книги из ГПНТБ / Борисов, О. Г. Экструзии и связанные с ними газо-гидротермальные процессы

стве предопределяющих факторов рассмотрим содержание Н2 и СОо (в об. % от общей суммы газов). В табл. 43 сведены данные по множественной корреляции для некоторых разновидностей по­ род. Исследуемая зависимость между указанными факторами ли­ нейная и выражается уравнением

Как и в предыдущем случае эта зависимость предполагает в каче­ стве оценки тесноты связи использование выборочного коэффициен­ та корреляции. Ввиду ограниченности объема работы, результаты множественной корреляции подробно обсудим только для ба­ зальтов.

Ба з а л ь т ы. Корреляционная связь выражена четко. Средняя ошибка коэффициентов корреляции не превышает максимальной ошибки (.Мтах) при принятом уровне значимости. Поэтому корреля­ цию считаем вполне достоверной. Коэффициент множественной кор­ реляции (^лт-г=0,68) показывает, что связь результативного при­ знака Y с двумя факторами-признаками (X и К) по абсолютной величине более тесная, чем с каждым фактором в отдельности (rXY

и />у). Исчисленные парные коэффициенты корреляции характери­ зуют степень тесноты связи между соответствующими двумя при­ знаками без исключения влияния третьего. По абсолютной величине они почти равны между собой (гд-г= 0,565; rvT= 0—0,659), что

заставляет предполагать равноценность влияния на суммарную газоиасыщенность (У) как фактора Л'(Н2), так и фактора К(С02). Для проверки этого предположение рассмотрим тесноту связи меж­ ду результативным признаком (У) и одним из факториальных признаков {X или V) при исключении влияния другого факториаль­

ного признака (см. табл. 43). Сопоставляя частные коэффициенты корреляции (rxY,v и rVytx)c вычисленными ранее парными коэффи­ циентами корреляции (гху и rrY) отмечаем, что основное влияние

на суммарную газонасыщенность пород оказывает С02. Влияние Н2 очень мало.

Сопоставление частных и парных коэффициентов корреляции, вычисленных для других пород, показывает следующую зависи­ мость общего газосодержапия пород от Н2 и С02: 1) прямую и рав­ ноценную (по абсолютной величине коэффициента корреляции) — для гранита и риолита; 2) обратную и равноценную — для диорита, андезита и диабаза; 3) зависимость для габбро аналогична базальту.

Налицо четкая зависимость общего газосодержапия пород от состава газовой фазы по химически аналогичным, но структурно различным породам. Данный вывод, основанный на количественной оценке факторов, можно рассматривать как результатирующий: ко­ личество газовых эманаций и их качественный состав определяется конкретным источником магмы — базальтовой, андезитовой, гранит­ ной, что подтверждает мнение многих исследователей о существова­ нии разноглубинных магматических очагов с различной по составу магмой, находящейся в конкретных Р — Т условиях в равновесии

с газовой фазой.

132

Г а з о н а с ы щ е н н о с т ь п о р о д э к с т р у з и й . Небольшое количество проб по однотипным потокам и куполам с конкретных вулканов не позволяет дать статистической оценки различия в их газосодержании. Отдельные пробы показывают, что в куполах общее газосодержание в 1,5—2 раза меньше, чем в потоках, в стекле поро­ ды по сравнению с минералами газа меньше в 3—4 раза. Так, дацитовый поток вулкана Зимина содержит 1,45 V/V газа, а купол

того же состава — 0,97; андезитовый поток вулкана Шивелуч — 2,4, а купол — 1,15; стекло дацитового купола кальдеры Узон — 0,37, а все порфировые минералы — 3,5. Разброс значений по отдельным вулканам большой, но наблюдается общая тенденция к уменьшению содержания газа в экструзивной лаве.

Г Л А В А 14

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ СОСТАВ МАГМАТИЧЕСКИХ ГАЗОВ

В свое время А. Готье (ряд работ с 1900 по 1910 гг. цит. по А. 1. Ellis, 1957), занимающийся изучением газов, выделенных из горных пород, высказал предположение, что магматические газы близки к состоянию химического равновесия. Несколько позднее С. X. Вильсон (Wilson, 1938) пришел к выводу о термодинамической возможности существования некоторых соединений, таких как дву­ окись серы, метан, сульфид карбонила, бисульфид углерода в фумаролах и горячих источниках, имеющих различную температуру. Он показал, что отсутствие двуокиси серы и сульфида карбонила в газах горячих источников соответствует теоретическим предполо­ жениям. В то же время Е. Шепард (Shaphard, 1938) не разделял идею непосредственного применения термодинамики для объясне­ ния данных, полученных при анализе горных пород, считая, что сочетание катализаторов и антикатализаторов и действие адсорбции

вбоковых породах оказывает влияние на установление равновесия

влаве и газовой системе. Г. Джаггар (Jaggar, 1940) высказал предположение о простой смеси газов, которые,- будучи растворен­ ными в породах, могли бы при высоких температурах и резком сни­ жении давления дать типичные вулканические газовые продукты, которые обнаруживаются путем анализа в условиях соответствую­ щих температур.

Проанализировав имеющийся материал по вулканическим га­ зам и газам пород, А. Эллис (Ellis, 1957) отметил, что было бы небезынтересно установить теоретическое сочетание элементов в не­ которых системах с приблизительным составом естественных вулка­ нических и фумарольных газов и газов горячих источников. Теоре­ тические ассоциации молекул можно было бы затем сравнить с ассоциациями молекул в естественных газах. Это показало бы, на­ сколько близки естественные газы к состоянию равновесия. А. Эл­

133

лис пришел к выводу, что соотношение между данными, полученны­ ми в поле и вычисленными теоретическим путем, указывает на то, что магматические газы приближаются к состоянию химического равновесия и что при разрешении этих вопросов может быть исполь­ зована обычная термодинамика газовых реакций.

Работы в этом направлении были продолжены. Изменение хи­ мического состава магматических газов в зависимости от изменения температуры и давления, но уже при взаимодействии газообразных компонентов с твердыми компонентами магмы, рассмотрел С. Мацуа (Matsuo, I960). Термодинамический аспект вулканических га­ зов был изложен в работе И. Шимаци (Shimazu, 1960), в которой он подтвердил правильность расчетов С. Мацуа. Работы по определе­ нию состава магматической газовой фазы или отдельных ее состав­ ляющих на основе термодинамических расчетов и обоснование са­ мих расчетов (Краускопф, 1961; Волков, Рузайкина, 1969; Каржавин, Вендилло, 1970 и др.) также подтвердили возможность при­ менения термодинамики для расчета теоретических и природных газовых систем.

Результаты исследования

Одним из наиболее удобных параметров при расчетах равно­ весных процессов принято считать константу равновесия (К). Кон­

станта равновесия реакции, в которой участвуют твердые и газооб­ разные компоненты или одни газообразные, выражается через парциальное давление газообразных компонентов.

Для определенных значений температуры и давления величина К может быть вычислена по значениям энтальпии АН, свободной энергии при постоянном давлении ДF или объеме AZ, и по завися­

щим от температуры теплоемкостям участвующих в реакциях ком­ понентов. Значение К через AZ выражается уравнением

При заданных Т и Р величина К имеет постоянное значение. При расчетах ДZR и KR различные исследователи используют не всегда сопоставимые термодинамические параметры {AZ, АН, S),

поэтому результаты расчетов могут не совпадать. Это не должно смущать читателя, так как почти во всех работах приводятся дан­ ные, положенные в основу термодинамических расчетов.

Перейдем к обсуждению некоторых результатов термодинами­ ческих расчетов по магматическим газам, проведенных различными исследователями.

Из работы А. Эллиса (Ellis, 1957) наибольший интерес пред­ ставляет рассмотренная им система Н20 — Н2 — S2 при молекуляр­ ном отношении 100 : 2 : 1, которая стоит ближе всего к среднему от­ ношению в вулканических газах

134

Т а б л и ц а -14

Результаты расчетов, выраженные в мольных фракциях (X ■103)

приведены в табл. 44.

При низких температурах и давлении в одну атмосферу система представляет собой почти бинарную смесь, при высоких температу­ рах эта смесь будет уже тройной, состоящей из Н20, S 0 2 и Н2. Уве­ личение давления способствует сохранению системы с наименьшим количеством молекул. При высоком давлении и температуре система почти полностью отвечает составу при 900° и давлении в одну ат­ мосферу. Если эта закономерность прослеживается и далее, то при температуре 1200° К по мере увеличения давления система должна приближаться к составу, отвечающему выделениям высокотемпера­ турных фумарол при нормальном давлении.

Расчеты для наиболее реальной природной системы с участием С02 (Н20 — С02 — Н2 — S2, при молекулярном отношении 100:10: :2: 1) для температур от 500 до 1400°К при давлении в одну ат­ мосферу показывают следующую закономерность изменения соста­ ва газов. По мере увеличения температуры уменьшается содержа­

уменьшаться. Отношение S 0 2: С02 по мере повышения температуры быстро возрастает. Приведенные данные неплохо согласуются с наблюдениями на вулканах.

Интересные термодинамические расчеты проведены для углево­ дородных газов Хибинского и Лавозерского массивов на Кольском полуострове, геологические условия залегания которых в извержен­

Рассмотрена термодинамическая возможность образования метана в условиях земной коры из газовой фазы, содержащей СО и Н2 при

полученное суммированием ряда более простых уравнений, отража-

135

ностью термодинамических характеристик, тогда как колебания зна­

(25)—24----- 20 —2 3 ~ - 2 0 личного типа (табл. 48).

138

ний для расчета газового состава базальтовой магмы при Т— 1300 и 1500° К, Р = 1 атм и при Г==1500°К, Р = 10 атм, он получил кон­

центрацию SO2>100% . Сравнение данных по реальному составу газов озера Килауэа и расчетных данных показывает, что газы

,лавового озера, по-видимому, могли образоваться в равновесных условиях при Г=1500°К и Р = Ю 0 атм. Это противоречит физиче­

ским условиям и свидетельствует о том, что природа идеальных магматических газов иная, чем природа газов лавового озера. На­ до понимать, что газы, выделяющиеся на поверхность земли, не всегда отражают состояние равновесия в данных Р— Т условиях.

Поэтому нужно очень критически оценивать реальные природные газовые смеси и рассчитанные теоретически, давая нм правильную геолого-геохимическую оценку.

Термодинамические расчеты природных газовых смесей дают возможность оценить давление и температуру магмы. С. Мацуа (Matsuo, 1960), исходя из сравнения теоретических констант равно­ весия и вычисленных па основании состава магматических газов вулкана Шова-Шинзан, показал, что равновесие в газовой системе при 7 = 1300° К устанавливается при Р = 2 ~ 3 • 102 атм, что соот­

ветствует глубине очага порядка 1 км. По сейсмическим данным,

полученным после извержения вулкана, глубина равна 1—4 км. По усредненным данным газов пород (см. табл. 33) с учетом

: воды нами была рассчитана константа равновесия реакции

меняется с увеличением давления при высоких температурах и учет коэффициента летучести не обязателен. Результаты расчетов (табл. 49) показывают, что средняя температура равновесной га­ зовой смеси всех пород лежит в пределах 650—1350° С. А для от­ дельных типов пород, учитывая значительные расхождения в оценке

при расчетах падает на воду, содержание которой в породах изме-

139