Термодинамическая модель флюидной системы H2O–CO2–NaCl–CaCl2 при P-T параметрах средней и нижней коры

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

На основе полученных ранее уравнений состояния тройных систем H2O–CO2–CaCl2 и H2O–CO2–NaCl выведено уравнение состояния четверной системы H2O–CO2–NaCl–CaCl2, выраженное в терминах избыточной свободной энергии Гиббса. Построена соответствующая численная термодинамическая модель. Основная часть численных параметров модели совпадает с соответствующими параметрами тройных систем. Параметр взаимодействия NaCl–CaCl2 был получен из экспериментального ликвидуса смеси солей. Аналогично термодинамическим моделям для H2O–CO2–CaCl2 и H2O–CO2–NaCl область применимости модели: 1–20 кбар и 500–1400°C. Модель позволяет предсказывать физико-химические свойства флюида, принимающего участие в большинстве процессов глубинного петрогенеза: фазовое состояние системы (гомогенный или многофазный флюид, наличие или отсутствие твердых солей), химические активности компонентов, плотности флюидных фаз и концентрации компонентов в сосуществующих фазах. С помощью модели подробно исследовано фазовое состояние и активность воды на сечениях H2O–CO2–соль при изменении отношения \({{{{x}_{{{\text{NaCl}}}}}} \mathord{\left/
{\vphantom {{{{x}_{{{\text{NaCl}}}}}} {({{x}_{{{\text{NaCl}}}}} + {{x}_{{{\text{CaC}}{{{\text{l}}}_{{\text{2}}}}}}})}}} \right.} {({{x}_{{{\text{NaCl}}}}} + {{x}_{{{\text{CaC}}{{{\text{l}}}_{{\text{2}}}}}}})}}.\) Исследованы изменения состава и плотности сосуществующих флюидных фаз при постоянной активности воды и изменении полного состава системы. Получен набор фазовых диаграмм на сечениях H2O–NaCl–CaCl2 при изменении мольной доли CO2. Выявлена зависимость от давления для максимальной активности воды в области сосуществования несмесимых флюидных фаз при различном солевом составе системы. Термодинамическое поведение системы со смешанным составом соли в значительной степени отличается от поведения систем с одним солевым компонентом вследствие снятия ограничений, вытекающих из меньшего числа компонентов в тройной системе.

Об авторах

М. В. Иванов

Институт геологии и геохронологии докембрия РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: m.v.ivanov@ipgg.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Аранович Л.Я. Флюидно-минеральные равновесия и термодинамические свойства смешения флюидных систем // Петрология. 2013. Т. 21. № 6. С. 588–599.
  2. Аранович Л.Я. Роль рассолов в высокотемпературном метаморфизме и гранитизации // Петрология. 2017. Т. 25. № 5. С. 491–503.
  3. Аранович Л.Я., Закиров И.В., Сретенская Н.Г., Геря Е.В. Тройная система H2O–CO2–NaCl при высоких Р-T параметрах: Эмпирическая модель смешения // Геохимия. 2010. № 5. С. 1–10.
  4. Иванов М.В. Бушмин С.А. Уравнение состояния флюидной системы H2O–CO2–CaCl2 и свойства флюидных фаз при P-T параметрах средней и нижней коры // Петрология. 2019. Т. 27. № 4. С. 431–445.
  5. Иванов М.В., Бушмин С.А. Термодинамическая модель флюидной системы H2O–CO2–NaCl при P-T параметрах средней и нижней коры // Петрология. 2021. Т. 29. № 1. С. 90–103.
  6. Киссин И.Г. Флюиды в земной коре: геофизические и тектонические аспекты. М.: Наука, 2009. 328 с.
  7. Котельников А.Р., Котельникова З.А. Экспериментальное изучение фазового состояния системы H2O–CO2–NaCl методом синтетических флюидных включений в кварце // Геохимия 1990. № 4. С. 526–537.
  8. Леонов Ю.Г., Киссин И.Г., Русинов В.Л. (ред). Флюиды и геодинамика. М.: Наука, 2006. 283 с.
  9. Родкин М.В., Рундквист Д.В. Геофлюидогеодинамика. Приложение к сейсмологии, тектонике, процессам рудо- и нефтегенеза. Долгопрудный: Издательский дом “Интеллект”, 2017. 288 с.
  10. Aranovich L.Y., Newton R.C. H2O activity in concentrated NaCl solutions at high pressures and temperatures measured by the brucite – periclase equilibrium // Contrib. Mineral. Petrol. 1996. V. 125. P. 200–212.
  11. Aranovich L.Y., Newton R.C. H2O activity in concentrated KCl and KCl–NaCl solutions at high temperatures and pressures measured by the brucite-periclase equilibrium // Contrib. Mineral. Petrol. 1997. V. 127. P. 261–271.
  12. Aranovich L.Ya., Shmulovich K.I., Fed’kin V.V. The H2O and CO2 regime in regional metamorphism // Int. Geol. Rev. 1987. V. 29. P. 1379–1401.
  13. Bischoff J.L., Rosenbauer R.J., Fournier R.O. The generation of HCl in the system CaCl2–H2O: Vapor-liquid relations from 380–500°C // Geochim. Cosmochim. Acta. 1996. V. 60. P. 7–16.
  14. Chartrand P., Pelton A.D. Thermodynamic equation and optimization of the LiCl–NaCl–KCl–RbCl–CsCl–MgCl2‒CaCl2 system using the modified quasi-chemical model // Metall. Mater. Trans. A 2001. V. 32A. P. 1361–1383.
  15. Duan Z., Møller N., Weare J.H. Equation of state for the NaCl–H2O–CO2 system: prediction of phase equilibria and volumetric properties // Geochim. Cosmochim. Acta. 1995. V. 59. P. 2869–2882.
  16. Frantz J.D., Popp R.K., Hoering T.C. The compositional limits of fluid immiscibility in the system H2O–CO2–NaCl as determined with the use of synthetic fluid inclusions in conjunction with mass spectrometry // Chem. Geol. 1992. V. 98. P. 237–255.
  17. Heinrich W., Churakov S.S., Gottschalk M. Mineral-fluid equilibria in the system CaO–MgO–SiO2–H2O–CO2–NaCl and the record of reactive fluid flow in contact metamorphic aureoles // Contrib. Mineral. Petrol. 2004. V. 148. P. 131–149.
  18. Johnson E. L. Experimentally determined limits for H2O–CO2–NaCl immiscibility in granulites // Geology. 1991. V. 19. P. 925–928.
  19. Joyce D.B., Holloway J.R. An experimental determination of the thermodynamic properties of H2O–CO2–NaCI fluids at high temperatures and pressures // Geochim. Cosmochim. Acta. 1993. V. 57. P. 733–746.
  20. Liebscher A. Experimental studies in model fluid systems // Rev. Mineral. Geochem. 2007. V. 65. № 1. P. 15–47.
  21. Manning C.E. Fluids of the lower crust: deep is different // Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2018. V. 46. P. 67–97.
  22. Manning C.E., Aranovich L.Y. Brines at high pressure and temperature: thermodynamic, petrologic and geochemical effects // Precambr. Res. 2014. V. 253. P. 6–16.
  23. Markl G., Bucher K. Composition of fluids in the lower crust inferred from metamorphic salt in lower crustal rocks // Nature. 1998. V. 391. P. 781–783.
  24. Seltveit A., Flood H. Determination of the solidus curve by tracer technique. The system CaCl2–NaCl // Acta Chem. Scand. 1958. V. 12. P. 1030–1041.
  25. Shmulovich K.I., Graham C.M. An experimental study of phase equilibria in the system H2O–CO2–NaCl at 800°C and 9 kbar // Contrib. Mineral. Petrol. 1999. V. 136. P. 247–257.
  26. Shmulovich K.I., Graham C.M. An experimental study of phase equilibria in the systems H2O–CO2–CaCl2 and H2O–CO2–NaCl at high pressures and temperatures (500–800°C, 0.5–0.9 GPa): geological and geophysical applications // Contrib. Mineral. Petrol. 2004. V. 146. P. 450–462.
  27. Steele-MacInnis M., Bodnar R.J., Naden J. Numerical mo-del to determine the composition of H2O–NaCl–CaCl2 fluid inclusions based on microthermometric and microanalitic data // Geochim. Cosmochim. Acta. 2011. V. 75. P. 21–40.
  28. Trommsdorff V., Skippen G., Ulmer P. Halite and sylvite as solid inclusions in high-grade metamorphic rocks // Contrib. Mineral. Petrol. 1985. V. 89. P. 24–29.
  29. Van den Kerkhof A.M., Hein U.F. Fliud inclusion petrography // Lithos. 2001. V. 55. P. 27–47.
  30. Zhang Y.-G., Frantz J.D. Experimental determination of the compositional limits of immiscibility in the system CaCl2–H2O–CO2 at high temperatures and pressures using synthetic fluid inclusions // Chem. Geol. 1989. V. 74. P. 289–308.

Дополнительные файлы


© М.В. Иванов, 2023