Новосибирский государственный университет геолого-геофизический факультет Кафедра минералогии и петрографии Методы расчета минеральных равновесий




Скачать 146.15 Kb.
НазваниеНовосибирский государственный университет геолого-геофизический факультет Кафедра минералогии и петрографии Методы расчета минеральных равновесий
Дата22.09.2012
Размер146.15 Kb.
ТипПрограмма


ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ


НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ


Геолого-геофизический факультет

Кафедра минералогии и петрографии


Методы расчета минеральных равновесий


Рабочая программа


Новосибирск

2005




Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего специального образования.

Предназначена для студентов 3-го курса геолого-геофизического факультета специализации геохимии.


Составители

д-р геол.-минерал. наук, проф. Г. Р. Колонин,

канд. геол.-минерал. наук О. Л. Гаськова


Программа утверждена на заседании кафедры минералогии и петрографии.


© Новосибирский государственный

университет, 2005

1. Организационно-методический раздел


1.1. Курс лекций «Методы расчета минеральных равновесий» предназначен для ознакомления студентов-геохимиков 3-го курса с имеющимися в современной геохимии подходами и возможностями количественного описания термодинамических условий устойчивости главных породообразующих и рудных минералов. Он относится к специальным дисциплинам (вузовская компонента).

1.2. Основной целью курса является освоение и закрепление на конкретных примерах термодинамических методов расчета минеральных равновесий, реализующихся в основных типах геохимических процессов. В рамках ее достижения могут быть выделены следующие задачи:

  1. детальный обзор факторов минеральных равновесий, действующих в природных процессах;

  2. рассмотрение разработанных на основе современной физической химии рациональных способов количественного описания главных типов природных химических реакций;

  3. демонстрация на конкретных примерах принципиального значения перехода от общего (качественного) уровня представлений об условиях и причинах минеральных превращений (фазовых реакций) к их описанию на количественном (цифровом) уровне;

  4. освоение навыков использования отдельных минералов и минеральных ассоциаций в качестве геобарометров и геотермометров природных процессов, а также индикаторов кислотно-основных, окислительно-восстановительных и других специфических химических условий минералообразования.

1.3. В результате освоения содержания курса студент должен иметь представление о химической сущности процессов минералообразования, протекающих в верхних оболочках земной коры. В частности, он должен знать основные факторы минералообразования (помимо основных Т и Р включающие также рН, летучести О2, S2, концентрации основных элементов-комплексообразователей в растворах) и разработанные в термодинамике способы их количественного анализа при изучении конкретных геохимических объектов. Студент должен уметь: а) составлять системы химических реакций, связывающих между собой основные минералы парагенезиса (твердые фазы системы); б) выделять термодинамические параметры системы и ранжировать их в порядке смысловой значимости; в) формулировать сущность решаемой термодинамической задачи, оценить степень обеспеченности ее исходными термодинамическими константами, возможности ее решения в том или ином термодинамическом приближении; г) проводить расчеты констант равновесия и других характеристик модельных реакций минералообразования; д) интерпретировать полученные результаты для оценки условий и особенностей протекания геохимических процессов.

1.4. Для контроля освоения курса предусмотрен дифференцированный зачет. Оценка определяется как степенью усвоения теоретического материала, так и результатами решения типовых задач расчета минеральных равновесий. Ход и степень усвоения теоретического курса определяется на семинарах и ежемесячных коллоквиумах, навыки расчетов проверяются в ходе выполнения шести типовых задач.


2. Содержание дисциплины


2.1. Новизна курса определяется оптимальным сочетанием развития у студентов навыков логического минералого-геохимического подхода при анализе физико-химических условий образования конкретных парагенезисов (пород и руд) с освоением методов элементарных термодинамических расчетов количественных характеристик реакций минералообразования.

2.2. Тематический план курса (распределение часов)



Разделы

Количество часов

Лекции

Семинары

Самост. работа

Всего

Основные характеристики природных геохимических систем и факторов термодина-мического описания природных процессов

10

8

2

20

Главные физико-химические типы минералообразующих систем


10

4

2

16

Температура и давление как факторы минеральных равно-весий. Учет ионной силы и комплексообразования в раст-ворах

4

4

2

10

Способы расчета раствори-мости минералов и газов как показателей геохимической по-движности вещества

12

20

8

40

Коллоквиумы







6

6

Итого

36

36

20

92


2.3. Содержание курса

I. Основные характеристики природных геохимических систем и факторов термодинамического описания природных процессов

  1. Возможности физико-химического моделирования в геохимии и факторы минералообразования: типы базисов для природных систем.

  2. Кислотность-щелочность как фактор минеральных равновесий (растворы, флюиды, расплавы).

  3. Кислотно-основное взаимодействие и дифференциальная подвижность компонентов при породообразовании.

  4. Окислительно-восстановительные условия как фактор минерального равновесия.

  5. Парциальные давления летучих компонентов как фактор минерального равновесия.


II. Главные физико-химические типы минералообразующих систем

  1. Основные равновесия в системе S-H2S-H2SO4-MeO-H2O.

  2. Основные равновесия в системе С-СO2-CH4-MeO-H2O.

  3. Парагенезисы минералов железа как буферы условий минерало-, рудо- и породообразования.

  4. Самородные элементы как индикаторы условий рудообразования. Высокотемпературные системы с газовыми компонентами.

  5. Силикатные и алюмосиликатные системы. Возможности их термодинамического анализа.


III. Температура и давление как факторы минеральных равновесий. Учет ионной силы и комплексообразования в растворах

  1. Способы учета влияния температуры на равновесия в минералообразующих системах.

  2. Способы учета влияния давления на константы равновесия в минералообразующих системах. Учет ионной силы растворов.


IV. Способы расчета растворимости минералов и газов как показателей геохимической подвижности вещества

  1. Комплексообразование как фактор минерального равновесия.

  2. Катион-анионные отношения как фактор минерального равновесия.

  3. Влияние температуры, давления и полярности молекул газов на свойства высокотемпературных флюидов.

  4. Способы учета поверхностных свойств минералов в геохимических процессах.

  5. Отношение вода / порода как фактор минерального равновесия. Понятия о породо- и флюидодоминирующем режиме.

  6. Способы учета степени прохождения реакций минералообразования в реальных природных процессах.

Коллоквиумы по I, II и IV разделам курса – 6 часов.

К разделу I

План семинаров

  1. Способы записи природных химических реакций в разных базисах. Константа равновесия и закон действующих масс для некоторых минералообразующих реакций. Уравнение изотермы реакции.

  2. Способы расчета условий преобладания конкретных продуктов диссоциации кислот и оснований (на примере H2CO3, Ca(OH)2).

  3. Примеры расчетов конкретных равновесий взаимодействия минералов с кислыми и щелочными растворами (на примере FeTiO3).

  4. Область электрохимической устойчивости воды. Летучесть кислорода – универсальный способ описания окислительных условий в водных растворах и оксидных системах.


К разделу II

  1. Условия образования сульфидных минералов: построение диаграммы FeS-FeS2. Отношение СО2-СН4 как возможный газообразный индикатор или буфер окислительно-восстановительных условий минералообразования.

  2. Расчет равновесий между главными минералами железа: Fe/FeO, FeO/Fe3O4, Fe3O4/ Fe2O3, Fe2SiO4/Fe3O4+ SiO2.


К разделу III

  1. Диаграммы в координатах летучестей кислорода, газообразной серы и углекислоты как универсальный способ отражения высокотемпературных минеральных равновесий. Примеры диаграмм в координатах lgfS2-lgfO2 для системы Fe-S-O.

  2. Ступенчатый характер комплексообразования. Комплексы со смешанными лигандами. Универсальный характер функции закомплексованности (на примере растворимости PbS).


К разделу IV

  1. Обобщающие диаграммы растворимости сульфидов, карбонатов и других оксисолей с учетом комплексообразования и гидролиза.

  2. Особенности катион-анионных отношений в растворах как фактор минеральных равновесий (решение обратных задач на примере кальцита, флюорита и шеелита).

  3. Способы оценки динамики и степени неравновесности природных процессов. Степени прохождения реакции, -реактор – перспективный метод учета динамики геохимических процессов. Метод последовательных реакторов как отражение принципа локального равновесия.

  4. Особенности моделирования процессов техногенного воздействия на окружающую среду, программа и база данных WATEQ4F.

  5. Методы расчета состава и свойств многокомпонентных флюидов: Термодинамические базы данных SUPCRT92, UNITHERM и др., постановка задачи, исходные данные, пакеты программ Селектор (Иркутск), HCh (МГУ).

  6. Эмпирические и теоретические модели при описании явлений адсорбции ионов на минеральной поверхности. Пример расчета степени адсорбции катиона Cu2+ на гематите Fe2O3 и гиббсите Al(OH)3(s).


Перечень типовых контрольных задач


  1. К лекции 2: Рассчитать и построить функцию распределения () компонентов раствора как функцию  = f(pH) для t = 25°C.

  2. К лекции 7: Рассчитать моновариантные зависимости для равновесий сульфид-оксид в координатах lgfO2-lgfS2 при 25, 200 и 300 °C для разных пар минералов (Fe2O3/FeS2, Fe3O4/FeS, CuO/CuS, Bi2O3/Bi2S3 и др.).

  3. К лекции 8: Рассчитать условия равновесия и растворения для пары сульфид / оксид в координатах lgfO2 (lgfН2)-рН при 25 °С с учетом области устойчивости серосодержащих форм: lg CS = –1 (моль/кг Н2О), lg CМе = –4 (моль/кг Н2О).

  4. К лекции 10: Расчет условий равновесия с участием газовой фазы. Определить направление реакции CaSiO3 (волластонит) + CO2(g) = CaCO3 (кальцит) + SiO2 (кварц) при 300 °С, давлении 1 000 бар и парциальных давлениях CO2(g), равных 1 и 10 бар.

  5. К лекции 11: Рассчитать для 25 °C валовую растворимость сульфидов (ZnS, CoS, Bi2S3 и т.д.) с учетом комплексообразования в координатах lg [Me]-pH. Состав раствора задан как CNaCl=1 моль/кг Н2О, СS = 10-3 моль/кг Н2О, рН = 0–14.

  6. К лекции 14: Рассчитать условия равновесия и растворения для пары карбонат / оксид (система Cu-CO2-H2O) при 25 °С в координатах lg CСО2-рН. Граничные условия: logCСО2= –1 (моль/кг Н2О), lg CМе = –6 (моль/кг Н2О).

  7. К лекциям 11–14: Задача с использованием программы WATEQ4F [Ball, Nordstrom, 1991], предназначенной для расчета равновесного распределения компонентов в природных водах и индексов насыщения растворов по отношению к минеральным фазам (25 °C). Модель природного раствора задается на основе химических анализов его валового компонентного состава.

  8. К лекции 13: Задача с использованием программного комплекса HCh [Шваров, 1976–1999]. Определить, при каких значениях рН протекают реакции серецитизации калиевого полевого шпата и каолинитизации мусковита при 100 и 200 °С и концентрации иона К+ = 10-3 и 10-1 моль/л. Все термодинамические данные заимствовать из базы данных UNITHERM.


3. Учебно-методическое обеспечение дисциплины


3. 1. Контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы

  1. Основные факторы (параметры) минералообразования для природной системы, представляющей для вас особый интерес.

  2. Формы записи конкретных минеральных равновесий (реакций) в этой системе, выбранные для их дальнейшего термодинамического анализа.

  3. Обсуждение выбранных реакций минералообразования, особенно зависящих от влияния: а) температуры; б) давления; в) кислотности-щелочности среды; г) окислительных условий; д) определенных химических параметров (летучестей или концентраций компонентов).

  4. Примеры рядов дифференциальной подвижности компонентов и кислотно-основной зональности (взаимодействия) в породах.

  5. Ряды минеральных ассоциаций, определяющих изменение окислительно-восстановительных условий (примеры).

  6. Важнейшие индикаторные отношения в природных газовых фазах и растворах, отражающих химическую обстановку минералообразования (примеры).

  7. Важнейшие природные комплексообразователи, обеспечивающие подвижность рудных и петрогенных компонентов в природных процессах (примеры).

  8. Типы реакций и констант комплексообразования, открывающих возможности расчета корректной растворимости минералов.

  9. Индикаторные катионные и анионные отношения в процессах минералообразования (примеры).

  10. Возможности термодинамического описания и графического отображения важнейших минеральных равновесий в алюмосиликатных системах (примеры).

  11. Влияние температуры и давления на растворимость газов в природных системах (примеры, способы описания).

  12. Причины осложнения достижения равновесия минералообразующих систем в реальных условиях (заторможенные реакции; особенности породо- и флюидо-доминирующего режима, степени прохождения реакции и др.)


3.2. Список основной и дополнительной литературы

Обязательный



Борисов М. В., Шваров Ю. В. Термодинамика геохимических процессов. М.: Изд-во МГУ, 1992.

Булах А. Г., Булах К. Г. Физико-химические свойства минералов и компонентов гидротермальных растворов. Л.: Недра, 1978.

Булах А. Г., Кривовичев В. Г. Расчет минеральных равновесий. Л.: Недра, 1985.

Гаррелс Р., Крайст Ч. Растворы, минералы, равновесия. М.: Мир, 1968.

Геолого-генетические и физико-химические основы модели грейзеновой рудной формации / Под ред. Г. Р. Колонина. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1992.

Геохимия гидротермальных рудных месторождений / Под ред. Х. Барнса. М.: Мир, 1970.

Жариков В. А. Основы физико-химической петрологии. М.: Изд-во МГУ, 1976.

Колонин Г. Р., Птицын А. Б. Термодинамический анализ условий гидротермального рудообразования. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1974.

Наумов Г. Б. и др. Справочник термодинамических величин (для геологов). / Г. Б. Наумов, Б. Н. Рыженко, И. Л. Ходаковский. М.: Атомиздат, 1971.

Экспериментальная и техническая петрология / Е. Н. Граменицкий, А. Р. Котельников, А. М. Батанова, Т. И. Щекина, П. Ю. Плечов. М.: Научн. мир, 2000.

Дополнительный



Борисов М. В. Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования. М.: Науч. мир, 2000.

Гричук Д. В. Термодинамические модели субмаринных гидротермальных систем. М.: Науч. мир, 2000.

Дорогокупец П. И., Карпов И. К. Термодинамика минералов и минеральных равновесий. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1984.

Зарайский Г. П. Зональность и условия образования метасоматических пород. М.: Наука. 1989.

Методы геохимического моделирования и прогнозирования в гидрогеологии / Под ред. С. Р. Крайнова. М.: Недра, 1988.

Карпов И. К. и др. Моделирование природного минералообразования на ЭВМ / И. К. Карпов, А. И. Киселев, Ф. А. Летников. М.: Недра, 1976.

Наумов Г. Б. Основы физико-химической модели уранового рудообразования. М.: Атомиздат, 1978.

Омельяненко Б. И. Околорудные гидротермальные изменения пород. М.: Недра, 1978.

Рафальский Р. П. Гидротермальные равновесия и процессы минералообразования. М.: Атомиздат, 1973.

Рыженко Б. Н. Термодинамика равновесий в гидротермальных растворах. М.: Наука, 1981.

Термодинамическое моделирование в геологии. Минералы, флюиды, расплавы / Под ред. И. Кармайкла и Х. Ойгстера. М.: Мир, 1992.

Фонарев В. И. Минеральные равновесия железистых формаций докембрия. М.: Наука. 1987.

Ball J. W., Nordstrom D. K. User’s Manual for WATEQ4F, With Revised Thermodynamic Data Base and Test Cases for Calculating Speciation of Major, Trace and Redox Elements in Natural Waters // U. S. Geological Survey Open-File Report, № 91-183.

Robie R. A., Waldbaum D. R. Thermodynamic properties of minerals and related substances at 298, 15 °K and one atmosphere (1,013 bars) pressure and at higher temperatures // U. S. Geological Survey Bull. 1968.



Похожие:

Новосибирский государственный университет геолого-геофизический факультет Кафедра минералогии и петрографии Методы расчета минеральных равновесий iconНовосибирский государственный университет геолого-геофизический факультет Кафедра минералогии и петрографии Онтогения минералов
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего специального образования
Новосибирский государственный университет геолого-геофизический факультет Кафедра минералогии и петрографии Методы расчета минеральных равновесий iconНовосибирский государственный университет геолого-геофизический факультет Кафедра минералогии и петрографии Петрография осадочных пород
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего специального образования
Новосибирский государственный университет геолого-геофизический факультет Кафедра минералогии и петрографии Методы расчета минеральных равновесий iconНовосибирский государственный университет геолого-геофизический факультет Кафедра минералогии и петрографии Теория кристаллизации
Программа предназначена для студентов 4 курса геолого-геофизического факультета профилизация геохимия, специализация "экспериментальная...
Новосибирский государственный университет геолого-геофизический факультет Кафедра минералогии и петрографии Методы расчета минеральных равновесий iconНовосибирский государственный университет геолого-геофизический факультет Кафедра месторождений полезных ископаемых Минераграфия
Обобщаются приемы получения сведений, необходимых для разработки технологии разделения тонких минеральных срастаний и выбора эффективных...
Новосибирский государственный университет геолого-геофизический факультет Кафедра минералогии и петрографии Методы расчета минеральных равновесий iconНовосибирский государственный университет геолого-геофизический факультет Кафедра общей и региональной геологии
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего специального образования по специальности...
Новосибирский государственный университет геолого-геофизический факультет Кафедра минералогии и петрографии Методы расчета минеральных равновесий iconНовосибирский государственный университет геолого-геофизический факультет Кафедра общей и региональной геологии
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего специального образования по специальности...
Новосибирский государственный университет геолого-геофизический факультет Кафедра минералогии и петрографии Методы расчета минеральных равновесий iconНовосибирский государственный университет геолого-геофизический факультет Кафедра общей и региональной геологии
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего специального образования по специальности...
Новосибирский государственный университет геолого-геофизический факультет Кафедра минералогии и петрографии Методы расчета минеральных равновесий iconПрограмма для поступающих в аспирантуру на Геолого-геофизический факультет
Геолого-геофизический факультет Новосибирского госуниверситета принимает в аспирантуру по следующим специальностям
Новосибирский государственный университет геолого-геофизический факультет Кафедра минералогии и петрографии Методы расчета минеральных равновесий iconМинерагенические исследования на основе геолого-картографического моделирования (на примере пермского края)
Работа выполнена на кафедре минералогии и петрографии в гоу впо «Пермский государственный университет»
Новосибирский государственный университет геолого-геофизический факультет Кафедра минералогии и петрографии Методы расчета минеральных равновесий iconГеофизический факультет кафедра информатики и гис
Министерство образования и науки РФ российский государственный геологоразведочный университет имени серго орджоникидзе
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница