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

Вид материала

Рабочая программа

Содержание 1. Организационно-методический раздел Основной целью курса 2. Содержание дисциплины К разделу III Перечень типовых контрольных задач К лекциям 11–14 3. Учебно-методическое обеспечение дисциплины 3.2. Список основной и дополнительной литературы

Подобный материал:

• Программа курса Новосибирск 2005 Программа составлена в соответствии с Государственным, 77.33kb.
• Программа курса Новосибирск 2010 Программа составлена в соответствии с Государственным, 144.31kb.
• Рабочая программа для студентов IV курса специальности, 142.73kb.
• Рабочая программа для студентов 5 курса специальностей 280101, 113.45kb.
• Рабочая программа и контрольная работа для студентов IV курса специальности, 168.78kb.
• Рабочая программа для студентов IV курса специальности, 137.13kb.
• Рабочая программа для студентов IV курса специальности, 133.29kb.
• Рабочая программа дисциплины математика для студентов 1-2 курса для подготовки специалиста, 357.09kb.
• Рабочая программа и тематика контрольных работ для студентов 3 курса специальности, 125.56kb.
• Программа учебной дисциплины «Концепции современного естествознания» Программа дисциплины, 106.55kb.

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

6. Основные равновесия в системе S-H₂S-H₂SO₄-MeO-H₂O.
   
7. Основные равновесия в системе С-СO₂-CH₄-MeO-H₂O.
   
8. Парагенезисы минералов железа как буферы условий минерало-, рудо- и породообразования.
   
9. Самородные элементы как индикаторы условий рудообразования. Высокотемпературные системы с газовыми компонентами.
   
10. Силикатные и алюмосиликатные системы. Возможности их термодинамического анализа.
    

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

11. Способы учета влияния температуры на равновесия в минералообразующих системах.
    
12. 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

13. Комплексообразование как фактор минерального равновесия.
    
14. Катион-анионные отношения как фактор минерального равновесия.
    
15. Влияние температуры, давления и полярности молекул газов на свойства высокотемпературных флюидов.
    
16. Способы учета поверхностных свойств минералов в геохимических процессах.
    
17. Отношение вода / порода как фактор минерального равновесия. Понятия о породо- и флюидодоминирующем режиме.
    
18. 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

5. Условия образования сульфидных минералов: построение диаграммы FeS-FeS₂. Отношение СО_2-СН₄ как возможный газообразный индикатор или буфер окислительно-восстановительных условий минералообразования.
   
6. Расчет равновесий между главными минералами железа: Fe/FeO, FeO/Fe₃O₄, Fe₃O₄/ Fe₂O₃, Fe₂SiO₄/Fe₃O₄+ SiO₂.
   

К разделу III

7. Диаграммы в координатах летучестей кислорода, газообразной серы и углекислоты как универсальный способ отражения высокотемпературных минеральных равновесий. Примеры диаграмм в координатах lgf_S2-lgf_O2 для системы Fe-S-O.
   
8. Ступенчатый характер комплексообразования. Комплексы со смешанными лигандами. Универсальный характер функции закомплексованности (на примере растворимости PbS).
   

К разделу IV

9. Обобщающие диаграммы растворимости сульфидов, карбонатов и других оксисолей с учетом комплексообразования и гидролиза.
   
10. Особенности катион-анионных отношений в растворах как фактор минеральных равновесий (решение обратных задач на примере кальцита, флюорита и шеелита).
    
11. 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.
    
12. Особенности моделирования процессов техногенного воздействия на окружающую среду, программа и база данных WATEQ4F.
    
13. Методы расчета состава и свойств многокомпонентных флюидов: Термодинамические базы данных SUPCRT92, UNITHERM и др., постановка задачи, исходные данные, пакеты программ Селектор (Иркутск), HCh (МГУ).
    
14. 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 lgf_O2-lgf_S2 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 lgf_O2 (lgf_Н2)-рН при 25 °С с учетом области устойчивости серосодержащих форм: lg C_S = –1 (моль/кг Н₂О), lg C_Ме = –4 (моль/кг Н₂О).
   
4. К лекции 10: Расчет условий равновесия с участием газовой фазы. Определить направление реакции CaSiO₃ (волластонит) + CO_2(g) = CaCO₃ (кальцит) + SiO₂ (кварц) при 300 °С, давлении 1 000 бар и парциальных давлениях CO_2(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 C_NaCl=1 моль/кг Н₂О, С_S = 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 C_СО2-рН. Граничные условия: logC_СО2= –1 (моль/кг Н₂О), lg C_Ме = –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.