Жариков В.А. Основы физической геохимии

Подождите немного. Документ загружается.

Основы физической геохимии

Жариков В. А.

Предлагаемая работа представляет полный систематический курс основ физической

геохимии. В книге рассмотрены предмет и методы физической геохимии, как науки о

физико - химических закономерностях образования минералов, горных пород и руд.

Последовательно разбираются общие положения термодинамики равновесных природных

систем, являющихся особым типом систем с вполне подвижными компонентами.

Методом термодинамических потенциалов выведены главные термодинамические

соотношения, характеризующие природные процессы, показано их применение.

Изложены основы термодинамики необратимых природных процессов, показано

приложение методов необратимой термодинамики к решению геохимических и

петрологических задач.

Систематически и подробно изложены вопросы теории, топологии, методы построения

диаграмм, используемых в геохимии, петрологии, учении о минеральных

месторождениях. В число их входят: диаграммы состав - парагенезис, диаграммы в

координатах Т - х (диаграммы плавкости), р - х, μ - х, диаграммы однокомпонентных

систем в координатах интенсивных параметров (μ - μ, Т - р и др.), диаграммы систем с

летучими компонентами. Показаны способы построения различных систем

многокомпонентных диаграмм и решения обратных задач (построение полных диаграмм

по частным сечениям, в виде которых обычно представлены экспериментальные данные).

Приведены наиболее значимые примеры природных диаграмм различных типов и на их

примере обсуждаются важные геохимические и петрологические проблемы, такие как

пути кристаллизации, отделение летучих от магм, влияние различных факторов на

свойства расплавов и растворов.

Особый раздел посвящен закономерностям распределения компонентов между твердыми

фазами, расплавами и растворами и использованию коэффициентов и констант

распределения для определения физико - химических условий образования минералов,

горных пород и руд.

Последняя глава посвящена использованию теории и методов физико - химических

расчетов диаграмм и некоторых динамических задач. Приведены примеры расчета всех

типов диаграмм. Обсуждаются подходы к компьютерному моделированию природных

процессов.

Книга представляет новое расширенное изложение курса основ физической геохимии,

преподаваемого автором с помощниками в течение 30 лет в МГУ, и предназначена для

студентов, аспирантов и всех специалистов, занимающихся изучением физико-

химических закономерностей природных процессов, одного из новых, быстро

развивающихся направлений геологии. По широте охвата и глубине изложения

рассмотренных вопросов книга не имеет аналогов в мировой литературе.

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ.

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ. ПРЕДМЕТ И МЕТОДЫ ФИЗИЧЕСКОЙ ГЕОХИМИИ.

1. ВВЕДЕНИЕ

2. ПРЕДМЕТ И МЕТОДЫ ФИЗИЧЕСКОЙ ГЕОХИМИИ

3. ЭМПИРИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

ГЛАВА 2. ТЕРМОДИНАМИКА ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ.

2. УСЛОВИЯ РАВНОВЕСИЯ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ

СИСТЕМ.

число независимых

параметров и правило фаз

3. СИСТЕМЫ С ВПОЛНЕ ПОДВИЖНЫМИ КОМПОНЕНТАМИ -

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ.

пределение систем с вполне подвижными

компонентами

4. НЕКОТОРЫЕ ВАЖНЕЙШИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ

деальные и реальные растворы

5. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПРИНЦИПЫ ТЕРМОДИНАМИКИ НЕОБРАТИМЫХ

ПРОЦЕССОВ

пия и термодинамические принципы необратимых процессов

ГЛАВА 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПАРАГЕНЕЗИСОВ МИНЕРАЛОВ.

1. ВВЕДЕНИЕ. ТИПЫ ДИАГРАММ.

2. ДИАГРАММЫ СОСТАВ-ПАРАГЕНЕЗИС.

-парагенезис

х диаграммах

3. ДИАГРАММЫ ЗАВИСИМОСТИ ФАЗОВОГО (МИНЕРАЛЬНОГО) СОСТАВА И

ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЙ (ПАРАГЕНЕЗИСОВ) ОТ ИНТЕНСИВНЫХ И

ЭКСТЕНСИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМ.

с твердыми фазами постоянного состава (Диаграммы систем без соединений (с одной

эвтектикой), Диаграммы систем без соединений, но с полиморфными переходами,

Диаграммы систем с соединениями, плавящимися конгруэнтно, Диаграммы систем с

соединениями, плавящимися инконгруэнтно, Диаграммы систем с ликвацией)

и систем с твердыми фазами переменного состава. (Диаграммы

плавкости систем с неограниченной растворимостью в твердом и жидком состояниях,

Диаграммы плавкости систем с ограниченной растворимостью в твердом состоянии)

яние диаграмм плавкости (Кислотно-основные

взаимодействия компонентов в расплавах , Влияние давления, Влияние вполне

подвижных компонентов , Влияние летучих компонентов и некоторые сведения о

строении магматических расплавов, Влияние на кристаллизацию расплавов окислительно-

восстановительных условий, Влияние кинетических и динамических факторов)

-p и p-x диаграммы для области субсолидуса

4. ДИАГРАММЫ ЗАВИСИМОСТИ ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЙ (ПАРАГЕНЕЗИСОВ)

ОТ ИНТЕНСИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

обоснование, Топология диаграмм, Топология диаграмм с сингулярными равновесиями,

Расчет моновариантных реакций при помощи определителей, Примеры диаграмм в

координатах интенсивных параметров)

(Введение в теорию диаграмм, Топология диаграмм одновариантных мультисистем,

Примеры диаграмм состояния одновариантных мультисистем, О многовариантных

мультисистемах, Нелинейные мультисистемы)

5. ДИАГРАММЫ ЗАВИСИМОСТИ ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЙ ОТ ИНТЕНСИВНЫХ

И ЭКСТЕНСИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ (T-P-X ДИАГРАММЫ)

-р-х диаграмма бинарной системы без критических явлений

-p-x диаграмма бинарной системы с критическими явлениями

-р-х диаграмм многокомпонентных систем с летучими

6. Фазовое соответствие и экстремальные состояния

эффициентов распределения к процессам магматической

дифференциации (Вариации содержания редкоземельных элементов при магматической

эволюции, Вариации распределения элементов при кристаллизации (возникновении)

магматических тел)

етствия (Способы изображения сосуществующих составов,

Диаграммы фазового соответствия и проблема миналов, Диаграммы фазового

соответствия в системах с вполне подвижными компонентами)

ГЛАВА 4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ.

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЙ.

3. ПРИМЕРЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ.

-х диаграммы плавкости

-р диаграммы твердофазовых реакций

-р диаграммы реакций гидратации (дегидратации)

-р диаграммы реакций карбонатизации (декарбонатизации)

-р диаграммы дегидратации и декарбонатизации в присутствии флюида Н

О и СО

иаграммы зависимости равновесий от летучести (парциальных давлений) и

активности компонентов

-pH диаграммы

ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ.

ЛИТЕРАТУРА.

ПРЕДИСЛОВИЕ.

Современное состояние науки отличается широким применением физико-химических

методов в геологии, и особенно в науках о веществе Земли. Овладение физико-

химическими методами становится необходимым для каждого специалиста изучающего

процессы образования минералов, горных пород, месторождений полезных ископаемых.

Более того они необходимы для понимания генезиса любых геологических объектов и

процессов. Неоценимое значение для разработки методов физико-химических

исследований природных процессов имели работы Д. С. Коржинского, обобщенные в его

известных монографиях "Физико-химические основы анализа парагенезисов минералов"

(1957 г.), ее второе переработанное издание "Теоретические основы анализа

парагинезисов минералов" (1972 г.), монографии "Теория метасоматической зональности"

(1969, 1982 гг.). Заметное влияние на распространение физико-химических методов в

геологии оказали известные книги П. Ниггли, А. Н. Заварицкого и В. С. Соболева, Т.

Барта, Р. Керна и А. Вайсброда, Р. М. Гарелса и Н. Винклера, Э. Элерса, С. Саксены.

В 1976 году В. А. Жариковым была опубликована книга "Основы физико-химической

петрологии", в которой впервые систематически были рассмотрены все главные

положения физико-химической петрологии или как правильнее ее определить -

физической геохимии. Были определены предмет и методы, изложена термодинамика

природных систем. Подробно разобраны теория и практика построения и анализа всех

типов диаграмм применяемых в петрологии и геохимии. Охарактеризовано использование

физико-химических расчетов для вычисления различных минеральных равновесий. В

течение многих лет эта книга служила главным пособием для освоения основ физической

геохимии для студентов МГУ, где автор читал соответствующий курс для широкого круга

студентов, аспирантов и научных сотрудников, желающих изучить этот предмет. Книга

"Основы физико-химической петрологии" была удостоена премии им. Д. С. Коржинского

Российской академии наук.

Однако со времени выхода книги в свет прошло более 20 лет. И хотя она полностью

сохранила свое значение, возникла потребность дополнить новыми материалами и

разработками, переработать и подсократить некоторые части, несколько утратившие свою

актуальность, ввести новые разделы, освещающие новые достижения в разработке теории

и методов физической геохимии, в приложении их к познанию физико-химической

природы геологических процессов.

Учитывая наш многолетний опыт преподавания "Основ физической геохимии" мы

предполагали подготовить для издания отдельной книгой методическое пособие, в

котором на конкретных примерах будет разобрано приложение методов к решению самых

разнообразных задач физической геохимии. Появление такого пособия несомненно

облегчит заинтересованному читателю понимание и освоение этого непростого предмета.

Отмечу, что соответствующий курс в МГУ более чем наполовину состоит из семинарских

занятий, домашних и контрольных работ.

В работе над этой книгой большую помощь мне оказали коллеги по преподаванию курса

О. И. Яковлев, Г. Н. Назьмова, А.Ю. Бычков. Рукопись к печати подготовлена А.Ю.

Бычковым, О.П. Румянцевой и Е. А. Солоповой. Особая нагрузка в этой работе легла на

плечи А.Ю.Бычкова, подготовившего иллюстрации к книге. Финансовая поддержка в

разработке теоретических разделов физической геохимии была оказана РФФИ. Примите,

дорогие товарищи, мои искренние выражения благодарности и признательности.

Автор с пониманием и одобрением отнесется ко всем замечаниям и пожеланиям в адресе

книги.

Академик В.А.Жариков, заслуженный профессор МГУ

Принятые обозначения.

активность i-го компонента.

a,b, k

компоненты

механичесая работа

A,B,C, R

фазы

теплоемкость

мольная изобарная теплоемкость

мольная изохорическая теплоемкость

летучесть(фугитивность) i-го компонента

число независимых экстенсивных параметров

число независимых интенсивных параметров

коэффициент распределения

бесконечно малое приращение

дифференциал

частная производная функции F(x,y) по переменной x при постоянном y.

свободная энергия Гельмгольца (потенциал Гельмгольца)

мольная (парциальная) свободная энергия Гельмгольца

свободная энергия Гельмгольца системы с вполне подвижными компонентами

изобаро-изотермический потенциал (свободная энергия Гиббса, потенциал

Гиббса)

мольный потенциал Гиббса системы

парциальный потенциал Гиббса компонента a

энтальпия

мольная энтальпия системы

парциальная энтальпия компонента а

энтальпия системы с вполне подвижными компонентами

масса компонента а

химический потенциал компонента а

поток

поток компонента а

константа распределения

константа химической реакции в изобарно-изотермической системе

число компонентов

число инертных компонентов

число вполне подвижных компонентов

число Авогадро

число степеней свободы

число внутренних степеней свободы

экстенсивный параметр

q, q

парциальные величины

тепловая работа

давление

парциальное давление компонента а

универсальная газовая постоянная

энтропия

мольная энтропия системы

парциальная энтропия компонента а

температура

время

внутренняя энергия

мольная внутренняя энергия системы

парциальная внутренняя энергия компонента а

внутренняя энергия системы с вполне подвижными компонентами

общий объем системы

мольный объем системы

парциальный объем компонента а

химическая работа

химическая работа компонента а

термодинамическая вероятность

термодинамический потенциал

Индексы и составы минералов

альбит

NaAlSi

акерманит

Acc

акцессорные минералы

Akt

актинолит

альмандин

амфибол

анортит

CaAl

And

андрадит

Andl

андалузит

биотит

Cal

кальцит

CaCO

Cat

карбонат

Cor

корунд

Cord

кодиерит

Cpx

клинопироксен

Crb

кристобалит

SiO

Crg

карнегиит

диопсид

Dol

доломит

CaMg(CO

)

энстатит

MgSiO

фаялит

SiO

форстерит

SiO

Fsp

полевой шпат

Gel

геленит

гранат

Gros

гроссуляр

гематит

Hed

геденбергит

Hrb

роговая обманка

калиофилит

Ksp

калиевый полевой шпат

кианит

ларнит

лейцит

мариалит

микроклин

мейонит

Mst

магнезит

магнетит

мусковит

Mul

муллит

нефелин

оливин

Opx

ортопироксен

Ort

ортоклаз

Per

периклаз

плагиоклаз

пироксен

пирит

Pyr

пирротин

кварц

Ran

ранкинит

скаполит

Sil

силлиманит

серпентин

Spl

шпинель

Spr

спуррит

тальк

Til

тиллеит

тремолит

Wol

волластонит

вюстит

ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ. ПРЕДМЕТ И МЕТОДЫ ФИЗИЧЕСКОЙ ГЕОХИМИИ.

1. ВВЕДЕНИЕ

Любое научное исследование состоит в изучении содержания и происхождения (генезиса)

того или иного объекта и в выявлении возможности его использования человеком. Цель

геологического исследования - установление содержания и генезиса геологических

явлений или объектов и их практической значимости. Это относится как к геологии в

целом, так и к тем ее разделам, которые будут преимущественно интересовать нас в

дальнейшем, - к процессам образования минералов, горных пород или руд. Но что значит

установить генезис минералов, горных пород и руд? Это значит, во-первых, выявить

историческую последовательность процесса формирования горной породы, или руды либо

ассоциации минералов, и, во-вторых, установить механизм этого процесса, построив его

физико-химическую модель. Эти две разные и тесно связанные стороны исследования,

осуществляемые двумя различными методическими подходами - историческим и

моделированием - составляют сущность познания генезиса геологических явлений. В этом

отношении геология отличается от таких естественных наук, как, например, физика и

химия, имеющих <внеисторический> характер и направленных на изучение содержания и

моделей (законов) физических и химических явлений. Отмеченные особенности познания