Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
Часть I. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ C-H-N-0-S Глава I. СОВРЕМЕННЫЕ МОДЕЛИ ОБРАЗОВАНИЯ ЗЕМЛИ И ЕЕ ФЛЮИДНОЙ СИСТЕМЫ
Некоторые химические и физические свойства элементов системы C-H-O-N-S 11
Распространенность элементов системы C-H-N-OS во Вселенной 13
Распространенность элементов системы C-H-O-N-S в Солнечной системе и сценарии ее образования 14
Гипотезы образования Земли и ее расслоения на ядро и оболочки 17
Модели холодного образования и расслоения Земли 17
Модели горячего образования Земли 21
1.5. Происхождение флюида Земли и ее энергетический баланс 27
Глава 2. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ПО СОСТАВУ МАНТИЙНОГО ФЛЮИДА
СИСТЕМЫ C-H-N-OS
2.1. Формы нахождения элементов в породах и минералах верхней мантии 31
2.2. Конституционные формы нахождения элементов системы C-H-N-0-S
в верхней мантии 33
2.3. Изоморфные формы нахождения летучих компонентов
в мантийных минералах 47
2.4. Индивидуальные флюидные включения в породах и минералах
верхней мантии 57
2.5. Характеристика методов вскрытия летучих компонентов
в породах и минералах 63
2.5.1. Деструктивные методы 64
Методы извлечения газовой фазы из пород и минералов 64
Методы извлечения конденсированных фаз 71
2.5.2. Недеструктивные методы 72
2.6. Валовый состав флюида в породах и минералах верхней мантии 74
Состав газовой фазы в породах верхней мантии 74
Состав газовой фазы в минералах 76
2.6.3. Состав тяжелых углеводородов в породах и минералах верхней ман
тии 85
2.7. Заключение 94
Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ С-Н-0 В РТ-УСЛОВИЯХ ЗЕМЛИ
Результаты экспериментов с образованием неорганических газов и легких углеводородов 100
Результаты экспериментального синтеза тяжелых УВ и N, 0-со держащих УВ-соединений и их превращений 109
Эксперименты с неорганическими газами 109
Эксперименты с углеводородными соединениями 110
Статические эксперименты 110
Ударные эксперименты 114
Часть II. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ
C-H-N-0-S
Глава 4. ОСНОВЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 123
4.1. Метод минимизации термодинамических потенциалов 123
Минимизация изобарно-изотермического потенциала 126
Минимизация функции энтропии со знаком минус в изохорическихусловиях и с заданной внутренней энергией 129
4.2. Алгоритм минимизации свободной энергии гетерогенной мультисистемы
наложением на зависимые компоненты одно- и двухсторонних ограниче
ний 132
Программный модуль Флюид- Газ-Жидкость (Fluid - Gas - Liquid) 135
Термодинамическое моделирование геохимических процессов методом выпуклого программирования в условиях неопределенности 138
Глава 5. ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ БАЗЫ ДАН
НЫХ (ТДБД) СИСТЕМЫ C-H-N-S-0 140
5.1. Свойства углеводородных и N,О,S-coдержащих УВ-газов при давлении
1 бар : .' 141
5.1.1. Термодинамические свойства углеводородных и N.O.S-содержащих УВ-
газов 141
Выбор и расчет теплоемкости углеводородных и N,О,S-co держащих УВ-газов 155
Выбор и расчет критических параметров и фактора ацентричности углеводородных и N, CS-содержащих УВ-газов 172
5.1.4. Подготовка компьютерного варианта ТДБД по углеводородным
и N, О,S- содержащим УВ-газам 190
5.2. Свойства неорганических молекулярных газов системы C-H-N-0-S при дав
лении 1 бар 190
Термодинамические свойства неорганических газов системы C-H-N-0-S 190
Выбор и расчет теплоемкости неорганических газов 195
5.2.3. Выбор и расчет критических параметров и фактора ацентричности
неорганических газов системы C-H-N-0-S 206
Расчет физических параметров неорганических газов 206
Схема расчета критических параметров неполярных-умеренно полярных неорганических соединений 212
Схема расчета критических параметров сильно полярных неорганических соединений 213
5.2.4. Подготовка компьютерного варианта ТДБД по неорганическим га
зам 217
5.3. Расширение возможностей программного модуля Fluid (флюид)-Оаз (газ)-
Liquid (жидкость) 217
Методика исследований 217
Области действия программ-процедур модуля 220
5.4. Термодинамические свойства графита и алмаза 225
Глава 6. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ C-H-N-0-S В РТ-
УСЛОВИЯХ ЗЕМНОЙ КОРЫ И ВЕРХНЕЙ МАНТИИ
6.1. Предшествующие работы 227
6.1.1. Термодинамические модели неорганической части системы
C-H-N-0-S (±легкие углеводороды) 227
6.1.2. Термодинамические модели углеводородной части системы
C-H-N-0-S 236
6.2. Сценарии подъема мантийного флюида по геобаротерме 239
6.3. Результаты физико-химического моделирования систем С-Н и C-H-N-OS в
равновесных условиях 241
Моделирование системы С-Н 241
Моделирование системы C-H-N-0-S 248
Модели с титрованием системы C-H-N-0-S кислородом 248
Модели системы C-H-N-0-S с такими отношениями элементов, как в мантийных ксенолитах и алмазе 251
6.3.3. Модель системы С-Н с детонацией тяжелых углеводородов 256
6.3.4. Моделирование системы С-Н в условиях метастабильного подъема
тяжелых углеводородов по геобаротерме 261
6.3.5. О достоверности результатов моделирования 270
6.4. Заключение 276
Часть III. ПРИКЛАДНОЕ ЗНАЧЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ C-H-N-OS В РГ-УСЛОВИЯХ ВЕРХНЕЙ МАНТИИ И ЗЕМНОЙ КОРЫ Глава 7. ПРОБЛЕМЫ МАНТИЙНОЙ ГИПОТЕЗЫ ОБРАЗОВАНИЯ НЕФТИ
И ГАЗА 278
7. 1. Основные положения гипотезы мантийного генезиса нефти и газа 279
7. 2. Признаки мантийного генезиса нефти и газа Сибирской платформы 289
7.3. Признаки мантийного генезиса углеводородных залежей в разновозрастных
континентальных рифтах южного обрамления Сибирской платформы 298
7.4 Обсуждение генезиса нефти и газа 302
7.4.1 Двойственный характер аргументов органической и неорганической
гипотез 302
Сибирская платформа 305
Разновозрастные рифты южного обрамления Сибирской платформы 311
Глава 8. ЭНДОГЕННЫЕ РУДОНАФТИДНЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ
8.1. Обоснование двух ветвей металлоносного мантийного флюида 314
Сценарии подъема и формы нахождения рудоносного флюида 315
Классификация и примеры рудонафтидных месторождений 318
8.4. Заключение 348
Глава 9. НЕКОТОРЫЕ ДРУГИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ C-H-N-0-S
Разработка флюидно-взрывной модели землетрясений 350
Исследования образования магм с участием углеводородно неорганического флюида 3 52
9.3. Роль углеводородно-неорганического флюида в различных геодинамиче
ских обстановках 356
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 362
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 371
Введение к работе
Актуальность проблемы. В современной науке о Земле сложилось мнение о доминировании в составе мантийного флюида (МФ) неорганических газов. В значительной мере такое положение дел обусловлено длительным преобладанием представлений об органическом происхождении нефти, а вместе с нефтью и тяжелых (высокомолекулярных) углеводородов (ТУ). Эти представления стали сдерживающим фактором, своеобразным психологическим барьером, который препятствует анализу в смежных науках о Земле роли углеводородов (УВ) в геологических процессах. С термодинамических позиций возможность нахождения ТУ в верхней мантии впервые была обоснована Э.Б. Чекалюком [1967]. С тех пор накопилось немало геологических, геофизических, геохимических, экспериментальных и термодинамических фактов, подтверждающих эту концепцию. Назрела необходимость на новой термодинамической основе перепроверить выводы Э.Б. Чекалюка о существовании ТУ в верхней мантии (ВМ), а также обобщить имеющуюся информацию о возможности присутствия ТУ в верхней мантии. Следует с позиций существования в мантии двух ветвей флюида [Кропоткин, 1955; Валяев, 1997] - углеводородной и неорганической - оценить роль ТУ в различных геологических процессах - образовании нефти и газа, магматических расплавов, рудонафтидных месторождений, инициировании землетрясений - и установить причины их проявления в различных геодинамических обстановках. Обоснование существования ТУ в верхней мантии имеет не только теоретическое, но и сугубо практическое значение.
Цели и задачи работы. Главная цель исследования - определение состава флюида верхней мантии и земной коры на основе синтеза знаний наук о Земле и физико-химического моделирования системы C-H-N-0-S. В решении названной проблемы центральное место занимает доказательство устойчивости тяжелых углеводородов в верхней мантии.
Оценка роли мантийного флюида в возникновении и реализации эндогенных геолого-геохимических процессов и установление причины их совместного проявления в различных геодинамических обстановках.
Достижение названных целей потребовало решения следующих задач.
Критическое обобщение геохимической, экспериментальной и термодинамической информации о составе неорганических и углеводородных газов (в том числе тяжелых углеводородов) в верхней мантии и земной коре.
Оценка достоверности определения состава мантийного флюида с использованием существующих методов выделения и анализа его компонентов в мантийных ксенолитах и высокобарических минералах.
Создание термодинамической базы данных, которая удовлетворяла бы двум основным требованиям: 1) включения в список соединений углеводородных газов разного молекулярного веса и неорганических газов; 2) возможность проведения моделирования системы C-H-N-0-S в области высоких температур и давлений.
Термодинамическое моделирование систем С-Н и C-H-N-0-S методом минимизации свободной энергии Гиббса в равновесных и метастабильных условиях подъема мантийного флюида по геобаротермам.
Разработка на основе физико-химического моделирования концепции связи эндогенных геолого-геохимических процессов с мантийным флюидом.
Новизна и научная значимость. Решена важная научная задача по определению состава мантийного флюида, который ниже фазового перехода графит-алмаз представлен термодинамически равновесной смесью тяжелых углеводородов и неорганических газов. Показана ведущая роль глубинного флюида в возникновении и реализации геохимических процессов в различных геодинамических обстановках.
Новизна и научная значимость диссертационной работы состоят в следующем.
На основе синтеза данных наук о Земле подтверждено присутствие тяжелых углеводородов в верхней мантии.
Критический анализ мировых данных позволил сделать вывод о распаде мантийного флюида при подъеме к земной поверхности на газовые, жидкие и твердые фазы, представленные углеводородными и неорганическими компонентами.
Показано отклонение от исходного состава газов мантийных ксенолитов и высокобарических минералов в процессе извлечения газов методами деструкции.
Создана термодинамическая база данных, включающая углеводородные и неорганические газы и позволяющая проводить моделирование в области высоких температур и давлений.
На основе физико-химического моделирования системы C-H-N-OS минимизацией энергии Гиббса доказано, что мантийный флюид ниже фазового перехода графит-алмаз представлен смесью тяжелых углеводородов и неорганических газов.
Термодинамически установлено совпадение перехода "тяжелые алканы -метан с его ближайшими гомологами" с фазовым переходом "алмаз-графит".
Предложены сценарии подъема мантийного флюида - равновесный, мета-стабильный и метастабильный с детонацией. На основании геохимических признаков установлен метастабильный подъем тяжелых углеводородов из верхней мантии.
Обосновано предположение об устойчивости тяжелых элементоорганиче-ских соединений в верхней мантии ниже фазового перехода графита - алмаз.
На основе комплексного анализа развиваются представления о важной роли мантийного флюида в образовании нефти и газа, рудонафтидных месторождений, а также инициировании землетрясений.
Практическое значение работы.
Устойчивость тяжелых углеводородов в верхней мантии является основанием для пересмотра роли флюида в различных геолого-геохимических процессах.
Разработан новый подход к определению состава флюида в мантийных ксенолитах и высокобарических минералах с учетом газовых, жидких и твердых фаз, являющихся продуктами распада мантийного флюида. Предложен термодинамический контроль равновесности газовой фазы в мантийных ксенолитах и минералах.
С помощью созданной термодинамической базы данных проводится физико-химическое моделирование геохимических процессов с совместным участием тяжелых углеводородных газов и неорганических газов.
Теоретическое обоснование устойчивости тяжелых углеводородов в мантии и обобщение положений неорганической гипотезы происхождения нефти и газа указывают на целесообразность использования ее критериев в поиске и разведке месторождений углеводородов как в осадочных породах, так и в кристаллическом фундаменте.
Аргументация устойчивости элементоорганических соединений в верхней мантии и метастабильного подъема их по зонам глубинных разломов в литосфере является основанием для проведения поиска и разведки, а также ревизии полиме-талльных эндогенных рудобитумных и рудографитовых месторождений.
Защищаемые положения
Комплексный анализ и критическое обобщение данных наук о Земле (общей и экспериментальной геохимии, космохимии, геологии и геофизики) указывают на устойчивое существование высокомолекулярных (тяжелых) углеводородов в верхней мантии.
Создание базы данных термодинамических параметров газообразных углеводородных (в том числе высокомолекулярных) соединений разных классов и неорганических газов - основы математического моделирования геохимических процессов в геотермобарометрических условиях верхней мантии и земной коры.
Методом минимизации свободной энергии Гиббса в рамках системы С-Н-N-OS установлено, что ниже зоны фазового перехода графит-алмаз мантийный флюид представляет газообразную, плотную смесь тяжелых углеводородов и неорганических газов.
Термодинамическая устойчивость тяжелых углеводородов в верхней мантии не противоречит существующим представлениям о глубинном происхождения нефти и газа и рудонафтидных месторождений. Детонация метастабильных, тяжелых углеводородов в зоне энергетического барьера является возможной причиной сейсмической активности в верхней мантии и земной коре. Эти геолого-геохимические процессы в различных геодинамических обстановках взаимосвязаны и представляют различные проявления эволюции мантийного флюида.
Апробация работы. По теме диссертации опубликована 51 научная работа. Из них - 17 статей в центральных и зарубежных журналах, 7 статей в сборниках и 27 тезисов докладов. Об основных положениях диссертации сообщалось на конференции "Геологическая среда и сейсмический процесс" (Иркутск, 1997); металл оге-ническом совещании с участием иностранных специалистов (Иркутск, 1998); научных чтениях, посвященных памяти А.И. Сезько (Иркутск, 1999); молодежной научной школе "Нефть и газ в современном мире" (Иркутск, 2001). Автор являлся соко-ординатором названной Молодежной школы, проведенной совместно геологическим факультетом Иркутского госуниверситета и Институтом геохимии СО РАН (грант Центра содействия интеграции высшего образования и фундаментальной науки).
Результаты исследований автора и его коллег включались а ежегодные отчеты о научной деятельности СО РАН и удостаивались премий на конкурсах научных работ СО РАН и Института геохимии СО РАН.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 414 страницах, состоит из общей характеристики работы, трех частей, 9 глав и заключения. В работе 95 рисунков и 86 таблиц. Список литературы включает 682 наименования, в том числе 279 иностранных.
Работа выполнена в лаборатории физико-химического моделирования Института геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН.
