Совместный расчет химических и изотопных равновесий в программном комплексе GEOCHEQ_isotope: изотопы железа

Abstract

Программный комплекс GEOCHEQ_Isotope, раннее разработанный для расчета химических и изотопных равновесий углерода и кислорода в гидротермальных и гидрогеохимических системах методом минимизации энергии Гиббса, распространен на одновременный расчет изотопных эффектов углерода, кислорода и железа (основная цель исследования). Как и для углерода и кислорода, при разработке алгоритмов и базы данных для расчета изотопных эффектов железа использовали формализм β-фактора. Согласно разработанному алгоритму энергия Гиббса G*(P,T ) образования редкого изотополога рассчитывалась через энергию Гиббса образования основного изотополога с учетом величины 56Fe/54Fe β-фактора этого вещества и соотношения масс изотопов 54Fe и 56Fe. Использовано приближение идеальности смеси изотопов. Температурная зависимость β-фактора унифицирована в виде полинома третьей степени по обратным четным степеням абсолютной температуры. На основе критического анализа существующих данных по равновесным изотопным факторам, полученным разными методами: упругим и неупругим γ-резонансным рассеянием, экспериментами по изотопному обмену, расчетами “из первых принципов” получен главный результат: впервые разработана внутренне согласованная база данных по β-факторам железа минералов и водных комплексов. Для построения такой базы данных выявлены минералы и водные комплексы, для которых оценки равновесных факторов фракционирования изотопов железа, полученных разными методами, существуют и совпадают в пределах погрешности методов: металлическое железо (α-Fe), гематит, магнетит, сидерит, пирит, водные комплексы FeIII(H2O)6 3+ и FeII(H2O)6 2+. Значения β-факторов железа для этих минералов и водных комплексов, принятые в качестве референтных, составили “становой хребет” построенной базы данных. С учетом того, что равновесные изотопные сдвиги железа между минералами и водными комплексами в рамках одного метода оцениваются значительно точнее, чем соответствующие β-факторы, согласование базы данных осуществлялось путем привязки значений lnβ для минералов и водных комплексов к референтным lnβ. Применение программного комплекса GEOCHEQ_Isotope к закрытой углекислой гидротермальной системе H2O-CO2-Fe2O3-FeO-CaO (T = 200 °С, P = 16 ÷ 350 бар) показало возможность его использования для расчета изменений минерального состава и изотопных эффектов по кислороду, углероду и железу.