big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Роль воды в процессах образования поверхности Мохоровичича

Разделяя вторую точку зрения, можно прийти к заключению, что наиболее подходящим агентом, способным вызывать процессы «переработки» пород в земных недрах, является вода.

Именно вода претерпевает фазовые превращения при температуре, господствующей у поверхности Мохоровичича. Такой температурой является критическая температура воды и ее растворов. В. И. Вернадский, рассматривая поведение воды в земной коре, писал: «Необходимо учитывать... критическую температуру воды, выше которой может существовать только ее газовая фаза. Эта температура — благодаря высокому давлению и рассольному характеру этих вод, много выше 364° — критической температуры чистой воды. Она, по И. Фогту, может превышать 425°». Отличительной особенностью температуры критического состояния вещества является то, что при этой и более высокой температуре вещество может находиться только в виде пара. Этим объясняется, что такие газы, как кислород, азот и особенно водород, долгое время считались несжижаемыми, так как попытки сжатия этих газов при температурах выше критических не приводили к их сжижению.

Особенности поведения веществ у «своих» изотермических поверхностей в недрах Земли состоят в том, что, находясь ниже этих поверхностей, они, подчиняясь газовым законам, расширяются во все стороны с одинаковой силой, и при наличии трещин, разломов или сообщающихся пор они перемещаются главным образом кверху — в сторону наименьшего сопротивления (именно вследствие этого на протяжении сотен миллионов и миллиардов лет из недр земных к ее поверхности: в литосферу, в океан и атмосферу — поступают наиболее легкие компоненты, которые и накапливаются в этих геосферах). Поднимаясь в виде надкритических газов, такие вещества, в конце концов, приходят к изотермам своих критических температур и проникают несколько выше них, но так как там господствуют нижекритические температуры, а давления могут быть и выше критических, то вещества снижаются. Вследствие этого они, будучи в виде жидкости, при наличии разломов, трещин, пор и других пустот и находясь вместе с другими жидкостями, парами и газами, станут опускаться книзу, где вновь перейдут в надкритическое состояние.

По этой причине вода, как и другие вещества в восходящих (в виде газов) и нисходящих (в виде жидкостей) перемещениях, стремится к изотерме критического состояния, где накапливается и взаимодействует с вмещающими породами.

Взаимодействие воды с минералами пород хорошо известно для верхних слоев земной коры по процессам выветривания. Однако взаимодействие воды и растворенных в ней продуктов распада органического вещества с породами всей земной коры (до поверхности Мохоровичича) почти не затронуто научным исследованием и до сих пор не учитывается в должной мере.

Наиболее существенное значение в формировании состава и особенностей строения земной коры имеют процессы, идущие в слоях, которые находятся выше поверхности Мохоровичича. По развиваемому в данной работе представлению, в этих слоях земной коры господствуют критические температуры воды и ее растворов. Для воды критическая температура равна 374,14° С, критическое давление 218,5 атм, а плотность в этих условиях равна 306 г/л. Полная и внутренняя скрытые теплоты испарения при критической температуре равны нулю, поэтому переходы жидкой воды в пар и пара в жидкую воду происходят без поглощения или выделения тепла. При критической температуре поверхностное натяжение воды, как установил еще Д. И. Менделеев, также равно нулю.

Более сложным является положение, когда в системе жидкость — пар участвует не только вода, но и ее растворы. Критические температуры растворов зависят от концентрации и природы растворенных веществ. Например, 4,7% NaCl повышают критическую температуру раствора до 410,5° С. Критическая температура раствора NaOH (0,22 моля/л) равна 442° С. Это приводит к тому, что в действительности в недрах земной коры фазовые переходы растворов протекают не на поверхности изотермы критического состояния воды, а в толще слоев пород, в которых проходят изотермические поверхности с температурами критических состояний растворов с различными концентрациями, т. е. в слоях, где господствуют температуры от 374 до 425-450° С.

При обсуждении вопроса о связи поверхности раздела Мохоровичича с изотермической поверхностью температур критического состояния воды прежде всего возникает вопрос о том, чем характерны те слои, где проходят эти изотермические поверхности.

Как известно, особенностью этого состояния является то, что надкритический пар с увеличением давления не может быть превращен в жидкость. Поэтому вода, находясь ниже поверхности изотерм критического состояния, существует там только в виде надкритического пара (газа). Подчиняясь газовым законам, пар расширяется во все стороны, главным образом вверх — в сторону наименьшего сопротивления, однако, поднимаясь в слои, где господствуют температуры ниже 374° С, пар конденсируется в жидкую воду, которая при наличии трещин, разломов и других пустот под влиянием земного тяготения снова стекает вниз, в слои с температурами, превышающими критическую, где она обязательно вновь переходит в надкритический пар и снова поднимается вверх. Поэтому (рис. 1) происходит постоянная вертикальная циркуляция водных растворов и пара в слоях пород, где проходят изотермы температур от 374 до 425—450° С. Так как многие минеральные вещества значительно лучше растворяются в жидких водных растворах, чем в паровых, то переход растворов в надкритическое состояние сопровождается выпадением твердой фазы.

Вертикальная циркуляции воды, с вымыванием растворимой части вещества из вышележащих пород и с внесением ее в породы нижележащих слоев, достаточна для возникновения скачкообразного изменения состава и плотности пород. Вверху плотность их должна уменьшаться, а пористость увеличиваться как за счет образования трещин и пор, так и потому, что к наиболее растворимым компонентам пород относятся соединения магния, железа и кальция, которые входят в состав наиболее плотных пород. Внесение этих солей в слои нижележащих пород неизбежно приводит к увеличению плотности и уменьшению пористости пород как за счет цементации, так и за счет

Схема циркуляции водных растворов и паров между изотермическими поверхностями температур их критического состояния

образования минералов, богатых магнием, железом и кальцием, удельный вес которых высок. Следовательно, возникает резкий перепад плотности и прочности пород на определенном горизонте в недрах земной коры, а это и является характерной особенностью поверхности Мохоровичнча.

Следует напомнить некоторые особенности растворимости компонентов, входящих в состав земной коры и мантии, в жидкой горячей воде и в надкритическом паре. То, что растворимость различных солей в жидкой воде, за редкими исключениями, увеличивается с ростом температуры, является твердо установленной закономерностью. Закономерностью является и то, что переход воды в пар сопровождается резким уменьшением растворимости солей. Вместе с тем нередко встречаются высказывания, что при нагреве воды до критического состояния свойства воды и пара сближаются и становятся одинаковыми и поэтому переход к надкритическое состояние, якобы, не должен сопровождаться выпадением растворенных в воде минеральных веществ. Однако экспериментальные исследования растворимости малолетучих неорганических соединений в воде и водяном паре высоких параметров не подтверждают эти высказывания. Так, растворимость CaSO4 и Na2SO4 в воде при температурах, близких к критической, и при критической (рис. 2) несоизмеримо велика по сравнению с растворимостью их как в насыщенном,

Диаграмма фазового равновесия систем

 и в перегретом и надкритическом паре. Рисунок 3 также показывает, что и хорошо и плохо растворимые в воде соли почти не растворимы в паре.

М. А. Стырикович и И. X. Хайбулин, изучая закономерности растворимости многих веществ в паре, пришли к заключению о том, что «...нет качественных различий в закономерностях растворимости веществ в области насыщенного, перегретого и закритического водяного пара; последняя целиком определяется свойствами растворителя плотностью и температурой пара».

Опыты этих авторов по определению растворимости бинарных смесей NaCl + NaOH; NaCl + Na2SO4 показали, что наличие второй соли заметно не сказывается на растворимости солей в паре.

Растворимость солей в водяном паре при давлении 300 атм

Иначе обстоит дело при растворении веществ, трудно растворимых в воде.

А. Ф. Борина экспериментально показала, что «Практически нерастворимые в чистой воде при высоких температурах вольфрамат и молибдат кальция хорошо растворяются в концентрированных растворах хлоридов щелочных металлов». Это же установлено для растворимости СаСО3, CeF2, PbSO4.

Н. И. Хитаров считает, что «Вода и солевые водяные растворы, особенно в присутствии СО2, сильно растворяют граниты».

М, И. Равич и Ф. Е. Боровая, изучая растворимость сернокислого лития в воде при избытке твердой фазы, обнаружили существование второй критической точки, которой соответствуют параметры: —390° С, ~850 кГ/см2 и содержание ~30 вес. % Li2SO4 в жидкости. При достижении этой точки происходит быстрое повышение концентрации Li2SO4 в жидком растворе, доходящее при 422° С до ~60 вес. %. а в паровом растворе при этой же температуре и особенно при 448° С происходит резкое снижение содержания сернокислого лития.

Растворимость веществ в воде, как известно, определяется главным образом ее аномально высокой диэлектрической постоянной. Это приводит к диссоциации молекул солей на ионы, что увеличивает растворимость солей в воде. Иная природа растворимости солей в водяном паре, поскольку свойствами, определяющими концентрации солей в паровой фазе, является их летучесть. Растворение поваренной соли в водяном паре при высоких температурах рассмотрено в статьях Н. М. Борисова, И. X. Хайбулина. В результате теоретического и экспериментального исследований фазового равновесия системы NaCl — Н2О они установили, что летучесть воды вводных растворах тугоплавких веществ в условиях фазового равновесия даже при высоких температурах и давлениях, включая критические параметры системы, равна летучести чистого перегретого водяного пара при давлении и температуре раствора, а «Летучесть хлористого натрия в растворах всех концентраций и при любых температурах (в том числе и в критических точках растворов) оказывается на десять и более порядков ниже летучести воды в растворах». Кроме того, летучесть веществ с паром, как правило, не растет в присутствии других летучих веществ; каждое из них участвует в газовой фазе в соответствии со своей упругостью пара. Жидкие же растворы увеличивают свою растворяющую способность по мере увеличения концентрации и усложнения солевого состава.

Поэтому нет никаких оснований считать, как это иногда допускают, что паровые и жидкие водные растворы при высоких температурах и давлениях могут иметь одинаковую растворяющую способность и образовывать неотличимые растворы. Этого не может быть, если только те и другие растворы находятся в равновесии в одних и тех же условиях.

Повышенная же растворимость поваренной соли в водяном паре при температурах и давлениях в условиях дренажной оболочки хорошо объясняет вынос ее из вещества материковой толщи в океан. Конечно, в число факторов, которыми определяется солевой состав воры океанов, входит не только летучесть соединений, но и множество других и прежде всего наличие соединений и их физико-химические свойства. В частности, хлористый калий попадает в воду океанов в незначительных по сравнению с хлористым натрием количествах, видимо, потому, что калий задерживается и накапливается в коре Материков, входя в состав наименее растворимых калиевых полевых шпатов и вытесняя из них натрий и кальций.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.