Геохимия, 2021, T. 66, № 11, стр. 1050-1066

Совместный расчет химических и изотопных равновесий в программном комплексе GEOCHEQ_Isotope: изотопы кислорода

В. Б. Поляков ab, М. В. Мироненко a, М. В. Аленина a

a Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, ГСП-1
119991 Москва, ул. Косыгина, 19, Россия

b Институт экспериментальной минералогии им. академика Д.С. Коржинского РАН
142432 Московская область, Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 4, Россия

Поступила в редакцию 29.05.2021
После доработки 04.06.2021
Принята к публикации 05.06.2021

Аннотация

Программный комплекс GEOCHEQ_Isotope, раннее разработанный для моделирования химических и изотопных равновесий углерода в гидротермальных и гидрогеохимических системах методом минимизации энергии Гиббса, распространен на одновременный расчет изотопных эффектов углерода и кислорода. Как и в случае углерода при разработке алгоритмов и базы данных для расчета изотопных эффектов кислорода 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 β18O-фактора этого вещества и соотношения масс редкого (18O) и основного изотопов (16O) химического элемента. Используется приближение идеальности смеси изотопов. Температурная зависимость β-фактора унифицирована в виде полинома по обратным степеням абсолютной температуры. Критически проанализирована необходимая информация по кислородным изотопным равновесиям, включающим важные геохимические соединения, проведены согласование и модификация имеющихся данных. С учетом этого оптимизированы температурные зависимости β18O-факторов. База термодинамических данных пополнена информацией по температурным зависимостям β18O-факторов, заключающейся в введении полиномиальных коэффициентов для каждого из веществ. Практическая реализация программного комплекса и соответствующей базы данных продемонстрирована на примере использования программного комплекса GEOCHEQ_Isotope для моделирования зависимости факторов фракционирования изотопов кислорода и углерода от показателя кислотности раствора (pH) в карбонатной гидротермальной системе. Получено хорошее согласие результатов моделирования с имеющимися литературными экспериментальными данными. При повышении pH системы происходит уменьшение обогащения растворенных карбонатов тяжелым изотопом кислорода 18O относительно воды. В то же время повышение pH приводит к уменьшению отрицательного углеродного изотопного сдвига между кальцитом и растворенными карбонатами. При высоких значениях pH (~11) наблюдается инверсия изотопного сдвига и растворенный карбонат обогащен тяжелым изотопом углерода относительно кальцита.

Ключевые слова: химические и изотопные равновесия, минимизация свободной энергии, β-факторы, фракционирование изотопов кислорода, фракционирование изотопов углерода

Список литературы

  1. Банникова Л.Н., Гричук Д.В., Рыженко Б.Н. (1987) Расчеты химических и изотопных равновесий в системе C–H–O и их использование при изучении окислительно-восстановительных реакций в гидротермальных условиях. Геохимия (3), 416-428.

  2. Варшавский Я.М., Вайсберг С.Э. (1957) Термодинамические и кинетические особенности реакций изотопного обмена. Успехи химии 26,1434-1468.

  3. Галимов Э.М. (1973) Изотопы углерода в нефтегазовой геологии. М.: Недра. 372 с.

  4. Галимов Э.М. (1974) Приближенный способ нахождения термодинамических изотопных факторов соединений углерода. Журнал физической химии. 48, 290-296.

  5. Галимов Э.М. (1981) Природа биологического фракционирования изотопов. М.: Наука. 248 с.

  6. Галимов Э.М. (1982) Принцип аддитивности в изотопной термодинамике. Геохимия (6) 767-779.

  7. Галимов Э.М. (2006) Органическая геохимия изотопов. Becтник PAH 76, 978-988.

  8. Гричук Д.В. (1987) Оценка свободных энергий Гиббса изотопных форм соединений. Геохимия (2), 178-191.

  9. Гричук Д.В. (1988) Изотопно-химическая термодинамическая модель гидротермальной системы. ДАН СССР 298 (5), 1222-1225.

  10. Гричук Д.В. (2000) Термодинамические модели субмаринных гидротермальных систем. М.: Научный мир. 304 с.

  11. Гричук Д.В., Леин А.Ю. (1991) Эволюция океанской гидротермальной системы и изотопный состав серы сульфидов. ДАН СССР, 318(2), 422-425.

  12. Крылов Д.П., (2019) Кислородные и кремниевые β-факторы циркона, определенные из первых принципов. Петрология. 27, 420-430.

  13. Крылов Д.П., Глебовицкий В.А. (2017) Факторы фракционирования 18O/16O гранатов на основе расчетов изотопных сдвигов частот колебаний. ДАН 475(3), 306-309.

  14. Крылов Д.П., Глебовицкий В.А., Акимова Е.Ю. (2017) Факторы фракционирования 18O/16O корунда на основе расчетов изотопных сдвигов частот колебаний. Геохимия (6), 571-576.

  15. Крылов Д.П., Кузнецов А.Б. (2019) Изотопное фракционирование в полиморфах TiO2 (рутил, анатаз, брукит), определенное из “первых принципов”. ДАН 489(1), 62-64.

  16. Крылов Д.П., Кузнецов А.Б., Гаврилова А.А. (2020) Изотопное фракционирование и влияния давления на 18O/16O в полиморфных модификациях кианит-силлиманит-андалузит (Al2SiO5): моделирование из “первых принципов”. ДАН. Науки о Земле 491(2), 56-59.

  17. Мироненко М.В., Акинфиев Н.Н., Мелихова Т.Ю. (2000) GEOCHEQ – комплекс для термодинамического моделирования геохимических процессов. Вестник ОГГГГН РАН. 5(15). (URL: http: //www.scgis.ru/russian/ cp1251/h_dggms/5_000/term10).

  18. Мироненко М.В., Сидкина Е.С., Поляков В.Б., (2021) Равновесно-кинетический расчет серпентинизации оливина. Сопоставление с модельным экспериментом. Геохимия 66(1), 37-44.

  19. Mironenko M.V., Sidkina E.S. and Polyakov V.B. (2021) Equilibrium-Kinetic Calculation of Olivine Serpentinization. A Comparison with the Model Experiment. Geochem. Int. 59(1), 32-39.

  20. Поляков В.Б. (1987) Изотопный фактор соединений, содержащих несколько атомов одного элемента. Геохимия. (7), 104-044.

  21. Поляков В.Б. (1993) Об идеальности смесей изотопов в твердых телах. Журнал физической химии 67,47-73.

  22. Поляков В.Б. (2008) Равновесные факторы фракционирование изотопов кальцита. Экспериментальные исследования эндогенных процессов.: Памяти академика В.А. Жарикова. (Под ред. Рябчикова И.Д., Шаповалова Ю.Б., Осадчего Е.Г.) Черноголовка, Редакционно–издательский отдел ИПХФ РАН, 20-16.

  23. Поляков В.Б., Кусков О.Л. (1994). Самосогласованная модель для расчета термических и калорических свойств минералов. Геохимия (7), 1096-1122.

  24. Поляков В.Б., Минеев С.Д., Гуревич В.М., Храмов Д.А., Гавричев К.С., Горбунов В.Е., Голушина Л.Н. (2001). Использование мессбауэровской спектроскопии и калориметрии для определения равновесных изотопных констант. Гематит. Журнал физической химии 75, 1017-1021.

  25. Устинов В.И., Гриненко В.А., Знаменский В.С. (1988) Генетическое значение интраструктурного распределения изотопов кислорода в алунитах Курильских островов. ДАН СССР, 302(2), 410-412.

  26. Agrinier P. (1991) The natural calibration of 18O/16O geothermometers: Application to the quartz-rutile pair. Chem. Geol. 91, 49-64.

  27. Beck W.C., Grossman E.L., Morse J.W. (2005) Experimental studies of oxygen isotope fractionation in the carbonic acid system at 15, 25 and 40°C. Geochim. Cosmochim. Acta 69, 3493-3503.

  28. Bigeleisen J, Mayer MG (1947) Calculation of equilibrium constants for isotopic exchange reactions. J. Phys. Chem. 13, 261-267.

  29. Blanchard M., Dauphas N., Hu M., Roskosz M., Alp E., Golden D., Sio C., Tissot F., Zhao J., Gao L. (2015) Reduced partition function ratios of iron and oxygen in goethite. Geochim Cosmochim Acta 151, 19-33.

  30. Blanchard M., Poitrasson F., Méheut M., Lazzeri M., Mauri F., Balan E. (2009) Iron isotope fractionation between pyrite (FeS2), hematite (Fe2O3) and siderite (FeCO3): A first-principles density functional theory study. Geochim. Cosmochim. Acta 73, 6565-6578.

  31. Blattner P., Braithwaite W.R., Glover R.B. (1983) New evidence on magnetite oxygen isotope geothermometers at 175°C and 112°C in Wairakei steam pipelines (New Zealand). Isotope Geosci. 1, 195-204.

  32. Brenninkmeijer C.A.M, Kraft P., Mook W.G. (1983) Oxygen isotope fractionation between CO2 and H2O. Isotope Geosci. 1, 181-190.

  33. Bron, J., Chang, C.F., Wolfsberg, M., (1973). Isotopic partition function ratios involving H2, H2O, H2S, HSe and NH3.28a, 129-136.

  34. Chacko T., Cole D.R., Horita J. (2001) Equilibrium oxygen, hydrogen and carbon isotope fractionation factors applicable to geologic systems. Rev. Mineral. Geochem. 43, 1-81.

  35. Chacko T., Deines P. (2008) Theoretical calculation of oxygen isotope fractionation factors in carbonate systems. Geochim. Cosmochim. Acta 72, 3642-3660.

  36. Chacko T., Mayeda T. K., Clayton R. N., Goldsmith J. R. (1991) Oxygen and carbon isotope fractionations between CO2 and calcite. Geochim. Cosmochim. Acta 55, 2867-2882.

  37. Clayton R.N., Jones B.F., Berner R. A. (1968) Isotope studies of dolomite formation under sedimentary conditions. Geochim. Cosmochim. Acta 32, 41-32.

  38. Clayton R.N., Kieffer S.W. (1991) Oxygen isotopic thermometer calibrations. In: Stable Isotope Geochemistry: A Tribute to Samuel Epstein. (eds. Taylor, H.P., Jr., O’Neil J.R. Kaplan I.R.) The Geochemical Society Division of Sciences, Mathematics and Engineering Trinity University, San Antonio, Texas, Lancaster Press. 3-10.

  39. Coplen T.B. (2007) Calibration of the calcite-water oxygen isotope geothermometer at Devils Hole, Nevada, a natural laboratory. Geochim. Cosmochim. Acta 71, 3948-3957.

  40. de Capitani C., Brown T.H. (1987) The computation of chemical equilibrium in complex systems containing nonideal solutions. Geochim. Cosmochim. Acta 51. 2639-2152.

  41. Dove M.T., Winkler B., Leslie M., Harris M.J., Salje E.K.H. (1992) A new interatomic model for calcite: applications to lattice dynamics studies, phase transition, and isotopic fractionation. Am. Mineral. 77, 244-250.

  42. Galimov, E.M. (2006) Isotope organic geochemistry. Organic Geochemistry 37, 1200-1262.

  43. Guo W., Zhou C. (2019) Triple oxygen isotope fractionation in the DIC-H2O-CO2 system: A numerical framework and its implications. Geochim. Cosmochim. Acta 246, 541-564.

  44. Hill P.S., Schauble E.A., Tripati A.K. (2020) Theoretical constraints on the effects of added cations on clumped, oxygen, and carbon isotope signatures of dissolved inorganic carbon species and minerals. Geochim. Cosmochim. Acta 269, 496-539.

  45. Hill P.S., Tripati A.K., Schauble E.A. (2014) Theoretical constraints on the effects of pH, salinity, and temperature on clumped isotope signatures of dissolved inorganic carbon species and precipitating carbonate minerals. Geochim. Cosmochim. Acta 125, 61-52.

  46. Horita J. (2014) Oxygen and carbon isotope fractionation in the system dolomite–water–CO2 to elevated temperatures. Geochim. Cosmochim. Acta. 129, 111-124.

  47. Horita J., Clayton R.N. (2007) Comment on the studies of oxygen isotope fractionation between calcium carbonates and water at low temperatures by Zhou and Zheng (2003; 2005). Geochim. Cosmochim. Acta 71, 3131-3135.

  48. Horita, J., Wesolowski, D.J. (1994). Liquid–vapor fractionation of oxygen and hydrogen isotopes of water from the freezing to the critical temperature. Geochim. Cosmochim. Acta 58, 3425-3437.

  49. Hu G., Clayton R.N., Polyakov V.B., Mineev S.D. (2005) Oxygen isotope fractionation factors involving cassiterite (SnO2): II. Determination by direct isotope exchange between cassiterite and calcite. Geochim. Cosmochim. Acta 69, 1301-1305.

  50. Johnson J.W., Oelkers E.H., Helgeson H.C. (1992) SUPCRT-92: A software package for calculating the standard molal thermodynamic properties of minerals, gases, aqueous species, and reactions from 1 to 5000 bars and 0° to 1000°C. Comp. Geosci. 18, 899-947.

  51. Kieffer S.W. (1979) Thermodynamic and lattice vibrations of minerals: 3.Lattice dynamics and an approximation for minerals with application to simple substances and framework silicates models. Rev. Geophys. Space Phys. 17, 35-59.

  52. Kim S.-T., O’Neil J.R. (1997) Equilibrium and nonequilibrium oxygen isotope effects in synthetic carbonates. Geochim. Cosmochim. Acta 61, 3461-3475.

  53. Krylov D.P., Evarestov R.A. (2018) Ab initio (DFT) calculations of corundum (α-Al2O3) oxygen isotope fractionation. Eur. J. Minera1. 30, 1063-1070.

  54. Macey P., Harris H. (2006) Stable isotope and fluid inclusion evidence for the origin of the Brandberg West area Sn–W vein deposits, NW Namibia. Miner. Deposita 41, 671-690.

  55. Mandernack K.W., Bazylinski D.A., Shanks W.C. III, Bullen T.D. (1999) Oxygen and iron isotope studies of magnetite produced by magnetotactic bacteria. Science 285, 1892-1896.

  56. Matsuhisa Y, Goldsmith JR, Clayton RN (1978) Mechanisms of hydrothermal crystallization of quartz at 250 єC and 15 kbar. Geochim. Cosmochim. Acta 42, 173-182.

  57. Matthews A., Katz A. (1977) Oxygen isotope fractionation during the dolomitization of calcium carbonate. Geochim. Cosmochim. Acta 41, 1431-1438.

  58. Matthews A. (1994) Oxygen isotope geothermometers for metamorphic rocks. J. Metam. Geol. 12, 211-219.

  59. Mironenko M.V., Polyakov V.B., Alenina M.V. (2018) Simultaneous Calculation of Chemical and Isotope Equilibria Using the GEOCHEQ_Isotope Software: Carbon Isotopes. Geochem. Int. 56(13), 1354-1367.

  60. Northrop D.A., Clayton R.N. (1966) Oxygen–isotope fractionations in systems containing dolomite. J. Geol. 74, 174-196.

  61. Ohmoto H. (1972) Systematics of sulfur and carbon isotopes in hydrothermal ore deposits. Econ. Geol. 67, 551-578.

  62. Patel A., Price G. D., Mendelssohn M. J. (1991) A computer simulation approach to modelling the structure, thermodynamics and oxygen isotope equilibria of silicates. Phys. Chem. Minerals 17, 690-699.

  63. Polyakov V.B., Horita J. (2021) Equilibrium carbon isotope fractionation factors of hydrocarbons: Semi-empirical force-field method. Chem. Geol. 559, 119948.

  64. Polyakov V.B., Kharlashina N.N. (1994) Effect of pressure on the equilibrium isotopic fractionation. Geochim. Cosmochim. Acta 58, 4739-4750.

  65. Polyakov V.B., Mineev S.D., Clayton R. N., Hu G. (2005) Oxygen isotope equilibrium factors involving cassiterite (SnO2). I: Calculation of reduced partition function ratios from heat capacity and X-ray resonant studies. Geochim. Cosmochim. Acta 69, 1287-1300.

  66. Richet P., Bottinga Y., Javoy M. (1977) A review of hydrogen, carbon, nitrogen, oxygen, sulphur and chlorine stable isotope fractionation among gaseous molecules. Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 5, 65-110.

  67. Rosenbaum J.M. (1994) Stable isotope exchange between carbon dioxide and calcite at 900oC. Geochim. Cosmochim. Acta 58, 3747-3753.

  68. Rosenbaum J.M., Mattey D.P (1995) Equilibrium garnet-calcite oxygen isotope fractionation. Geochim Cosmochim Acta 59, 2839-2842.

  69. Schauble E.A. (2004) Applying stable isotope fractionation theory to new systems. Rev. Mineral.Geochem. 55, 65-111.

  70. Schauble E.A., Young E.D. (2021) Mass Dependence of Equilibrium Oxygen Isotope Fractionation in Carbonate, Nitrate, Oxide, Perchlorate, Phosphate, Silicate, and Sulfate Minerals. Rev. Mineral. Geochem. 86, 137-178.

  71. Schmidt M., Xeflide S., Botz R., Mann S. (2005) Oxygen isotope fractionation during synthesis of CaMg-carbonate and implications for sedimentary dolomite formation. Geochim. Cosmochim. Acta 69, 4665-4674.

  72. Schütze H. (1980) Der isotopenindex – eine Inkrementenmethode zur nдherungsweisen Berechnung von Isotopenaustauschgleichgewichten zwischen kristallinen Substanzen. Chem. Erde 39, 321-334.

  73. Sidkina E.S., Mironenko M.V., Polyakov V.B. (2020) Calculation of serpentinization of olivin. Verification of the equilibrium-kinetic model. Experiment in Geosciences 26(1), 100-104.

  74. Tarutani T., Clayton R.N., Mayeda T.K. (1969) The effect of polymorphism and magnesium substitution on oxygen isotope fractionation between calcium carbonate and water. Geochim. Cosmochim. Acta 33, 987-996.

  75. Taylor B.E. (1976) Origin and significance of C-O-H fluids in the formation of Ca-Fe-Si skarn, Osgood Mountains, Humboldt County, Nevada. PhD Dissertation, Stanford University, 214 c.

  76. Truesdell A.H. (1974) Oxygen isotope activities and concentrations in aqueous salt solutions at elevated temperatures: Consequences for isotope geochemistry. Earth Planet. Sci. Lett. 23, 387-396.

  77. Urey H.C. (1947) The thermodynamic properties of isotopic substances. J. Chem. Soc. (London) 56-81.

  78. Vasconcelos C., McKenzie J. A. (1997) Microbial mediation of modern dolomite precipitation and diagenesis under anoxic conditions (Lagoa Vermelha, Rio De Janeiro, Brazil). J. Sediment. Res. 67, 378-390.

  79. Zack T., Kooijman E. (2017) Petrology and geochronology of rutile. Rev. Mineral. Geochem. 83, 443-467.

  80. Zhang C., Liu S., Phelps T.J., Cole D.R., Horita J., Fortier S.M., Elless M., Valley J.W. (1997) Physiochemical, mineralogical, and isotopic characterization of magnetite-rich iron oxides formed by thermophilic iron reducing bacteria. Geochim. Cosmochim. Acta 61, 4621-4632.

  81. Zheng Y.-F. (1991) Calculation of oxygen isotope fractionation in anhydrous silicate minerals. Geochim. Cosmochim. Acta 57, 1079-1091.

  82. Zheng Y.-F. (1999) Calculation of oxygen isotope fractionation in minerals. Episodes 22, 99-106.

  83. Zhou G.-T., Zheng Y.-F. (2003) An experimental study of oxygen isotope fractionation between inorganically precipitated aragonite and water at low temperature. Geochim. Cosmochim. Acta 67, 387-399.

  84. Zhou G.-T., Zheng Y.-F. (2005) Effect of polymorphic transition on oxygen isotope fractionation between aragonite, calcite and water. Am. Mineral. 90, 1121-1130.

Дополнительные материалы отсутствуют.