расплаве (рис. 11,12).

Компоненты-модификаторы (На2о, к2о, ligo, cao, Feo, мпо) по разному влияют на свойства расплавов. Увеличение концентрации На2о и к2о приводит к увеличению растворимости воды и снижению вязкости.

Увеличение концентрации tigO и Cao приводит к значительному снижению вязкости, в то же время растворимость начинает умень-паться. Поведение железа будет определяться окислительно-восстановительными условиями. Следствия такого поведения компонентов могут проявляться в геохимических особенностях эволюции щелочных и магнезиальных серий расплавов.

Важным выводом анализа общих закономерностей поведения расплавов является линейная зависимость их физико-химических свойств от соотношения "немостикового кислорода" в структурно-химической модели, объясняющей полимерное строение водно-силикатных расплавов.

Исследование связи ¿Базовых диаграмм с Физико-химическими свойствами расплавов

В результате изучения границ солидуса и ликвидуса в расплавах эльджуртинского гранита, базальта Кнргурич и др. методами электропроводности и ультразвукового прозвучивания ( при PggO до 10000 атм), определены границы смещения фазовых полей кристаллизации. Определены Р-Т условия существования гомогенных и гетерогенных расплавов и тем самым подготовлены условия для изучения связи меаду их физико-химическими свойствами и фазовыми отношениями.

Важно отметить, что на фазовой диаграмме для эльджуртинского гранита был обнаружен минимум температуры плавления на соли-дусе под давлением воды 4000 атм и Т=640°С.

Нанесенные на диаграммы изокомы (кривые постоянной вязкости) и кривые постоянной электропроводности, а также плотности и др. свойств, повторили ход изменения фазовых полей. Особенно это четко выражено на диаграгпэ для гранитного расплава (рис. 13).

' Ы/Об

'Л &

сщиЛс

"7 1 5 ? 7 в Р:ЮЬ, втп

5 6 ? 8 Р-Ю^отм

Рже. 13. Вязкость насыщенного водой расплава гранита в сопоставлении с Т-Р диаграммой. (Значения вязкости приведены по данным автора и других исследователей).

Рис.14. Вязкость насыпанного водой расплава базальта в сопоставлении с Т-Р диаграммой.

Вдоль кривой ликвидуса идет изокот ~106 пуаз. Анализ времени осаздения кристаллов, дегазации и остывания расплава показал, что кристаллизация должна происходить во всем объеме; разделения состава при кристаллизации в гранитном расплаве не должно тлеть места из-за его высокой вязкости.

fia диаграмме для базальтового расплава изокомы вязкости при высоких давлениях повторяют направления фазовых полей, а при низких давлениях начинают приближаться по направлению к кривым постоянной концентрации воды в расплаве (рис. 14). Выпадение кристаллов сопровождается резким повышением вязкости и можно выделить области, в которых возникают условия затрудняющие дифференциацию базальтового расплава,и области, в которых начнется объемная кристаллизация.

Глава 5. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ВОДЫ НА СИЛИКАТНЫЕ РАСПЛАШ МАГМАТИЧЕСКОГО СОСТАВА

На основе экспериментального определения плотности водно-гранитного, водно-базальтового, водно-кремнеземистого расплавов (рис.15,16)были определены их термодинамические свойства: парциально-мольный объем, химический потенциал, летучесть, активность воды (рис. 16) и с их помощью проведен термодинамический анализ общих закономерностей взаимодействия воды с магматическими расплавами.

За начальные условия интегрирования были приняты условия насыщения расплава водой, когда химический потенциал воды в паре 1»вен химическому потенциалу воды в расплаве ( л/^о =л2м°,0 ).

Рассчитанные значения активности воды в расплавах имеют линейные зависимости от концентрации воды и находятся в удовлетворительно« согласии с данными для альбита в предыдущих исследованиях №дпк A.A., Вернем В.).

Зависимость летучести от квадрата мольной дол воды претерпевает излом у расплавов гранита (при так ж3' гак п у альбита, рас.17) и у базальта (при нд2о=0,1). Такой ход са-висгиоста ыоает быть следствием того, что растворение воды происходят с обменом На и Н. У расплава багальта взлом наступает при более низкой мольной доле воды, т.к. в пвм содержится цоньпео количество щелочных компонентов. В расплаве крэмнезека отсутствуют катионы, поэтому па зависимости летучеста от квадрата кольяоЗ доля воды гзлогз не отмечается.

У.спУг

у, кш/мт

го

ОА Ф №

Рис.15. Зависимость удельных объемов водно-гра- Рис. Г7. Летучесть Н2О в расплаве гранит-вода в

__ т0ппОп зависимости от квадрата мольной доли нитного расплава от содержания воды при 1200 С. ^ темп0ратуре 1200°С и общем давлении

Рис.16. Зависимость парциально-мольного объеда рис?18?°Хтшчёский потенциал Н20 в расплаве гра. воды в водно-гранитном расплаве от давления. нит-вода в зависимости от мольной долиоды

при

и Т=1200ОС.

и и М1МЛ V * и Ч/ А ШЧ^ДХЛ!^«* л-/ ^¿¿¿л

при общем давлении от 1000 до 5000 атм '=1200ОС

Т&блица 7

Химический потенциал^;,20 , летучесть 0, активность 0 и-

2 2 -коэффициент активности воды у-д 0 в расплаве гранита при Т=1200 С

Р.атм •1 "н2° РЧО : _ ; : 2 ; ! ; 4° • а • ; н2°; Гн20

5000 0,40 -20695 1980 0,324 0,81

0,50 -19151 3300 0,540 1,08

0,55 -18224 4500 0,737 1,34

0,65 -17000 -17000 6100 6100 1.0 1,51

4000 0,40 -21124 1714 0,374 0,93

0,50 -19580 2875 0,626 1,25

0,55 -18653 3842 0,837 1,51

0,59 -18000 -18000 4500 4500 1.0 1,72

3000 0,40 -21570 1473 0,446 1.П

0,50 -20026 2468 0,747 1,49

0,55 -19250 -19250 3300 3300 1,0 1,89

2000 0,40 -22044 • 1250 0,535 1,48

0,50 -20500 -20500 2100 2100 1.0 2,00

1000 0,40 -22700 -22700 1000 1000 1.0 2,5

им р ) - (.ьЪ ° ) = /* уР ¿Р ; > Н,0 Р.Т.Н НрО Е,Т «4 н20

а . - ;

н20 г0 4° пн2о

Таблица 8

Парциально-ыолъный объем вода в гранитном расплаве

Р, атм т, °с • У • : н2° -; вес.доля ; V ,сыз/г ; уд. объем; расплава: Э^УД эХН20 : V ,см3/моль •парц.-мольн. ; объем

5 ООО 1200 0,10 0,05 0,02 0,477 0,451 0,435 0,543 17,38 17,40 17,40

3 ООО 0,10 0,05 0,489 0,459 0,615 18,77 18,77

2 ООО 0,05 0,470 0,800 22,14

I ООО 0,03 0,480 1,357 32,21

I 0,00 - - 43

) Н20 Р,Т,Н = 18,02(уР ) н2о Р,Т,Х О 18,02 [У|Э+(1-Х н2о Э^а ЭХ "аН2О

Таблица 9

Мольный объем водно-гранитного расплава при Т=1200°С

р н20' аты 1^0 вес.# : нн„о 1 ы, : 'ыолек.вес: •кольн.доля? СИЛИКата: V. , см3/г уд.объем расплава : V ,сы3/моль • мольн. объем ; расплава

I ООО 3,3 0,4 266,4 0,480 80,18

5 ООО 3,3 0,4 0,440 73,49

4,4 0,5 0,448 63,70

7,1 0,55 0,462 59,96

11,5 0,59 0,485 58,12

13,5 0,65 0,496 52,05

Таблица 10

Теплота раствореазя воды в храяитнси в базальтовом расплавах при 1200°С

т (V,

Н„0

дН

Н20

( йТ/^Р )

в.

г • ду ( ар/ат )

ы,

Н20

н20

Состав

Н20

В8С.%

НоО* а та

/нго ат/град

н2° ' смэ/ыоль

н2° ' смз/моль

ду ,

см3/моль

дН,

кад/моль.

Гранит 3,3 I 000 I 129,6 32,2 97,4 3472

5,0 2 000 I 69,1 22,1 47,0 1675

7.0 3 000 -0,5 50,0 18,8 31,2 -556

ю.о 4 000 -1,2 39,2 18,0 ■ 21,2 -906

12,0 5 000 -1.8 33,5 17,4 16,1 -1033

Базальт 3,3 I 000 : -4 129,6 17,98 111,62 -15915

4,5 2 000 -5 69,1

5,7 3 000 -4 50,0 12,9 37,1 -5290

7.0 4 000 -4 39,2

8,5 5 000 -4 33,5 11,6 21,9 -3122

Зависимость химического потенциала воды в расплаве от мольной доли вода для всех 3-х расплавов оказалась линейной, так же, как для системы альбит-вода. Это может говорить о равноценности кислородных атомов, поступающих в расплав вместе с водой и уже имеющихся в расплаве (рис. 18, табл. 7).

Важным аспектом линейной зависимости химического потенциала воды в расплавах гранита, базальта, кремнезет от мольной доли воды можно считать установление единицы молекулярной массы, которая расчитывается на основании участия в реакции с водой силикатной массы, содержащей 8 кислородных атомов (по аналогии с альбитом - NaA2.S3.20g) .

Патоиально-молышй объем воды в исследованных расплавах значительно отличается от мольного объема воды (при данных Р и Т) и линейно изменяется с изменением содержания 1^0. С повышением давления его значения уменьшится (табл. 8). Парциально-мольный объем воды зависит от состава расплавов. При высоких давлениях его значения для расплавов гранита, кремнезема, базальта и альбита сближаются.

Анализ поведения расплавов с помощью диаграммы мольный объем - содержание воды показывает, что:

1) имеются значительные отличил мольного объема расплава от идеальной зависимости, говорящие о серьезном структурном изменении расплава при взаимодействии воды и силиката.

2) уменьшение мольного объема воды при повышении давления и приближение его к мольному объему расплава подтверждает положение о неизбежности изменения знака теплового эффекта растворения воды (табл. 9).

Оценки теплового эф$зкта растворения воды в силикатных расплавах с использованием уравнения типа Клалейрона-Клаузиуса и экспериментальных значений и ^ ^^^аго П0казывают, 410

происходит уменьшение теплового эффекта при повышении давления воды и при высоких давлениях тепловой эффект может стать отрицательным (табл. 10).

Анализ кривой плавления для водно-гранитной системы при помощи полученных парциально-мольных объемов воды подтвердил возможность использования уравнения типа Клалейрона-Клаузиуса для описания кривых плавления водно-силикатных расплавов.

Еа основе экспержмантального определения плотности и скорости продольных волн оценено значение сжимаемости водао-базадьто-

вого расплава и влияние воды на эту характеристику. Под давлением воды сжитаемость расплава базальта увеличивается по сравнению с сухим расплавом. Деполимзризующее влияние воды подтверждается аналогичным ходом изменения сжимаемости бинарных силикатных расплавов, содержащих типичные деполимеризаторы (к„0, Яа20, Х120).

Связь между термодинамической активностью и вязкостью, полученная на основе линейной зависимости между ншот, использована для объяснения физического смысла термодинамической активности, как показателя деполимеризации.

Глава б. ОНЦИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЛИЯНИЯ ВОДЫ НА ФИЗИХО-ХИМПЕСКИЕ СВОЙСТВА РАСПЛАВОВ МАШАШЕСКОГО СОСТАВА

Исследования физико-химических свойств показали, что водно-силикатные расплавы представляют собой особый класс, который отличается по свойствам от других расплавов (расплавов солей, хлоридов щелочных металлов, силикатных шлаков и др.). Это связано с тем, что под влиянием летучих компонентов (воды и др.газов), эти расплавы приобретают особые свойства, резко отличающие их от расплавов в сухих условиях при нормальном давлении. В то же врет, проявление этих свойств расплавами охазыват существенное влияние на глубинные геологические процессы.

Согласно экспериментальным данным можно определить области свойств, характерные для водно-силикатных тшатических расплавов, установить пределы влияния температуры, давления и составов (табл. II).

Из-за недостаточности экспериментальных и теоретических данных еще окончательно не репен вопрос о механизме растворения воды в силикатных расплавах. Существуют различные методы приближения к решению этого вопроса, основанные на физико-химическом анализе эмпирических моделей силикатных систем.

I. Термодинамический анализ моделей растворения воды. Ш основе использования методов статистической термодинамики в работах Вассербурга Д.,Кадика A.A. и др. была показана возможность сценка активности воды, растворенной в расплаве

_ I V II \о

(Z „ _ = | и (X и п - ——————

2 8-7 V0 , 2 4-ЗН^о

(в молекулярной форие) (в связанной форкэ)

Таблпщ II

Предельные значения физико-химических свойств расплавов кислых и основных составов при 1200-1400°С

Состав Свойства 1 сухие условия с водой

давление давление

нормальное высокое низкое высокое

Кислый Растворимость, вес,$ Плотность, г/см3 Вязкость, пуаз Электропроводность, Ом~^см-1 Диффузия воды, см^сек Поверхностное натяжение, дин/см 2,3 107-Ю5 10-3,5_10-2,5 10-9,5_10-9 300-400 2,3-2,4 Ю5-Ю4 10-2,5_10-2,0 0,1-1,0 2,3 ю4-ю3 КГ^-Ю-1'5 Ю-З-Ю"7 8 - 10 2,0 Ю2'5-Ю4,5 10-1'0-10~0'8 10_5'5-10~5,0 40-60

:Растворииосг|, вес./! :Плотность, г/см3 « : ' § :Вязкость, пуаз о I -II «: Электропроводность, см" :Поверхностное натянение, дин/см :Скорость продольных волн, км/с 2,6-2,55 Ю3-Ю2 Ю~2,2-Ю"1,8 300-400 2,6-2,8 2,68-2,66 Ю2-101 •5 Ю~1,8-10~1,6 250-300 3,4-3,6 0,1-1,0 2,65-2,59 Ю1,5-Ю1,2 Ю~2-10-1 5 - 10 2,50-2,40 10-1 1о-°'6-ю-0'4 80-100 2,4-2,6

Результаты анализа этих уравнений (выполненные совместно с Педиком А.А.) на основе экспериментальных значений активности воды, полученных автором для водно-гранитного и водно-базальтового расплавов, показали:

1) что отличия теоретических и экспериментальных значений активности для I и II механизмов между собой небольшие;

2) тблвдаемое близкое соответствие значений активности по I и II механизмам растворения воды может свидетельствовать о том, что существует пропорциональность между количеством воды, растворенной по I и II механизмам.

2. Модель водно-силикатного расплава на основе мольных соотношений ионов-здадификаторов и ионов-сеткообразователей. В соответствии с существупцими представлениями силикатные расплавы содержат в своем составе полимерные комплексы различной степени сложности. Кремнезем и ряд других компонентов (А1203, ^®2®3 ТЮ2), способные занимать тетраэдрические позиции, усложняют полимерные комплексы. Добавление в расплав щелочных, щелочно-земельных и других двухвалентных металлов приводит к деполимеризации комплексов. Прдельная степень деполимеризации -ортосиликаты. В этих расплавах вязкость низкая и близка между собой независимо от катиона (рис. 12).

Растворяемую в расплаве воду можно рассматривать как модификатор, т.к. анализ активности растворенной воды в расплаве показал пропорциональность между связанной и молекулярной формами. Оценка мольной доли компонентов-модификаторов проводилась при помощи соотношения:

X? + ^О

Нх0+Н2° + тц^о + т^о

Вязкость водно-силикатных расплавов (кремнезема, гранита, альбита, базальта) легла практически на одну кривую в зависимости от .

Вязкость кислых расплавов отличается от вязкости расплавов бинарных силикатов щелочных металлов. Это показывает, что при растворении воды в расплаве кроме связанной, возможны другие форш (молекулярная, ионнообыенная и др.).

Растворимость воды, как было показано вниз, также подчиняется этой модели. Зависимость растворимости воды от сунны исходных коыпонентов-модЕфякаторов н ые о показала линейные зава-

симости с различным наклоном для щелочных и магнезиальных составов (рис. II).

3. Модель водно-силикатного расплава на основе изменения соотношения немостикового кислорода. Эта модель является структурным развитием предыдущей. Если ион кислорода связан с атомом кремния только одной своей связью, а второй - с катионом, то образуется немостиковая связь (немостиковый или ионный кислород -31- 0 - Мб). Основа модели состоит в том, что растворение воды в расплаве может сопровождаться разрывом кремнекис-лородаой связи по реакции - 31 - 0 -31- + Н20 —»- 2(-31 - ОН). Б этом случае пропорционально растворению воды в расплаве будет увеличиваться количество немостиковых кислородов. При построении модели вся растворенная вода рассштривалась как модификатор, мольная доля которого оценивалась по выражению нйхо+н2о . Количество немостиковых кислородов определялось на основании мольной доли Ът0 = 2 N^ хо+Н20)' т*е* каж®ы® оки~ сел при разрыве кремнекислородной связи образует две немостиковых связи.

Результаты показали, что:

1. для свойств расплава и содержания воды в нем существует определенная линейная зависимость от соотношения немостикового кислорода;

2. вязкость всех изученных расплавов укладывается на одну, линию (рис. 19-21).

Новые эсйюкты. В результате экспериментальных работ обнаружены новые эффекты поведения 'водно-силикатных расплавов под давлением, имеющие принципиальное значение для понимания магматического процесса: экстремальная зависимость на солидусе в водно-гранитной системе; снижение вязкости в недоснщенных водой базальтовых расплавах и повышение вязкости в кремнеземистом расплаве под высоким давлением; чрезвычайно низкая вязкость оливиновых толеитов даже при незначительных содержаниях воды под давлением; ионный характер электропроводности водно-силикатных систем; относительно большое понижение плотности в рас-1 плаве гранита и незначительное в расплаве базальта при раство-; рении воды; чрезвычайно высокая смачиваемость базальтовыми расплавами силикатных поверхностей; расширение зоны прохождения ; продольных волн в сухом расплаве базальта под давлением.

// 10 9 8 7 в 5 <! 3

г й

1,о а

0,5 10 р

Ыа

О)

0,5 1.0 1,1

Кр

Рас.19. Зависимость содержания води в расплаве кремнезема, гранита, альбита, базальта в зависимости от соотношения немости-кового кислорода при Т=1200°С под давлением вода.

Рис.20. Зависимость вязкости в расплавах кремнезема, гранита, альбита, базальта при Т=1400°с в сухих условиях и в присутствии воды в зависимости от соотношения не-мостикового кислорода.

Рис,21. Зависимость свойств (мольного объзыа,электропроводности и диффузии воды) в водных расплавах гранита, базальта и кремнезема от соотношения не-мостикового кислорода при 1200°С.

Глава 7. ВЛИЯНИЕ ВОДЫ НА. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ И ДИНАМИКИ РАСПЛАВОВ МАША-ТИЧЕСКОГО СОСТАВА

Ш основе результатов экспериментальных и теоретических работ определено влияние воды на динамические характеристики шг-мы пониженной вязкости (повышение скорости движения, рис.22; важные особенности дифференциации, проявляющиеся в скорости осаждения кристаллов, рис.23, и изменении условий кристаллизации; отделение паровой фазы и тем самым формирование состава расплава и паровой фазы; чрезвычайно высокая смачиваемость расплавом силикатных частиц при формировании частичного расплава, рис.24; изменение соотношения диффузионных и конвективных процессов в сторону конвективного характера тепломассообмена и др.). В результате показано, что магма низкой вязкости способна подниматься с большой скоростью по тонким прогретым каналам, обеспечивая высокую производительность магматических систем. Отделяющаяся паровая фаза при дегазации магмы, в зависимости от состава, способна переносить значительные массы вещества, в том числе рудного. Интенсивность тепломассообмена при наличии магмы низкой вязкости резко возрастает. Проведена также оценка динамических характеристик кристаллизующейся высоковязкой шгмы на основе бингамовского поведения жвдкости.

Рассмотренные примеры, в приложении к магматическому процессу, находятся в согласии с данными предыдущих исследователей в примыкающем диапазоне значений вязкости и плотности расплавов. Оценка динамики процессов для магмы низкой вязкости охарактеризована на основе новых экспериментальных данных.

ВЫВОДЫ

1. Разработаю, и использована оригинальная аппаратура высокого давления с внутренним нагревом 3-х типов (до 10000 атм и Т=1400°С), в которой решена задача создания давления летучего компонента на расплав и созданы ряд прецизионных методик для изучения свойств расплавов.

2. Определена растворимость воды в расплавах гранита, альбита, кремнезема, базальта и ряде ультраосновных расплавов в широкой области температур и давлений (800-1400°С и 500-10000 атн). Проведен фазовый анализ в кислых и основных расплавах, определен их ликвидус и солидус под давлением. Эти данные стали

Рис.22. Номограмш для определения скорости базальтового потока, перепада давлений в зависимости от вязкости распит и диаметра канала для глубин I - 30 км.

3 в

там

5 -

/Оки

3 2 { 0 (Юн > 4 1* С'

-2

-з 1гос

/вд? $гоо фан ЦШ /ая?

Рис.23. Расстояние, которое может пройти кристалл пироксена с факсирован-ним размером (I), при одновременном росте 12) и при одновременном растворении (3). С - скорость роста пли растворения (си/год).

Р„ „=3000 атм н2°

Т=1200°С

Рис-24' ^^Звигоратуры и штерпала подложки

РасЖ

4: £ I: £ еть? -<и™-

количественной основой, использованной для определения влияния воды на физико-химические свойства мататических расплавов.

3. Экспериментально изучены, под давлением воды, физико-химические свойства (вязкость, плотность, электропроводность, диффузия воды, поверхностное натяжение, скорость продольных волн) кислых и основных расплавов. Обнаружены новые эффекты поведения (изменения физико-химических свойств) водно-силикатных расплавов под давлением.

Изучена взаимосвязь физико-химических свойств с положением фазовых полей на Р-Г диаграмме базальта, гранита, кремнезема. Б результате физико-химические свойства представлены как важные факторы дифференциации ш.гм.

Изучена взаимосвязь между содержанием воды в расплавах магматических пород и модельных расплавах с их физико-химическими свойствами. Показана применимость аналитических зависимостей (уравнения экспоненты для описания электропроводности, вязкости и диффузии воды; уравнения, подобного уравнению Клаузиуса-Кла -пейрона.для описания моновариантных равновесий) для водно-силикатных систем. Показана возможность применения механизма дырочной проводимости при диффузии воды; показана неприменимость для водно-силикатных систем уравнения Стокса-Эйнштейна и др.

4. Получены термодинамические свойства водно-гранитного,водно-кремнеземистого и водно-базальтового расплавов (плотность, сжимаемость, парциально-мольный объем, активность). На основе термодинамического анализа показано постоянство парциальных мольных объемов Н20 при Р,Т= coast для этих систем; зависимость от давления и температуры; уменьшение теплового эффекта растворения воды при повышении Р^О* поДГВ01ВДена модель существова -ния двух механизмов растворения воды (молекулярной и связанной) под давлением; показана существенная роль воды при деполимеризации расплава.

5. Проведена оценка величин динамических характеристик дифференциации и подъема магмы пониженной вязкости и связанных с этим характеристик тепломассообмена и др.

6. Построена физико-химическая модель водно-силикатного расплава на основе анализа термодинамических свойств расплавов

и структурных особенностей взаимодействия воды с силикатным расплавом. 1

7. В результата обобщения экспериментальных данных, анализа и разработки вопросов физической химии водно-силикатных расплавов под давлением созданы физико-химические основы представлений о взаимосвязи свойств ьап.атических расплавов с содержанием в них главного летучего компонента - воды для условий коры и верхней г/антии.

Результаты экспериментального и теоретического исследования влияния вода на физико-химические свойства расплавов тагкатп-ческого состава представлены в виде 4-х положений, которые защщавтся з лиссертатгеи;

1. Разработана и использована оригинальная аппаратура высокого давления и прецизионные методики, связанные с решением задач создания давления летучего компонента на расплав.

2. Впервые экспериментально изучен кошлекс свойств (растворимость, плотность, вязкость, электропроводность, диффузия воды, поверхностное натяжение, скорость продольных волн) в сочетании с ^асовыья диаграммами в широком диапазоне температур, давлений и составов. Обнаружены новые эффекты, тлеющие принципиальное значение для понимания тгматического процесса. Результаты представлены как количественная основа для установления взаимосвязи свойств с содержанием воды.

3. В результате термодинамического анализа общих закономерностей растворимости воды и свойств расплавов в зависимости от температуры, давления и составов; построения физико-химических моделей водно-силикатного расплава; анализа динамических характеристик (.апатических расплавов пониженной вязкости; уточнения и расширения структурных особенностей водно-силикатных расплавов установлены закономерности влияния воды на физико-химические свойства и выявлены особенности взаимосвязи свойств, обусловленные влиянием воды.

4. В результате обобщения экспериментальных данных и теоретического анализа созданы фазико-химическне основы представлений о влиянии вода па свойства расплавов магматического состава в условиях, соответствующих Земной корэ и верхней мантии, определяющие перспективы дальнейшей разработки теории тпатического процесса и вопросов породо- и рудообра-зованпя.

По теме диссертации опубликованы следующие работы

1. Опыты по оплавлению гранита в присутствии вода (в соавторстве с Н.И.Хитаровым, Р.В.Арсеньевой). - Геохимия, 1957, №5, с.380-384.

2. Сравнительная характеристика растворимости вода в базальтовом и гранитном расплавах (в соавторстве с Н.И.Хитаровым, Е.В.Ренгартен, Р.В.Арсеньевой). - Геохимия, 1959,й5,с.387-396.

3. Установки с внутренним нагревом в среде газов и жидкостей. -В сб.: Экспериментальные исследования в области глубинных процессов. М., Изд. АН СССР, 1962, с.185-198.

4. Установки для исследования геохимических процессов, протекающих при повышенных температурах и давлениях в динамических условиях (в соавторстве с Н.И.Хитаровым). - В сб.: Экспериментальные исследования в области глубинных процессов, 1Л., Изд. АН СССР, 1962, с.163-167.

5. Оценка теплового эффекта отделения воды от расплава кислого состава по данным системы альбит-вода (в соавторстве с Н.И. Хитаровым, А.А.Кадаком).- Геохимия, 1963, №7, с.619-630.

6. Растворимость вода в расплаве гранитного состава при давлении до 7000 атм (в соавторстве с Н.И.Хитаровым, А.А.Кадиком). -Геохимия, 1963, МО, с.957-359.

7. Начало плавления гранита и электропроводность его расплава зависимости от высокого давления (в соавторстве с Н.И.Хитаровым) Геохимия, 1964, №3, с.195-201.

8. Физико-химические характеристики расплава гранита по данным электропроводности.- В сб.: Геохимические исследования в обл. повышенных температур и давлений, М., Наука, 1965, с.29-39.

9. Некоторые вопросы методики исследования водно-силикатных расплавов при высоких температурах и давлениях.- Геохимия, 1966, №8, с.995-997.

10. Экспериментальное исследование выноса молибдена из гранитного расплава под давлением воды до 3000 атм (в соавторстве с Н.И.Хитаровым, Л.А.Арутшяном).-Геохимия, 1967,J68, с.891-900.

11. Основные закономерности отделения воды от магштических расплавов гранитного состава (в соавторстве Н.И.Хитаровым, A.A. Каднком).- Геохимия, 1967, £11, с.1274-1284.

12. Равновесие в системе нефелин-апатит-вода (в соавторстве с Л.Н.Когарко)Геохимия, 1968, JS3, с.375-377.

13. Растворимость воды в расплаве системы диопсид-форстерит-ано-ртит при 1400°С и высоких давлениях (в соавторстве с А.А.Ка-дшсом, Н.И.Хитаровым).- Геохимия, 1968, J£5, с.625-626.

14. Растворимость вода в расплаве базальта (в соавторства с Н.И. Хитаровым, А.А.Кадиком).- Геохимия, 1968, И7, с.763-772.

15. Влияние температуры на растворимость воды в расплаве альбита при высоких давлениях (в соавторстве с А.А.Эдиком).-Геохимия, 1968, №12, с.1444-1455.

16. Кристаллизация расплава давдтового состава в условиях давления водяного пара от 500 до 3000 кг/см^ (в соавторстве с Н.И.Хитаровым, Л.Б.Нагапетяном).- Геохимия, 1969, М, с. 8-13.

Г7. Особенности кристаллизации кислых расплавов (в соавторстве с Н.И.Хитаровым, Л.Б.Нагапетяном).- Геохимия, 1969, йЗ, с.273-288.

18. Система альбит-форстерит при давлении вода 3000 атм и температурах 750-1300°С (в соавторстве с А.А.Кадиком, О.А.Лука-ниным).- Геохимия, 1970, №9, с. 1143.

19. Вода в магштических расплавах (в соавторстве с A.A.Целиком, Н.И.Хитаровым).- М., Наука, 1971, с.1-268.

20. Влияние температуры на растворимость вода в силикатных расплавах (в соавторства с Н.И.Хитаровым, А.А.Кадиком).- Труды 7III совещания по эксперим. и технологич. минералогии и петрографии.- Наука, 1971, с.276-282.

21. Растворимость воды в расплавах основного и ультраосновного составов (в соавторстве с Н.И.Хитаровшл, А.А.Кадпном).-Груды УШ совещания по эксперим. и технич. минералогии и петрографии.- Наука, 1971, с.282-287.

22. Влияние воды на физико-химические свойства силикатных расплавов,- В сб.: I Международный геохимический конгресс.- И.. ШНИТИ, 1972, т.I, с.116-124.

23. Влияние воды на электропроводность и вязкость магкатичес-ких расплавов.- В сб.: Материалы III Всасоюз. совещ. по физическим свойствам горных пород при высоких термодинамических параметрах.- Изд. "Наукова думка", 1971.

24. Систеш диопсид-форстерит-вода при 3000 атм (в соавторства с А.А.Каднкоы, О.А.ЛуканинЕы).- Геохимия, 1971, Ы2,

с.1413-1421.

25. Совместная растворимость води и углекислоты в расплавах гранитного и базальтового состава при высоких давлениях

(в соавторстве с А.А.Вадиком, О.А.Луканиным, Э.Е.Коровушки-ной).-Геохимия, I9V2, JH2, с.1549-1560.

26. Растворимость вода и углекислоты в магматических расплавах кислого и основного состава (в соавторстве с А.А.Кадиком, О.А.Луканиным, Э.Е.Коровушкиной).- Докл.АН СССР, 1973, т.210, &2, с.449-451.

"27. Экспериментальное исследование кристаллизации вулканических пород Ишханасарского массива (в соавторстве с Л.Б.Нагапетя-ном).- Геохимия, 1975, №2, с.274-279.

28. Физические свойства магматических расплавов.- В сб.: Физико-химические проблемы гидротершльных и магьатических процессов.- М., Наука, 1975, с.33-47.

29. Диффузия воды в расплаве крешезеьа (в соавторстве с Н.И.Хитаровым, Е.В.Венициановым, А.Ы.Дорфманом).- Геохимия, 1975, М8, с.1190-1203.

30. Физические свойства системы крешезем-вода при высоких параметрах (в соавторстве с Н.И.Хитаровым, А.М.Дорфманом).-Геохимия, 1976, &2, с.217-222.

31. Влияние давления на вязкость расплава базальта (в соавторстве с Н.И.Хитаровым, А.Б.Слуцким, А.М.Дорфш.ном, И.А.Сол-датовым, Н.И.Ревиным).-Геохимия, 1976, ШО, с.1489-1497.

32. Плотность водно-гранитного расплава (в соавторстве с Н.И.Хитаровым, А.Ы.Дорфшном).- Геохимия, 1976, МО, с. 1590.

33. Плотность сухого базальтового расплава при давлении до 5000 атм (в соавторстве с Н.И.Хитаровым, А.М.Дорфманом, Н.Ш.Баг-дасаровым).- Геохимия, 1977, М2, с.1901.

34. Вязкость сухих и водосодержащих базальтовых расплавов под давлением (в соавторстве с Н.И.Хитаровыы, А.Ы.Дор^шном, А.Б.Слуцким).- Геохимия, 1978, JÉ6, с.900-905.

35. The Peculiarities of Magma Rise in Presence of Water (with H.I.Khitarov).- Bull.Volcanol.,1978, 41-4, p.354-359.

36. Влияние температуры, давления и летучих компонентов на поверхностное натяжение расплава базальта (в соавторстве с Н.И.Хитаровым, А.М.Дорфьвноы, Н.Ш.Багдасаровым).- Геохимия, 1979, #10, c.I427-I438.

37. Сравнительная характеристика установок высокого давления с внутренним нагревом.- В сб.: Эксперимент и техника высоких газовых и твердофазовых давлений. Ы., Наука, 1978, с.20-29.

38. Физические свойства магматических расплавов (в соавторстве с Н.И.ХЙтаровым).- Ы., Наука, 1979, с.1-200.

Информация о работе

Лебедев, Евгений Борисович
доктора химических наук
Москва, 1981
ВАК 04.00.02

Автореферат

Похожие работы

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему Влияние воды на физико-химические свойства расплавов магматического состава ВАК РФ 04.00.02, Геохимия

Автореферат диссертации по теме "Влияние воды на физико-химические свойства расплавов магматического состава"

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Влияние воды на физико-химические свойства расплавов магматического состава
ВАК РФ 04.00.02, Геохимия