Fluidum-kőzet kölcsönhatás: megváltozik a kőzet és a fluidum összetétele és új egyensúlyi ásványparagenezis jön létre Székyné Fux V k álimetaszo

Átírás

1 Hidrotermális képződmények genetikai célú vizsgálata Bevezetés a fluidum-kőzet kölcsönhatás, és a hidrotermális ásványképződési környezet termodinamikai modellezésébe Dr Molnár Ferenc ELTE TTK Ásványtani Tanszék

2 Fluidum-kőzet kölcsönhatás: megváltozik a kőzet és a fluidum összetétele és új egyensúlyi ásványparagenezis jön létre Székyné Fux V k álimetaszomatit andezitogén propilit riolit dácit andezit

3 Empirikus geotermométerek a fluidumok összetétele alapján Recens geotermális mezők: káliföldpát-szericit-albit-kalcit átalakulású kőzetekkel egyensúlyban lévő fluidumok összetétele (pl. Na/K aránya) a hőmérséklet függvénye albit-mikroklin albit-szanidin

4 Példa az empirikus Na/K termométer alkalmazására: az egyensúlyi ásványképződés körülményeinek meghatározása a telkibányai hidrotermális rendszerben

5 Hidrolízis: víztartalmú ásványok képződése a fluidum-kőzet rendszerben Kőzetalkotó ásvány + H + Hidrotermális ásvány + Me + Egyensúly esetén: K = [Hidrotermális ásvány] [Me + ] [Kőzetalkotó ásvány] [H + ] log K = log ame + ah + -log ah + ph

6 Hidrotermális hidrolízis fázisdiagramjai

7 Fázisdiagramok számítása termodinamikai adatok alapján: log ame + /ah + hőmérsékletfüggése Egyensúly esetén a reakció standard szabadenergia változása az egyensúlyi állandó függvénye: G o R = -RT lnk = -2.3RT log K = -2.3 RT log Me+ /H + T = Kelvin, R = J/ mol (A standard szabadenergia értéke 0 1 bar nyomáson és K hőmérsékleten. Ettől eltérő hőmérsékleten G = c p dt, ahol cp a fajhő) Példa: határozzuk meg a káliföldpát szericitesedésének hőmérsékletfüggését a ph és a K-ion aktivitásának aránya alapján A reakcióegyenlet: 3 káliföldpát + 2H + = K-csillám + 6 kvarc + 2K +

8 A káliföldpát szericitesedése 3 káliföldpát + 2H+ = K-csillám + 6 kvarc + 2K+ dg o R = ( Go K-csillám + 6 G o kvarc + 2 G o K+) (3 G o káliföldpát + 2 G o H+)

9 Káliföldpát szericitesedése (folytatás) A Go értékeket a táblázatból kiolvasva a következő eredményeket kapjuk (ld. még a mellékelt excel munkafüzetet): Káliföldpát H K-csillám Kvarc K dgor lnk log K log ak + /ah l o g a K / a H Kfp szericitesedése Hőmérséklet C Ha a K-ion aktivitását meghatározzuk (pl. fluidzárványok kémiai elemzése és össz- Koncentrációjának meghatározása alapján) akkor a ph is számítható.

10 Fázisszeparáció (felforrás) geotermális és vulkáni-hidrotermális rendszerekben A homogén fázisösszetételű, adott hőmérsékletű fluidum gőznyomása eléri, vagy meghaladja a hidro/litosztatikus nyomást a feláramlás során, és ezáltal heterogén fázisállapotba kerül. Az eredeti folyadékfázis szétesik egy (a folyadék telített gőzét tartalmazó) kis sűrűségű, és egy (a maradék folyadékot tartalmazó) nagy sűrűségű fázisra. A felforrás során a rendszer össz-hőmennyisége nem változik, de mivel a gőzfázis képződése hőt von el a folyadékfázistól (ld. párolgás!), ezért a maradék folyadékfázis lehűl. A maradék folyadékfázis hőmérséklete az adott nyomásviszonyok között addig csökken, amíg gőznyomása kisebb lesz a rendszerre nehezedő nyomásnál. Eközben egy, a folyadékfázis hűlése által átadott hőmennyiségnek megfelelő mennyiségű gőz/gáz frakció fejlődik. Hőmennyiség egyensúly a gőzfázis frakció képződésének alapegyenlete H fk = y H gv + (1-y) H fv H fk = a folyadékfázis entalpiája a felforrás kezdetekor (T és összetétel függvénye!) H gv = a képződő gőzfázis entalpiája a felforrás végén H fv = a maradék folyadékfázis entalpiája a felforrás végén y a keletkező gőzfázis-frakció mennyisége

11 Példa a felforrás során keletkező gőzfrakció mennyiségének számítására Egy feláramló nagyon híg fluidum 240 C-on forrásba jön. A forrás addig tart, amíg a fluidum hőmérséklete 220 C-ra csökken. A fluidum eredeti mennyiségének hány százaléka alakult át gőzzé? 1034(Hfk) = y 2802(Hgv) + (1-y) 943 (Hfv) y = = 4.2% Végállapot Kezdeti állapot

12 A vízben oldott nem illékony komponensek koncentrációjának változása a felforrás során (híg oldatok) A tömeghatás törvényét alklamazzuk az oldott komponensek mennyiségének változására. Nem illékony (elhanyagolható illékonyságú) komponens: pl. a kloridion Az előzőekben bemutatott felforrási folyamatban a kiindulási hidroterma kloridion-koncentrációja legyen 2 mól/kg. Ha a felforrás során 4.2% gőzfázis képződött, akkor a maradékoldat kloridion-koncentrációja mennyi lesz? Cl fk = Cl gv Cl fv Mivel a gőzfázisba lépő kloridion mennyisége (híg oldatokban, viszonylag alacsony hőmérsékleten) elhanyagolható, ezért Cl fv = Cl fk / Azaz a felforrás végállapotában az oldat kloridion-koncentrációja 2.09 mól/kg

13 Oldott gázok (pl. CO 2 ) mennyiségének változása a felforrás során Ennek jelentősége olyan ásványok esetében van, melyek oldhatóságát a gázok parciális nyomása befolyásolja. A savas disszociációjú gázok felforrás során történő távozása a maradék oldat ph-értékét is befolyásolja. 1. kérdés: a fentiekben bemutatott példában hogyan változik meg az oldott CO2-tartalom, ha a kiindulási állapotban a CO2-mennyisége 500 millimol/kg volt és a fejlődő gőzfázis egyensúlyba kerül a folyadékfázissal? CO 2 fk (500) = y CO 2 gv + (1-y) CO 2 fv / *1/CO 2 fv CO2 fk (500) / CO2 fv = y (CO2 gv / CO2 fv) y Gáz-megoszlási koefficiens: adott gáztartalmú oldattal egyensúlyban lévő gőzfázis gáztartalma és az oldat gáztartalmának aránya B t - C CO2 fk (500) / CO2 fv = B (220 C) CO2 fk (500) / CO2 fv = CO2 fv = millimol/kg

14 Az oldott gázok parciális nyomásának jelentősége a fázisszeparáció mélységében Az előző feladatokban a tiszta víz 240 C-on jött forrásba, ami azt jelenti, hogy a nyomás bar volt. Ez földtani értelemben (P=ρ*g*h) mintegy 220 méteres mélységnek felel meg hidrosztatikus viszonyok között. Milyen mélységben következik be a fázisszeparáció, ha az oldat 500 millimol/kg CO 2 -t is tartalmaz? A felforrás megindulásakor P hidrosztatikus = P H 2 O + P CO 2 az oldott CO 2 parciális nyomása P H 2 O = bar (240 C) P CO 2 = K H x X Henry-törvény (K H Henry-koefficiens, X móltört) T C K H K H CO 2 (240 C)= 5596 X = 0,0089 PCO 2 = 49.8 bar P hidrosztatikus = 83,2 bar cca. 600 m mélység