Вопрос 50

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УЧЕНИЯ О МЕТАМОРФИЗМЕ ОСНОВНЫЕ

ПОНЯТИЯ МЕТАМОРФИЧЕСКОЙ ПЕТРОЛОГИИ

Уже с самого начала выделения и изучения метаморфических пород исследователи

полагали, что продукты метаморфических реакций наиболее приближены к состоянию

химического равновесия. Это проистекало из тех фактов, что породы определенного

состава в близких условиях давали одинаковые парагенезисы минералов, устойчивые в

данном интервале температур и давлений. Возникает вопрос, почему метаморфизм

приводит к формированию пород, наиболее близких к состоянию физико-химического

равновесия по сравнению с другими геологическими процессами?

Это обусловлено, прежде всего, большой длительностью метаморфизма. Как мы

увидим дальше, этот фактор – геологическое время – играет огромную роль и в

сохранении особенностей состава исходных пород, несмотря на полное преобразование их

минерального состава. Региональный метаморфизм длится несколько миллионов лет.

Преобразование осадка начинается через 1-100 лет. Кристаллизация вулканитов

продолжается до года, а интрузий – тысячи лет. За столь короткое по сравнению с

метаморфизмом время редко успевает сформироваться полностью равновесный

парагенезис минералов, и велика вероятность наличия метастабильных фаз. Поэтому

метаморфический процесс, как наиболее длительный, считается наиболее близким к

равновесному, а метаморфические процессы издавна изучались с позиций равновесной

термодинамики.

Большинство пород, подвергающихся метаморфизму, представляют по составу

весьма сложные многокомпонентные системы. Строго говоря, эти системы являются

открытыми, так как могут обмениваться веществом с внешней средой и не могут

описываться законами равновесной термодинамики. В то же время, эту макросистему

можно разделить на бесконечное число мелких подсистем, в которых метаморфическая

реакция прошла до конца, и сформированный парагенезис равновесен в данных РТ-

условиях. Данный принцип «мозаичного равновесия», выдвинутый Д.С. Коржинским

[1957], или локального равновесия Томпсона [1959] лег в основу возможности

применения равновесной термодинамики к изучению метаморфических и

метасоматических процессов. Это привело к прорыву в развитии физико-химического

моделирования в области геологических систем.

Равновесным состоянием системы называется такое, когда система остается

неизменной при одновременной неизменности окружающей среды. На микроуровне в ней

могут протекать процессы, уравновешивающие друг друга, но внешние независимые

параметры состояния остаются неизменными. При изменении хотя бы одного параметра

система становится неустойчивой и в ней начинаются преобразования.

Базисными понятиями термодинамического анализа (в применении к породным

системам – парагенетического анализа) являются термины система, параметры системы,

фаза, компонент, химическое равновесие, метаморфические реакции, химический

потенциал, константа равновесия.

Система – это совокупность материальных тел, имеющая общую границу раздела

с окружающей средой и характеризующаяся определенными физическими

характеристиками (температурой, давлением, составом, объемом). Системы бывают

открытые, когда они могут обмениваться с окружающей средой веществом или теплом,

закрытые, когда они не могут обмениваться с окружающей средой, или частично

закрытые. Совокупность всех физических и химических характеристик системы

называется состоянием системы. Для метаморфической геологии системой может

являться блок пород, метаморфизованный в одной фации, или отдельный пласт, или

порода. Состояние системы характеризуется рядом термодинамических свойств, которые

взаимосвязаны и изменяются одновременно. Для полного описания системы необходимо

и достаточно знать какое-то наименьшее количество термодинамических свойств,

которые называются параметрами состояния системы.

Параметры – величины, при помощи которых может быть однозначно описано

состояние системы. Это независимые переменные, такие, как температура, давление,

объем, масса, внутренняя энергия и т.д. Среди них различаются экстенсивные и

интенсивные параметры.

Экстенсивные – это параметры, обладающие свойством аддитивности. Например,

объем, масса, энтропия. Так, объем системы равен сумме объемов фаз, а масса системы –

сумме масс фаз.

Интенсивные – это параметры, не зависящие от массы системы или числа частиц в

ней (температура, давление, химический потенциал, плотность, концентрация).

Фаза – это отделенная физическими границами часть системы, находящаяся в

твердом, жидком или газообразном состоянии и обладающая устойчивым составом при

определенных значениях температуры и давления. Применительно к породной системе –

это минералы, флюид, газовая фаза. Все зерна минерала одинакового состава

представляют одну фазу. Минералы переменного состава содержат несколько миналов,

которые не являются отдельными фазами, так как не имеют четких разделов, а

представляют твердый раствор. Например, гранат, представляет фазу, но входящие в его

состав альмандин, пироп, спессартин и гроссуляр отдельными фазами не являются. Так же как в плагиоклазе входящие в него миналы альбита и анортита не представляют

отдельных фаз.

Компоненты – это элементы (оксиды), полностью отражающие состав системы.

Реакции между ними могут дать весь набор составляющих систему фаз (минералов).

Компоненты подразделяются на зависимые и независимые, инертные и подвижные.

Зависимые компоненты системы имеют одинаковые стехиометрические формулы, но

разное физическое или структурное состояние. Например, жидкая, твердая и газообразная

вода, полиморфы силикатов глинозема (кианит, андалузит, силлиманит) или кварца (α- и

β-кварц, кристобалит, а также стишовит и коэсит, устойчивые при ультравысоких

давлениях). Независимые компоненты представляют наименьшее количество тех

элементов, оксидов или стехиометрических единиц, из которых могут быть получены все

фазы системы.

Д.С. Коржинский [1955, 1957] писал, что при изучении природных систем важно

установить, какие из параметров определялись внешними условиями и начальным

состоянием системы, то есть должны рассматриваться как независимые, а какие зависят от

первых. Так, если мы рассматриваем процесс метаморфизма без изменения химического

состава, то ясно, что массы компонентов исходной породы будут независимыми

параметрами или факторами равновесия, поскольку они, наряду с температурой и

давлением определяют продукт метаморфизма. Компоненты, массы которых при данном

процессе являются факторами равновесия, называются инертными. Остальные (например,

находящиеся в растворе или привнесенные в породу с образованием новых фаз) называют

вполне подвижными.

Правило фаз

В равновесной системе, сложенной K компонентами, число взаимно независимых

параметров не может быть меньше, чем K + 2. Если в системе с постоянной массой всех

компонентов температура и давление изменяются, но так, что в каждый момент все

параметры системы определяются температурой и давлением, система сохраняет

равновесие на каждом шаге изменения параметров. Очень важным для парагенетического

анализа метаморфических пород является правило фаз Гиббса. Оно определяет

наибольшее число взаимно независимых интенсивных параметров в равновесной системе,

называемое «числом степеней свободы» или вариантностью системы (n) и записывается

следующей формулой:

n = K + 2 – Ф,

где K – число компонентов, Ф – число фаз. Правило фаз показывает, что чем

больше фаз в системе, тем меньшее число интенсивных параметров системы может

изменяться независимо. Если число фаз равно числу компонентов (Ф = К), только два

интенсивных параметра могут изменяться независимо (температура и давление),

остальные (концентрация, внутренняя энергия) будут зависеть от двух первых. Если число

фаз больше числа компонентов, то система не имеет степеней свободы (инвариантна),

пока не уменьшится число фаз. Такое положение складывается на пересечении линий

нескольких реакций до тех пор, пока какая-либо из них не пройдет до конца и число фаз

не уменьшится. Это наглядно видно на диаграмме состояния простой системы

полиморфов силиката алюминия (рис. 12.1). Линии равновесия кианит - андалузит, кианит

– силлиманит и андалузит - силлиманит являются дивариантными, имеют две степени

свободы, где совместное изменение температуры и давления не изменит устойчивости

двух полиморфов, а вызовет движение вдоль линии равновесия. В тройной точке могут

сосуществовать все три минерала, но она инвариантна, так как любое изменение

температуры или давления приведет к исчезновению одной из фаз. В поле устойчив один

из полиморфов в широком интервале изменения температуры и давления, ограниченном

линиями равновесия.