научная статья по теме АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ РЕЖИМ ПРОЦЕССА СЕДИМЕНТАЦИИ ЧАСТИЧНО РАСПЛАВЛЕННЫХ ПОРОД Геофизика

Текст научной статьи на тему «АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ РЕЖИМ ПРОЦЕССА СЕДИМЕНТАЦИИ ЧАСТИЧНО РАСПЛАВЛЕННЫХ ПОРОД»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2015, № 4, с. 31-37

УДК 552.11:550.8.013

АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ РЕЖИМ ПРОЦЕССА СЕДИМЕНТАЦИИ ЧАСТИЧНО РАСПЛАВЛЕННЫХ ПОРОД

© 2015 г. А. В. Каракин, П. А. Покаташкин

ВНИИГеосистем, г. Москва E-mail: p.a.pokatashkin@gmail.com Поступила в редакцию 03.08.2014 г.

Рассматривается явление седиментации частично расплавленных пород в интрузиях. В процессе седиментации суспензии возникает стратифицированная структура, состоящая из зон с различной степенью уплотнения твердой фазы. Высшая степень уплотнения соответствует поровязкой среде. Над ней при критическом значении пористости на границе располагается тонкий промежуточный слой. Закритические значения пористости соответствуют нарушению связности скелета. В указанном тонком слое скелет поровязкой среды, в целом, сохраняет свои свойства, хотя и в сильно ослабленном виде. Связанные сильной гидродинамической связью зерна образуют структуры, которые отличаются неустойчивостью. В процессе седиментации они периодически разрушаются и восстанавливаются и на макроуровне воспринимаются как периодические автоколебания. Автоколебательный режим седиментации приводит к тому, что в кумулятах возникает периодическая слоистая структура, которая может быть обнаружена через много миллионов лет после застывания интрузивной камеры. В данной работе приводится исследование указанного процесса.

DOI: 10.7868/S0002333715030060

1. ВВЕДЕНИЕ

Интрузии и силлы являются характерными наблюдаемыми геологическими объектами, которые свидетельствуют об активной магматической деятельности Земли в прошлом. Их наблюдение геологическими методами, геохимический и петрографический анализ, а также их математическое моделирование позволяют восстановить динамику частично расплавленных пород в планетах земной группы [Schubert, 2001].

Характерной особенностью структуры большинства интрузий является их слоистость, связанная с изменением их петрографического и минерального состава [Tharp, 1998; Tegner, 2009]. В настоящее время предложено множество возможных механизмов возникновения расслоено-сти [Meurer, 1995; Shirley, 1986; Naslund, 1996], однако удовлетворительной модели до сих пор не предложено. Чаще всего она исследуется в рамках классической модели компакции. Однако систематический характер слоистости и значения ее параметров не вполне соответствуют сути процессов компакции. Есть основания для более глубокого изучения физической природы автоколебаний, которые могут приводить к указанной структуре. В этой связи представляет интерес исследование природы неустойчивых процессов, происходящих в жидкой смеси, находящейся в закритическом состоянии. В данном случае критическим мы считаем предельное значение относительной доли расплава, при превышении которой поровязкой среда переходит в особое погра-

ничное состояние между поровязкой средой и суспензией.

Известно, что реологические свойства частично расплавленных пород зависят от доли расплавленного вещества. Они обычно оцениваются по значению наблюдаемой вязкости в сдвиговых экспериментах. Эта вязкость меняется на много порядков, что связано в первую очередь с тем обстоятельством, что вязкости расплава и твердой матрицы различаются не менее, чем на 15—20 порядков [Schubert, 2001]. При малых значениях пористости m (при m < m*, m* = 0.2) применима модель классической поровязкой частично расплавленной среды [McKenzie, 1984; Каракин, 1999]. При m = m* имеет место скачок дифференциальной вязкости, связанный с тем обстоятельством, что происходит разрушение связного скелета [Arzi, 1978; Van der Molen, 1979; Renner, 2000; Lejeune, 1995].

Несмотря на большое количество экспериментальных работ физические свойства дисперсных смесей при умеренной доле расплава (0.2 < m < m** более подробно смысл m** будет раскрыт в части 3 данной статьи) до сих пор мало известны. Даже само понятие коэффициента вязкости, применительно к дисперсным смесям в указанном диапазоне, вызывает сомнение. Поскольку с изменением пористости существенным образом меняется микроструктура гетерогенной смеси, то соответственно меняются не только параметры реологического уравнения, но и сам его тип. Есть основания полагать, что при таких параметрах в смеси на микро-

IV зона

III зона

II зона

О

I зона

Схематическое изображение зон с различной реологией в интрузиях.

В первой зоне пористость mmin, поры изолированы. Движение расплава отсутствует. Во второй зоне — по-ровязкая среда. В третьей зоне наблюдаются коллоидные структуры, которые периодически схлопыва-ются. Четвертую зону занимает суспензия.

уровне возникают неустойчивые формы типа коллоидных структур.

В настоящее время не существует модели микропроцессов, которая объяснила бы качественные изменения поведения частично расплавленных сред, в частности, наличие скачков сдвиговой вязкости при некоторых пороговых значениях доли расплава, превышающих m**. Известно лишь, что в диапазоне 40—60% происходит разрушение кластеров, образованных твердыми частицами, которые охватывают весь объем течения. Экспериментальному исследованию кластеров посвящено значительное количество работ [Cooper, 1984; 1986; Hirth, 1995].

В данной работе предлагается эвристическая модель неустойчивого движения в закритическом состоянии. Она основана на определенных представлениях о характере процессов, протекающих в этом состоянии. Известно, что равномерно размешанная в сосуде смесь жидкости и твердых частиц со временем подвергается седиментации и расслоению. Образуется несколько зон с разны-

ми свойствами. Существует несколько критических значений концентрации жидкой фазы, при которых качественно меняются свойства смеси.

В частности, на границе поровязкая среда-суспензия возможно образование неустойчивых коллоидных структур. Их последовательный рост и разрушение приводит к неким автоколебательным процессам, а его описание и является предметом данной статьи.

Область компакции разбивается на две неравные части. В большей части режим компакции определяется параметром длины компакции, которая при данных автоколебаниях является величиной постоянной. Структура решения в этой области соответствует истинному режиму компак-ции. Фактически она представляет собой волновое решение, которое в процессе колебаний меняется очень мало — то удлиняется, то укорачивается. Зато во второй (малой) части имеют место некие нестационарные переходные процессы, связанные с консолидацией рыхлого вещества суспензии. Они, собственно, и определяют режим колебаний.

2. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ 2.1. Физическое обоснование модели

Рассмотрим спокойный режим седиментации дисперсной смеси, происходящий в цилиндрическом сосуде с непроницаемым дном (рисунок). Поскольку объемная вязкость скелета при уменьшении пористости очень сильно возрастает, то процесс сжатия скелета поровязкой среды не может происходить до бесконечности. В какой-то момент поры закрываются, и среда приобретает свойства композита, в котором отдельные фазы сохраняют относительную неподвижность. Обычно закрытие пор регулируется условиями смачивания на границах контакта твердых зерен и расплава [McKenzie, 1984].

Выше этой границы происходит процесс консолидации поровязкой среды в квазистационарном режиме. Он описывается стандартной моделью компакции. Еще выше, на границе (поровяз-кая среда — суспензия) возможно образование неустойчивых коллоидных структур. Когда толщина слоя этих рыхлых структур достигает своего предельного значения, происходит их обрушение и последующее уплотнение, которое продолжается до тех пор, пока все парные гидродинамические связи между частицами не станут сильными (т.е. между частицами не возникнет тонкий смазочный слой). В этот момент они приобретают свойства поровязкой среды в критическом состоянии и присоединяются к поровязкой области. Выше этого слоя рост коллоидных структур продолжается, картина в целом возобновляется, и весь процесс повторяется. В результате граница поровязкая среда—суспензия движется вверх.

•< Ос о оо

Формально суть предлагаемой модели состоит в утверждении, что в результате процесса седиментации образуются четыре подвижные области гетерогенной среды Оь Оп, Ош, П1У с разными механическими свойствами. В самой нижней части сосуда находится слой Ов котором при т = ттп поры закрываются и движение останавливается. Он неограниченно растет и образует твердую непроницаемую подошву поровязкого слоя Оп, который движется вверх. Этот слой ограничен нижней и верхней границами ГтЬ и Г*.

В области при ттп < т < т* поровязкая среда подвергается уплотнению и описывается уравнениями компакции. Он полностью сохранял бы свою форму и размер, если бы его верхняя граница двигалась бы вверх с той же скоростью, что его нижняя граница. В этом случае он описывался бы стационарной волной.

В действительности же в области Ош имеют место нестационарные процессы, создающие колебательные движения на границе поровязкой среды и суспензии. Эти колебания распространяются по всей системе. Твердая фаза здесь образует неустойчивые рыхлые структуры из слабо упакованных кристаллов различной формы и размеров. По своим свойствам среда напоминает коллоиды. Ее можно рассматривать как поровязкую (подобную той, которая находится в области Оп), только материальные параметры в ней являются случайными величинами. Этот слой целиком поддерживается фильтрационным потоком и потому не подвергается деформациям. Пористость в нем принимает постоянное значение т = тсо1. Такой режим движения поровязкой среды называется состоянием флюидизации. Неустойчивый слой Ош растет до определенного предела его толщины, выше которого он схлопывается и образует плотно упакованный слой с пористостью т*, который со временем присоединяется к области Оп.

Причина, по которой область Ош становится неустойчивой, заключается в том, что смазочный слой не является жесткой связью. Его свойства зависят от того, под каким углом твердые частицы соприкасаются и от того, есть ли дополнительная циркуляция среды или ее нет. Другими словами, эти свойства целиком определяются внешними случайными факторами. При определенной толщине слоя нарушается зыбкий баланс между избыт

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»