WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 || 3 |

К явлениям распространения горения относятся: нормальное распространение пламени горения в неравномерно движущемся газе, турбулентное горение и детонация. Нормальное горение - это распространение пламени в отсутствии газодинамических эффектов, связанных с градиентами давления, или с турбулентностью. Скорость распространения этого идеализированного процесса называется нормальной скоростью пламени. Она зависит от кинетики реакции и коэффициентов теплопроводности диффузии. Нормальная скорость пламени определяется кинетикой реакции во фронте пламени, при максимальной температуре горения. В обычных условиях процесс горения сопряжен с движением газа. Если такое движение и не создается искусственно, как в доменном процессе, то оно возникает само вследствие термического расширения и увеличения объема продуктов реакции горения. При сверхзвуковых движениях газов, которые могут возникать во время эксплозивных извержений расплава, в нем возникают ударные волны (скачки уплотнения), т.е. поверхности, где резкое сжатие происходит на расстоянии порядка длины свободного пробега. Работа сжатия преобразуется в тепловую энергию, происходящий при этом разогрев может привести к воспламенению. Распространение горения посредством воспламенения ударной волной носит название детонации. Как отмечалось ранее, такие процессы наблюдались на БТТИ [17].

Различают гомогенное, гетерогенное и диффузионное горение. Гетерогенное горение происходит на поверхности раздела фаз. Одно из реагирующих веществ находится в конденсированной фазе (твёрдой или жидкой), другое (обычно кислород) доставляется диффузией из газовой фазы. Для того, чтобы горение было гетерогенным, конденсированная фаза должна иметь высокую температуру кипения, так, чтобы при температуре ее горения испарением можно было пренебречь.

Примером истинного гетерогенного горения является горение нелетучих металлов.

При этом горении образуются тугоплавкие окислы. Как нам представляется, гетерогенное горение характерно для окислительно-восстановительных процессов, происходящих в доменной печи и в магматических колоннах.

Температурный режим функционирования сложнейших окислительновосстановительных процессов, идущих со скоростью горения в доменной печи, поддерживается в интервале температур, свойственном температуре базальтового Рычагов С.Н., Белоусов В.И., Кузьмин Ю.Д., Белоусова С.П.

магматического расплава 1100-13000С. Такой высокотемпературный режим поддерживается за счет самопроизвольного горения окиси углерода и водорода, выделяющего большое количество тепловой энергии (теплотворная способность Н= 28905 ккал/кг), а также реакции восстановления окислов железа и образования сложных силикатов и алюмосиликатных расплавов [2]. Газ, состоящий из Н2О, СО2, СО, N2, Н2 и СН4, является конечным продуктом окислительно-восстановительных реакций, характерных для процессов горения.

3. Роль газов в транспортировке рудных соединений и отложении металлов в структуре гидротермально-магматических систем Известно, что при извержении вулканов на дневную поверхность и в атмосферу выносится большое количество рудных, щелочных и других элементов:

Mg, Mn, Na, K, Ca, Al Fe, As, Zn, Sr, Ba, Cu, Pb, Sn, Sb, Ge, Ag, Cr Ni Mo и др. [22,,,, 24]. При извержении вулкана Килауэа в 1970 году главными компонентами газов были Na, Ca, Al Fe, Mg, K, Ti, Zn, Cu и Ni[28]. Установлено также содержание B и, Si в существенных количествах. Присутствие в вулканическом газе тяжелых металлов связывается с их селективным испарением из магмы и последующей конденсацией при охлаждении [27]. Позже было установлено, что содержание металлов и кремния в вулканических газах фактически значительно выше, чем то, которое может быть обусловлено их летучестью [18, 20]. Анализируя состояние дел в вопросе изучения механизмов транспортировки и отложения металлов в газогидротермальной среде, необходимо отметить, что решение проблемы находится на начальном этапе накопления фактического материала и создания концептуальных моделей.

Полученные нами данные на примере ряда современных высокотемпературных ГМС Камчатки и Курильских островов практически являются результатами натурных экспериментальных исследований.

Из керна и шлама скважин, пробуренных в центральных частях высокотемпературных ГМС Баранского (о.Итуруп, Южные Курильские острова), Мутновской (Южная Камчатка) и Северо-Парамуширской (о.Парамушир) выделены информативные, с точки зрения характеристики Р-Т условий среды минералорудообразования, и считавшиеся ранее экзотическими, минеральные объекты рудные и силикатные глобули [16]. Исследование распределения рудных и силикатных глобулей в пределах геологической структуры современной Раздел 4: Геохимия и динамика газов и природных вод высокотемпературной ГМС показало, что эти минеральные образования характерны для зон восходящего потока гидротермального (гидротермально-магматического ) флюида - горстов, их краевых и особенно осевых частей. Осевые части горстов представляют собой трещинно-брекчиевые зоны мощностью до нескольких сотен метров, открытые на глубину не менее 1,5 – 2,0 км [14]. По этим зонам происходит подъем наиболее горячих газонасыщенных гидротермальных растворов.



Температуры растворов по результатам прямых замеров в скважинах составляют до 3200С, а по данным изучения газово-жидких включений в минералах и минеральным геотермометрам - до 4700С [15]. Метасоматиты различного состава на всем протяжении вертикального разреза содержат большое количество шариков, которые чаще всего находятся внутри пустот, пор и трещин, реже – облекаются гидротермальным цементом, равновесным с раствором. Вместе с тем, глобули полностью отсутствуют в породах зон питания гидротермальной системы – в опущенных блоках или на периферии системы, где происходит охлаждение пород метеорными, морскими и отработанными термальными водами. В СевероПарамуширской ГМС из пород глубокого разреза (скважина глубиной 2500 м) выделены единичные глобули, но интервал 850-1000 м обогащен ими. Этот интервал приходится на границу между толщами пород, отличается их повышенной пористостью и трещиноватостью и, вероятно, является верхней границей крупного парового резервуара.

По-видимому, глобули самородного железа, иоцита, шорломита, магнетита и их зональные разности формируются при температуре не менее 500-6000С на глубинах более 1-1,5 км в непосредственной близости (в брекчиевой мантии) или в пределах интрузивного тела (периферического магматического очага) и транспортируются к дневной поверхности в составе «сухого» газового флюида. В пользу наличия восстановленного флюида в близповерхностных условиях свидетельствует также факт выделения большого количества водорода из термальных источников в пределах горста «Кипящая Речка» [7] и других горстов, контролирующих восходящий тепловой поток в пределах ГМС Баранского. Таким образом, силикатные и рудные глобули, установленные в пределах структуры ГМС, находящейся на высокотемпературном (прогрессивном) этапе развития, служат индикаторами больших температур газово-жидкого флюида, высокой степени его восстановленности («сухости») и проницаемости зон. В остывающих гидротермальных системах не обнаружены глобули, как нет и признаков наличия Рычагов С.Н., Белоусов В.И., Кузьмин Ю.Д., Белоусова С.П.

восстановленного флюида. Кроме того, исследования глобулей показали, что гидротермальный флюид обладает высокой газонасыщенностью и активно формирует саму геологическую структуру системы. Об этом говорит широкое развитие гидротермальных брекчий в зонах современных тектонических нарушений, полимиктовых комбинированных брекчий с сульфидной минерализацией в контактовых частях интрузивных тел, повсеместное присутствие микробрекчиевых текстур в интенсивно гидротермально измененных породах и гидротермалитах.

Формирование и перенос рудного и силикатного вещества происходит, по всей видимости, при значительном участии элементоорганических соединений: это подтверждает постоянно присутствующая ассоциация самородного углерода (графита) с минералами, слагающими глобули. Отложение глобулей могло происходить в случае распада этих соединений при понижении давления или повышении потенциала кислорода, но судя по фактическим данным - чаще всего на значительных глубинах: 1 км или более от дневной поверхности. По-видимому, большая роль в транспортировке металлов и их соединений принадлежит хлору, который проявляет высокую миграционную способность и легко отделяется от расплавов во флюидную фазу. Отмечается исключительно высокая эффективность хлоридной экстракции металлов из алюмосиликатных расплавов [8]. Многие металлы (Au, Al Fe, W и др.) характеризуются высоким химическим сродством к, хлору и образуют с ним хлоридные комплексы. Кроме того, Cl часто входит в состав элементоорганических соединений [18].

Изучение ГМС, находящихся на прогрессивном, экстремальном и регрессивном этапах развития, показало, что за относительно короткий геологический отрезок времени (десятки тысяч лет) в структуре системы происходит интенсивное перераспределение рудного вещества: от привноса и рассеяния в большой массе метасоматитов до концентрирования на геохимических барьерах, их укрупнения и создания рудных тел. Механизм такого перераспределения трудно понять, не привлекая к объяснению активное участие в данном процессе летучих компонентов – магматических газов и газово-жидкого рудоносного гидротермального флюида.

4. Обсуждение результатов: предполагаемые процессы в конвективной магматической ячейке Процессы, происходящие в магматической ячейке ГМС по многим Раздел 4: Геохимия и динамика газов и природных вод параметрам сходны с пирометаллургическими: магматический расплав в близповерхностных условиях также выделяет Н2О, СО2, Н2, СН4 и кроме того - SO2, присутствуют N2, HCl, HF. Все это - конечные продукты горения, которые отмечаются при извержении базальтовых вулканов. Рассматривая физикохимические и химико-кинетические процессы в пирометаллургии, можно объяснить некоторые явления, отмечаемые исследователями магматизма. Например, явления свечения базальтовых расплавов на вулкане Изу-Ошима и других вулканах можно интерпретировать как реакции горения газов на поверхности магматического расплава, которое обеспечивает дополнительный разогрев магмы. Температура газов достигает 1300-14000С, а по некоторым данным - 17000С. Горение водорода и окиси углерода осуществляется при взаимодействии с кислородом воздуха, в результате чего образуется водяной пар. Мы считаем, что швейцарский геохимик А.Брюн, в основном, верно полагал, что в магматическом расплаве нет растворённой воды.





Необходимо уточнить, что в базальтовом расплаве, температура которого более 10000С, молекула воды образуется в остывающей магме. Особенно интенсивно этот процесс происходит при выбросе ее, разбрызгивании и бурном истечении, когда поток магмы характеризуется высокой степенью турбулентности. Это сопровождается активным взаимодействием магматических газов с кислородом воздуха. Если вода выделяется из магматического расплава в виде высокотемпературного пара (~ 10000С), энтальпия которого составляет ~ккал/кг, то дегазация расплава вызывает резкое снижение температуры магмы в магмоводе и на поверхности, как это происходит в пароводяных скважинах [1].

Теплопотери могут быть компенсированы дополнительным теплом, как поступающим в виде новых порций магматического расплава, так и образующимся за счет протекания цепных окислительно-восстановительных реакций [23].

Расчёт скорости обычной диффузии для водяного пара не может обеспечить реально измеренные потоки летучих, выделяемых магматическими расплавами [29].

Экспериментами доказано, что скорость диффузии водорода в силикатном расплаве превышает скорость диффузии молекул воды в 1000 раз [12]. Эти данные подтверждаются и на примере доменных процессов: время преодоления высоты домны от фурм до колосников восходящими потоками летучих составляет несколько секунд. Здесь необходимо учитывать, что верхняя часть шихты имеет рыхлую текстуру. При температурах более 5000С хотя и происходит спекание шихты, но преодоление летучими этого участка происходит довольно быстро. Возможно, Рычагов С.Н., Белоусов В.И., Кузьмин Ю.Д., Белоусова С.П.

выделение свободной газовой фазы в магматической колонне и турбулентное течение в её верхней части создают высокопористую среду. Даже в случае ламинарного течения газы могут мигрировать по ослабленным границам струй, на что указывает “пузырчатость” полосчатых риолитов и дацитов некоторых экструзий.

В более текучем базальтовом расплаве такая фильтрация газов предположительно имеет большие скорости. Диффузия газовых молекул в сторону этих границ и последующее перемещение газов со слоями расплавов должно способствовать их перемешиванию с образованием свободных фаз горючих газовых смесей и воспламенению от трения слоев расплава в ламинарном потоке или от высокой температуры силикатного расплава. В результате горения газовых смесей увеличивается объем продуктов сгорания и выделившееся тепло разогревает эти участки расплава, понижая его вязкость. Одновременно понижается растворимость газов в приграничных слоях. Эта цепочка событий не может описываться термодинамическими уравнениями. Их можно применять лишь к квазистационарным процессам. Основываясь на обсуждениях описанной выше информации, авторы приходят к выводу, что магматический расплав не является инертным телом. На путях миграции от верхней мантии до поверхности Земли в самом магматическом расплаве происходят кинетические реакции с выделением и поглощением тепла с различными скоростями, давлениями и температурами. Весь комплекс процессов, происходящих в саморегулирующемся магматическом расплаве, обеспечивает автоматическое поддержание теплового режима, который определяет функционирование ГМС. «Главной задачей» системы является передача тепловой энергии от магматического очага в земную кору и атмосферу.

Таким образом, магматическая конвективная ячейка представляет собой систему потокового типа, в которой господствующим способом тепломассопереноса является вынужденная конвекция. Этот способ теплопередачи обеспечивается многими кооперативно действующими процессами. Существенная черта такого кооперативного поведения в магматическом процессе - эффект самоорганизации, т.е.

возникновение, развитие и гибель макроскопических структур в неравновесных условиях. Исследования по теории самоорганизации таких физико-химических систем, как магматическая конвективная ячейка, далеки от окончательного решения и находятся на стадии получения информации и первых обобщений [13]. Эти авторы считают, что эффекты самоорганизации наблюдаются в открытых системах потокового типа, связанных, по меньшей мере, с двумя внешними системами, не Раздел 4: Геохимия и динамика газов и природных вод находящимися в равновесии друг с другом. Незатухающие потоки энергии и вещества поддерживают систему в состоянии, далеком от теплового равновесия.

Рост установившейся упорядоченности в таких системах происходит с повышением степени неравновесности при увеличении потока энергии и (или) вещества. В случае с магматической конвективной ячейкой этот эффект фиксируется стадией прорыва магматической колонны через литосферу к поверхности Земли и квазистационарным истечением дифференцирующегося магматического расплава во время извержения.

Явления самоорганизации в неравновесных системах принципиально отличаются от явлений упорядочения в равновесных системах, где порядок системы возрастает при понижении температуры.

Pages:     | 1 || 3 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.