ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2011, том 440, № 5, с. 678-681
ГЕОХИМИЯ
УДК 552.323.6
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СКОРОСТИ ГРАВИТАЦИОННОГО ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ КСЕНОКРИСТАЛЛОВ В КИМБЕРЛИТОВОЙ МАГМЕ ПРИ ВЫСОКИХ РТ-ПАРАМЕТРАХ
© 2011 г. А. И. Чепуров, Е. И. Жимулев, В. М. Сонин, А. А. Чепуров, А. А. Томиленко,
член-корреспондент РАН Н. П. Похиленко
Поступило 31.05.2011 г.
Модели извержения кимберлитовых магм предполагают перенос алмазов, а также ксено-кристаллов и ксенолитов мантийных пород [1—5]. При перемещении мантийного вещества к поверхности Земли возможно их отделение от магмы в результате осаждения. Особенно этот процесс должен усиливаться при возникновении промежуточных мантийных очагов.
Исследование процесса фракционирования ксенокристаллов и ксенолитов в глубинных магмах и, в частности, скорости их осаждения в реальных условиях, которые можно экспериментально смоделировать при высоких РТ-парамет-рах, представляет несомненный интерес.
Теоретическая оценка скоростей падения ксе-нокристаллов алмаза, оливина, граната и ильменита в кимберлитовом расплаве приводит к следующим результатам (табл. 1). Расчет проводили по известной формуле Стокса:
П = К
2г я(р 2 - р 1)
(1)
9У (1 + 3.3^)
где п — вязкость расплава, g = 980 см/с2 — ускорение свободного падения, г — радиус зерна минерала, к — расстояние, на которое зерно переместилось в ходе эксперимента, р2 — р1 — разность плотностей минерала и расплава, V — скорость падения зерна в расплаве, К — поправка на пристеночный эффект в ампуле, рассчитываемая по формуле
\3 / \5
К = 1 - 2.104 г + 2.09 г - 0.95 г
V Га V Га V Га У
Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской Академии наук, Новосибирск
мали в наших расчетах. Из работы [8] известно, что вязкость ультраосновной магмы 0.19—1.3 Пз, поэтому для гомогенного кимберлитового расплава можно принять промежуточную величину вязкости равной 1 Пз.
Для реальных размеров кимберлировых трубок К = 1 и 1 + 3.3 - = 1.
н
Вследствие высокой плотности наиболее значительную скорость осаждения имеют кристаллы ильменита (табл. 1). Для зерен диаметром 1 мм она более чем в три раза превосходит скорость осаждения зерен оливина. Существенное влияние на величину скорости осаждения кристаллов в кимберлитовой магме оказывает их размер. При увеличении радиуса зерна на один порядок скорость осаждения возрастает на два порядка. В общем случае проведенная теоретическая оценка показывает очень высокие скорости осаждения
Таблица 1. Расчетные величины скорости осаждения кристаллов минералов в кимберлитовой магме (4.0 ГПа, 1700°С, п = 1 Пз, р1 = 2.8 г/см3)
где га — радиус ампулы с образцом.
Плотность перидотитового расплава, содержащего 5 мас. % Н20, при Р = 4.0 ГПа и Т = 1700°С составляет 2.8 г/см3 [7]. Данное значение прини-
Минерал Р2, г/см3 г, см V, см/с
Алмаз 3.6 0.01 1.7 • 10-2
» 0.1 1.7
» 1 174.2
Оливин 3.4 0.01 1.3 • 10-2
» 0.1 1.3
» 1 130.7
Гранат (пироп) 3.6 0.01 1.7 • 10-2
» 0.1 1.7
» 1 174.2
Ильменит 4.8 0.01 4.4 • 10-2
» 0.1 4.4
» 1 435.6
Примечание. п — вязкость расплава, Р1 — плотность расплава, Р2 — плотность минерала [6], г — радиус зерна минерала.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СКОРОСТИ
679
кристаллов указанных выше минералов в низковязком расплаве, каким является кимберлитовый расплав. Полученные данные, естественно, требовали экспериментальной проверки.
Экспериментальная часть работы выполнена на беспрессовом многопуансонном аппарате высокого давления типа "разрезная сфера" (БАРС) методом, аналогичным методу "падающего платинового шарика" [9]. Конструкция аппарата, способы измерения давления и температуры подробно описаны в монографии [10].
В настоящем исследовании твердофазная рабочая ячейка имела форму прямоугольного параллелепипеда размером 20 х 20 х 23 мм с усеченными ребрами и вершинами. Рабочую ячейку изготавливали прессованием тугоплавких оксидов ZrO2, CaO, MgO. В расположенное в центре ячейки отверстие диаметром 11 мм устанавливали нагреватель, в качестве которого использовали графитовый полый цилиндр с крышками. Толщина стенки графитового нагревателя составляла 0.5 мм. Тоководами служили молибденовые стержни и диски. От нагревателя образец изолировали втулкой из прессованного MgO с толщиной стенки 1 мм, а сверху и снизу — шайбами из того же материала высотой 2 мм.
Для измерения температуры в рабочей ячейке использовали термопару (Пр 30/6), вводимую через нижнюю токовводную крышку к образцу. Ранее с помощью двух термопар установлено, что при 1500°С градиент температуры в рабочей зоне внутри нагревателя не превышает 15°С/мм. Точность измерения температуры в опытах составляла ±25°С.
Давление фиксировали манометром по предварительно откалиброванной кривой зависимости давления в рабочей ячейке от давления масла в гидросистеме аппарата. В качестве реперов для калибровки давления в ячейке использовали PbSe и Bi. Поправку на изменение (увеличение) давления при нагревании вносили по известному положению линий равновесия кварц—коэсит [11] и графит—алмаз [12]. Скорость подъема давления в опытах устанавливали в интервале 0.1—0.2 ГПа/мин.
В качестве исходного вещества для экспериментов был выбран приготовленный на шаровой мельнице порошок природного кимберлита (табл. 2) из трубки Нюрбинская (Якутия) с размером зерен менее 5 мкм. В качестве ксенокристал-лов использовали зерна природных оливина из ксенолита базальтовой трубки Шаварын-Царам (Монголия) и граната из кимберлитовой трубки Финш (Finsch, South Africa), раздробленные и отсортированные с помощью сит на фракции менее 0.25, 0.25—0.5 и 0.5—1.0 мм. Кроме того, исследования проводили с искусственными кристаллами алмаза. Образцы для опытов готовили прессованием просушенного при 120°С порошка кимбер-
Таблица 2. Состав исходных веществ
Компонент Кимберлит (Н-1)* Оливин** Гранат (Т-2-10)**
SiO2 32.08 40.7 42.04
TiO2 0.47 0.007 0.55
A12O3 3.71 0 19.47
&2O3 0.04 4.33
FeO + Fe2O3 6.91 9 7.86
MnO 0.14 0.14 0.32
MgO 31.05 49.62 20.38
CaO 7.63 0.04 4.68
Na2O 0.47 0 0
NiO 0.41
K2O 1.74 0 0
P2O5 0.31 0 0
П.п.п. 16.18 0 0
Сумма 100.68 99.96 99.63
Примечание. Составы проанализированы методом РФА (*) и микрорентгеноспектральным методом (**).
лита в специальной разрезной цилиндрической прессформе. Каждый образец состоял из двух опрессовок цилиндрической формы равных навесок порошка кимберлита с зерном (или зернами) указанных минералов в центральной части. Для изоляции от нагревателя использовали капсулы из М§0. Размер образца в этом случае имел диаметр 8 и высоту 7 мм. Некоторые эксперименты проведены с образцами высотой 4 и диаметром 5 мм, расположенными в герметизированных с помощью дуговой сварки платиновых ампулах.
Собранную рабочую ячейку с образцом устанавливали в аппарат высокого давления, аппарат закрывали, включали водяное охлаждение мно-гопуансонных блоков. Нагнетанием масла с помощью насоса НГР-2000 в гидросистему аппарата создавали давление. При достижении необходимого давления образец нагревали пропусканием электротока от силового трансформатора через графитовый нагреватель. Режим нагрева задавали с помощью регулятора температуры РИФ-101 со скоростью 700°С/мин. После достижения заданных величин давления и температуры в эксперименте делали паузу, измеряемую с помощью цифрового секундомера, и проводили закалку образца отключением электротока на нагревателе непосредственно при высоком давлении. Время закалки составляло 2—3 с, что обусловлено эффективным водным охлаждением внутренней ступени пуансонов аппарата. Сброс давления осуществляли со скоростью 0.3—0.5 ГПа/мин.
После экспериментов образцы распиливали вдоль оси и пришлифовывали. Положение зерен
680
ЧЕПУРОВ и др.
Алмаз
Гранат
р ' >JC -г
J V^n J
0.5 мм
Рис. 1. Фотографии кимберлита с кристаллом алмаза (опыт 4-8-11) и зерном граната (опыт 4-14-11), испытавшими гравитационное осаждение в течение опытов, и схематическое изображение опыта.
минералов относительно верхнего торца образца определяли с помощью микроскопа МБС-10. Отмечалось три основных положения зерен в образце: зерно оставалось в центре (1), зерно переместилось относительно центра (2), зерно опустилось на нижний торец образца (3).
С использованием изложенной методики нами была сделана экспериментальная оценка скорости падения зерен (кристаллов) алмаза, оливина и граната в кимберлитовом расплаве при высоких РТ-параметрах. Следует заметить, что при закалке низкокремниевых расплавов стекол не образуется, так как происходит быстрая раскри-сталлизация расплава с образованием в данном случае тонкозернистой массы, состоящей из смеси оливина, карбоната и флогопита. Тем не менее на фоне этого тонкозернистого закалочного мат-рикса достаточно надежно определяются исследуемые зерна алмаза, оливина и граната. На рис. 1 показано положение зерен алмаза и граната в закаленном образце кимберлита после экспериментов (зерна минералов опустились относительно исходного центрального положения в образце).
В табл. 3 приведены экспериментальные результаты по определению скорости падения зерен минералов в кимберлитовом расплаве при 4.0 ГПа и
1400°С. Полученные значения, хотя и меньше расчетных (табл. 1), но, тем не менее, очень высокие. Например, для кристаллов алмаза размером 0.3 мм они составляют 0.6—0.7 м/ч, для зерен граната 0.36 м/ч, для зерен оливина 0.27—0.29 м/ч (табл. 3).
Принято считать, что гравитационное фракционирование кристаллов в кимберлитовых магматических системах является относительно редким явлением, хотя в кимберлитах якутских трубок Айхал и Интернациональная установлены геохимические признаки отсадки пикроильмени-та в глубинных очагах [13], а в приповерхностном кимберлитовом силле Бенфонтейн (Benfontein, South Africa) это явление зафиксировано [14]. Полагают, что скорость подъема кимберлитовой магмы должна быть достаточно высокой для предотвращения осаждения ксенолитов перидотитов и эклогитов и растворения или графитиза-ции алмазов [15]. Полученные нами экспериментальные данные находятся в соответствии с этим положением.
Таким образом, скорость осаждения ксено-кристаллов в
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.