ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 462, № 4, с. 467-470
= ГЕОХИМИЯ
УДК 552.323.6
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВЯЗКОСТИ КИМБЕРЛИТОВОГО РАСПЛАВА © 2015 г. А. А. Чепуров, академик РАН Н. П. Похиленко
Поступило 26.01.2015 г.
БО1: 10.7868/80869565215160197
Изучение вязкости кимберлитового расплава при высоких давлениях и температурах, соответствующих параметрам верхней мантии Земли, — актуальная задача. Это обусловлено разработкой геодинамических моделей перемещения вещества в коре и верхней мантии и совершенствованием методов поиска алмазов. Особое значение имеет экспериментальное изучение реологических свойств субликвидусных гетерогенных (жидкость + кристаллы + газ) расплавов, каковым является кимберлитовый расплав. Учитывая существенные расхождения в теоретических оценках вязкости гетерогенных сред и сложности теоретических расчетов, чрезвычайно важно совершенствование экспериментальных методов определения вязкости. Это вызвало необходимость проведения экспериментальных исследований по оценке вязкости кимберлитового расплава.
Существует значительное количество факторов, влияющих на вязкость гетерогенной низкосиликатной и насыщенной летучими компонентами кимберлитовой магмы при высоких Р—Т-параметрах. В некоторых случаях оказывается, что разнонаправленное влияние этих факторов на величину вязкости приводит к сложности и неопределенности расчета вязкости таких магм. Поэтому в данной работе была сделана попытка экспериментальной оценки вязкости модельной кимберлитовой магмы при высоких Р—Т-пара-метрах.
Эксперименты проводили на аппарате "БАРС" закалочным методом падающего платинового шарика [1]. Давление в твердофазной реакционной рабочей ячейке аппарата генерируется при схождении пуансонов к геометрическому центру устройства. Увеличение внешней нагрузки сопровождается ростом квазигидростатиче-
Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской Академии наук, Новосибирск
E-mail: achepurov@igm.nsc.ru
ского давления в рабочей ячейке. Конструкция аппарата, способы измерения давления и температуры в [2—5].
Для измерения температуры в рабочей ячейке располагали термопару, которую через нижнюю токовводную крышку подводили к образцу. Измерение температуры проводили с помощью пла-тинородиевой термопары (проба 30/6). Точность измерения температуры в опытах ±25°С. Давление фиксировали манометром по предварительно откалиброванной зависимости давления в рабочей ячейке от внешнего давления масла в гидросистеме аппарата. В качестве реперов для калибровки давления в ячейке использовали РЪ8е, Б1, которые изменяют электросопротивление при фазовых переходах в зависимости от давления. По известному положению линий равновесия кварц—коэсит и графит—алмаз в Р, Т-координатах вносили поправку на изменение (увеличение) давления при последующем нагревании. Точность измерения давления ±0.25 ГПа. Скорость увеличения давления в опытах задавали в 0.1—0.2 ГПа/мин.
В качестве образца использовали порошок исходного вещества, спрессованный в форме цилиндра, в центр которого запрессовывали платиновый шарик. Исходное вещество готовили весовым методом. В качестве модельной среды использовали смесь кимберлита и оливина в разных пропорциях (табл. 1). Природный кимберлит дробили и перетирали на шаровой мельнице в порошок до зерен менее 5 мкм. В качестве твердой фазы добавляли порошок, состоящий из обломков кристаллов оливина с соотношением длина : : ширина 1 : 1—3 : 1. Природный оливин из Шва-рын-Царам (Монголия) дробили и ситовым методом отсортировывали фракцию 0.25—0.5 мм. Далее в приготовленные порошки кимберлита добавляли зерна оливина и смесь перемешивали. Половину смеси по весу засыпали в специальную разрезную цилиндрическую прессформу и прессовали цилиндр, в центр верхнего торца которого помещали платиновый шарик, засыпали оставшуюся половину порошка и опрессовывали. В итоге по-
468
ЧЕПУРОВ, ПОХИЛЕНКО
Таблица 1. Состав исходных компонентов (мас. %) для опытов при высоких Р— 7-параметрах
Компонент Кимберлит Н-1 Оливин
32.08 40.7
Т1О2 0.47 0.007
А12О3 3.71 0
&2О3 0 0.!37
FeO + Fe2O3 6.91 9
МпО 0.14 0.142
МБО 31.05 49.62
СаО 7.63 0.04
№20 0.47 0
N10 0 0.41
К2О 1..4 0
Р2О5 0.31 0
п/пп-Н20 16.18 0
Сумма 100.68 99.96
Примечание. Оливин из ксенолита в базальте Шварын-Ца-рам, Монголия; кимберлит из трубки Нюрбинская (Якутия).
лучался цилиндр прессованного исходного вещества, в геометрическом центре которого располагался платиновый шарик.
В ходе экспериментальных исследований определяли скорость падения платиновых шариков (рис. 1) при высоких Р— 7-параметрах в расплавах, полученных при нагревании кимберлита (табл. 2). Расчет вязкости проводили по формуле Стокса [6]:
П = [2^ - Р1)/9К(1 + 3.3г/Н)]К,
где п — вязкость расплава; g = 980 см/с2 — гравитационная постоянная; г — радиус шарика; Н —
Рис. 1. Образец после опыта № 4-6-11 (20 мас. % оливина). Р1-шарик переместился вниз и практически достиг нижнего торца ампулы.
расстояние, на которое шарик переместился в ходе эксперимента; р2 — р1 — разность плотностей шарика и расплава; V — скорость падения шарика в расплаве; К — поправка на пристеночный эффект в ампуле, рассчитываемая по формуле
К = [1 — 2.104(г/га) + 2.09(г/га)3 — 0.95(г/га)5];
га — радиус ампулы с образцом.
Плотность перидотитового расплава с 5 мас. % Н20 при Р = 4.0 ГПа и 7 = 1700°С 2.8 г/см3 [7]; это число мы приняли в нашей работе. Плотность платины принята равной 21.45, алмаза — 3.55 г/см3.
Точность определения вязкости расплавов при высоких Р, Тс использованием рассматриваемого метода зависит от ряда факторов: инструментальных ошибок при измерении г, размеров образца, р1, погрешности определения скорости падения шарика и т.д. К вычислениям относительной вязкости методом падающего шарика следует отнести возможные искажения результатов измерения вследствие погрешности определения Т, Р, наличия градиента температуры в реакционной ячейке аппарата высокого давления и других причин и явлений. Таким образом, измеренное значение вязкости расплава в опытах может отличаться от "истинного" значения вязкости в 2—2.5 раза [1], но с учетом того, что вязкость магматических расплавов может изменяться на несколько порядков, полученные экспериментальные оценки имеют большое значение.
При введении в изученные составы 50 мас. % и более кристаллов оливина не удается обнаружить перемещения Р1-шарика при параметрах опытов (длительность до 1 ч). Это свидетельствует о высокой относительной вязкости расплавов с указанным содержанием твердого компонента. При содержании 10 мас. % и менее кристаллов оливина падение Р1-шарика происходит очень быстро. Платиновый шарик оказывается на дне ампулы даже при самых коротких выдержках (менее 10 с), поэтому мы не смогли зафиксировать время падения Р1-шарика и определить его V. Можно лишь указать величину вязкости (менее 2 Пз), которая выше реальной, но на сколько, неизвестно. Экспериментальное определение скорости падения Р1-шариков в расплавах с содержанием 20 и 30 мас. % оливина приведено в табл. 2.
Относительно возможного взаимодействия обломков кристаллов оливина с кимберлитовым расплавом в условиях опытов и изменения соотношения расплав—кристалл, а также состава расплава установлено следующее. Микроскопическое исследование шлифов продуктов опытов свидетельствует о некоторых изменениях на границе зерно оливина—расплав в опытах общей длительностью до 3 мин (в таких опытах выдержка в режиме нахождения зерен оливина в расплаве составляла 1 мин и менее). Известно, что оли-
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВЯЗКОСТИ
469
Таблица 2. Результаты экспериментов по определению относительной вязкости (пг) кимберлитового расплава с зернами оливина при 4 ГПа
№ опыта 01, мас. % Я Я а к т, с 1, см V, см/с К Пг, Пз
см
4-3-11 4-5-11 4-6-11 Примечание держки; 1 — д При определ 30 20 . 01 — содержа лина падения ении Киз врем 0.015 0.05 0.04 ние зерен о шарика; V -ени выдерж 0.3 0.27 0.27 ливина; Я — скорость па ки (т) вычит 1600 0.4 0.4 1400 0.4 радиус Р1>ш< дения шари али 30 с (вре °С 35 60 °С 60 1рика; Яа — р ка; К — попр мя, необход! 0.19 0.14 0.16 адиус ампул авка на при мое для расп >3.8 ■ 10-2 4.7 ■ 10-3 >5.3 ■ 10-3 ы; к — высота а стеночный эфф лавления шихт 0.90 0.62 0.70 мпулы; т ект в амп Ъ1, опред( <2.0 9.5 ■ 10 <6.5 ■ 10 — время вы-уле. зленное экс-
периментально).
вин наиболее устойчив по сравнению с другими силикатными минералами (пироксен, гранат) в кимберлитовой магме [8]. Поверхность зерен оливина корродируется расплавом на толщину порядка 10 мкм.
Общепринято, что кимберлитовые расплавы, зарождающиеся на больших глубинах (150— 200 км и более), захватывают мантийные и коро-вые ксенолиты, содержат много летучих компонентов (преобладают С02, Н20). Например, в соответствии с высоким содержанием летучих компонентов, установленным для кимберлитовых магм [9, 10], объемные пропорции расплав : твердое : газ могут эволюционировать от расплавдо-минирующих систем при мантийных условиях до газдоминирующих в месте извержения [11]. Такие вариации будут иметь значительное влияние на физические свойства кимберлитовых магм и отсюда — на механизм и тип извержения. Вследствие этих причин наряду с тем, что кимберлитовая магма не образует стекол, реконструкция первичного состава кимберлитового расплава остается довольно трудной задачей. Тем не менее большинство исследователей согласны с тем, что кимберлитовые расплавы имеют дефицит 8Ю2 и богаты летучими компонентами, что основано на наблюдениях минеральных ассоциаций основной массы, включающей различные комбинации шпинели, монтичелита, флогопита, перовскита, первично-магматического кальцита, апатита.
Также необходимо принимать во внимание тот факт, что низкая вязкость кимберлитового расплава способствует гравитационному фракционированию ксенокристаллов силикатов в таких магмах при высоких Р— Т-параметрах [12].
Результаты проделанной работы свидетельствуют о том, что при содержании 50 мас. % оливина в кимберлитовом расплаве при указанных режимах не удается обнаружить перемещение Р1-шарика. Это может указывать на осложнение с
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.