ГЕОХИМИЯ, 2014, № 5, с. 406-413
КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ДИФФУЗИИ ВОДЫ В РАСПЛАВАХ ОБСИДИАНА И ДАЦИТА ПРИ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ © 2014 г. Э. С. Персиков, П. Г. Бухтияров, А. Н. Некрасов, Г. В. Бондаренко
Институт экспериментальной минералогии РАН 142432 Московская обл., Черноголовка, ул. Академ. Осипьяна, 4 E-mail: persikov@iem.ac.ru Поступила в редакцию 11.12.2012 г.
Принята к печати 25.03.2013 г.
Экспериментально изучена диффузия воды в природных расплавах обсидиана и модельных дацито-вых расплавах (Ab90Di8Wo2, мол. %) при давлениях паров воды до 170 МПа, температуре 1200°C, концентрациях воды в расплавах до ~6 мас. % с использованием установки высокого газового давления, снабженной уникальным внутренним устройством. Диффузионные опыты проведены по новой мало градиентной методологии с использованием метода диффузионной гидратации расплава из флюидной фазы. Растворимость воды в расплавах и ее концентрация вдоль диффузионных профилей Ch2o определены с помощью инфракрасной микроспектрометрии с использованием видоизмененного соотношения Bouguer—Beer—Lambert. Предложена структурно-химическая модель расчета и прогноза концентрационной зависимости коэффициентов молярной абсорбции гидрок-сильных групп (OH-) и молекул воды (H2O) в кислых полимеризованных стеклах (закаленных расплавах) в ряду обсидиан—дацит. Коэффициенты диффузии воды DHjO получены на основе математического анализа концентрационных профилей, и аналитического решения уравнения второго диффузионного закона Фика по методу Больцмана—Матано. Строго экспериментально показано, что DHjO экспоненциально возрастает с ростом концентрации воды в обсидиановых и дацитовых расплавах в полном диапазоне диффузионных профилей. Предложен метод прогноза и расчета концентрационной, температурной и барической зависимостей DHjO в кислых магматических расплавах (обсидиан, риолит, альбит, гранит, дацит) при Т, Р-параметрах земной коры и концентрациях воды в них до 6 мас. % с использованием установленной количественной корреляции между DHjO и вязкостью таких расплавов.
Ключевые слова: диффузия, вода, обсидиан, дацит, концентрация, расплав, давление, температура, молярная абсорбция, вязкость, прогноз.
Б01: 10.7868/80016752514050082
ВВЕДЕНИЕ
Диффузия воды в магматических расплавах как важнейшее транспортное и динамическое свойство во многом определяет особенности магматических процессов: дегазацию магмы в процессе вулканических извержений, взаимодействие флюида и магмы, зарождение и рост кристаллов и пузырей в магме и другие. За прошедшие несколько десятилетий выполнено значительное количество работ по диффузии воды в силикатных и магматических расплавах (альбит, обсидиан, гранит, риолит, андезит, базальт) [1, 2—15 и др.] и только две работы по диффузии воды в расплавах дацита [16 и трахита [17]. Однако, строго достоверной зависимости коэффициента диффузии воды Бно от кон-
центраций воды Сн о в таких расплавах в полных диапазонах диффузионных профилей не установлено. До недавнего времени отсутствовали модели прогноза и расчетов диффузии воды в магмах в полном диапазоне их составов и Т, Р-параметров [1, 15, 18]. В настоящей работе приведены результаты исследований диффузии воды в природных обсидиановых и модельных дацитовых расплавах, полученные с использованием новой мало градиентной методологии, которые нацелены на установление строго экспериментальной концентрационной зависимости БНо в кислых расплавах в ряду риолит — да-цит и на разработку метода прогноза диффузионной подвижности воды в них.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Исходные материалы
В качестве исходных материалов для диффузионных опытов использованы природные стекла обсидиана из месторождения в. Артени (Армения) и стекла модельного дацитового состава, которые были синтезированы из стехиометрических смесей природных минералов: альбита (ЛЬ — NaAlSiзO8) из массива Колба (Казахстан), диопсида (Б1 — CaMgSi2O6) и воллостанита (ШЪ — Ca2Si2O6) из Йо-ко-Довыренской расслоенной интрузии (Северно-Байкальский регион, Россия) [1, 15]. Химический состав стекол, использованных в экспериментах, приведен в табл. 1. В диффузионных экспериментах использованы исходные "сухие" (безводные) и водосодержащие стекла. Безводные гомогенные стекла были получены плавлением 5 г порошков исходного обсидиана и стехиометрических смесей минералов (альбит + диопсид + волластонит) дацитового состава (ЛЬ90Б18Шо2, мол. %) в закрытых платиновых тиглях в высокотемпературной печи, с 5-ти часовой выдержкой при 1400°С с последующей закалкой на воздухе. Эти стекла извлекали из платиновых тиглей, измельчали в агатовой ступке. Затем, приблизительно по 200 мг полученного порошка помещали в платиновые ампулы (длина 30 мм, диаметр 3 мм, толщина стенки 0.1 мм). Такие ампулы нагревали газовой горелкой для удаления адсорбированных компонентов, после чего часть таких ампул заваривали (с помощью стекло-графитового электрода в атмосфере аргона), а затем вновь помещали в высокотемпературную печь и наплавляли безводные гомогенные стекла обсидиана и дацита при 1400°С в течение 2 ч; а другую часть использовали непосредственно в диффузионных опытах с водосодержащими расплавами (см. ниже). Полученные стекла оптически однородны, не содержат пузырей и кристаллов, а их химическую однородность подтверждали рентгеновским микроанализом (табл. 1).
Диффузионные эксперименты
Экспериментальные исследования предыдущих лет не решили сложной проблемы зависимости коэффициента диффузии воды ^ 0 от ее концентрации Сн20 в силикатных и магматических расплавах, в том числе, в полимеризованных расплавах альбита, обсидиана, гранита, риолита и дацита [2—4, 6, 12, 16, 17 и др.]. Необходимо отметить, что все предыдущие исследования диффузии воды в силикатных и магматических расплавах, включая и наши недавние исследования [1, 15], проводились с использованием стандартной высокоградиентной методологии. В работах [1, 15] было показано, что при применении этой методологии не существует объективных математи-
Таблица 1. Химический состав* (мас. %) и структурно-химический параметр (100ЛВ0/7) исходных расплавов
Окислы Модельный дацит (Ab90Di8Wo2, мол. %) Обсидиан, в. Артени, Армения
Si02 66.32 ± 0.54 76.20 ± 0.58
Ti02 - 0.11 ± 0.05
Al203 17.57 ± 0.22 13.29 ± 0.26
FeO - 0.63 ±0.10
Mg0 1.38 ± 0.06 0.12 ± 0.03
Ca0 2.5 ± 0.1 0.58 ± 0.05
Na20 10.45 ± 0.25 4.27 ± 0.10
K20 - 4.74 ± 0.46
Сумма 98.52 99.94
100NB0/T 10.82 1.88
* Микрозондовые анализы.
ческих или физико-химических критериев для обоснованного доказательства получаемых зависимостей 1>н2о от CH2o в полном диапазоне диффузионных концентрационных профилей. Было доказано, что такая методология дает достоверные результаты только в пределах 70% средней части диффузионного концентрационного профиля. В этой связи, нами, по предложению E. Stolper (Caltech, USA), была разработана принципиально новая методология, которая теоретически строго обоснована [1, 15]. В кратком изложении ее сущность заключается в том, что диффузионные опыты проводят в условиях низких градиентов концентраций воды (не более 0.5—1.0 мас. %) независимо от валового содержания воды в расплавах. Пример диффузионного профиля воды в расплаве модельного дацита, полученного по такой методике, приведен на рис. 1. При этом для каждого состава расплава проводится порядка 5—7 таких опытов при разных средних значениях суммарного содержания воды в расплавах, которые охватывают весь изучаемый диапазон концентраций. В результате получаются строго экспериментально обоснованные зависимости DH.i0 от СНг0, которые не зависят от выбора граничных условий и способов решения уравнений диффузии (рис. 3, 5).
По этой малоградиентной методологии экспериментально исследована функциональная зависимости диффузии воды от ее содержания в обсидиановых и модельных дацитовых расплавах (система альбит + диопсид + волластонит, Ab90Di8Wo2, мол. %) в широком диапазоне валового содержания воды 0.6—5.2 мас. %, давлениях Н20 до 170 МПа и 1200°C. Для эксперимента использовали установку высокого газового давления с внутренним нагревом и оригинальным устройством, которое подробно описано в работах
7 = -0.2851х + 1.41806 Я2 = 0.95994
0 1000 2000 3000 4000 5000 Расстояние от границы расплав—пар, мкм
Рис. 1. Пример малоградиентного диффузионного профиля воды в расплаве модельного дацита (опыт
1792/1, Т = 1200°С, РН20 насыщения = 60 МПа, Рщо диффузии = 80 МПа, градиент Н20 = 0.7 мас. %, время диффузионного опыта 2100 с, табл. 2).
[15, 19] и позволяет проводить диффузионные опыты без изменения первоначальной геометрии ампулы с расплавом. Диффузию воды изучали оригинальным методом в двух типах опытов (табл. 2): 1) гидратация гомогенных безводных расплавов обсидиана и модельных расплавов дацита при давлении воды, равном 20 МПа и Т = 1200°С (этот метод подробно описан в нашей недавней работе [15]); 2) гидратация водосодержащих расплавов при давлении Н20 в диапазоне 20—170 МПа. Второй тип опытов включал 3 стадии: 1) в течение 3 ч диффузионно насыщали расплав водой при 1200° С и необходимом значении РНз0, например 50 МПа, и за несколько секунд изотермически поднимали давление пара до 70 МПа; 2) выдерживали необходимое для диффузии воды время;
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 • МБО/Т
Рис. 2. Структурно-концентрационная зависимость коэффициентов молярной абсорбции (с) двух форм воды (для гидроксильных групп ОН- и для молекул Н2О) в силикатных стеклах (закаленных расплавов) в диапазоне составов обсидиан — базальт (открытые значки — диапазон составов андезит — базальт [1]; залитые значки — диапазон составов риолит — дацит [24]).
3) после чего проводили изобарическую закалку расплава со скоростью ~300°С/мин до температуры ~800°С, и далее со скоростью ~100°С/мин до комнатной температуры. Диффузионные эксперименты по методу гидратации, проводились под давлением водяного пара так, чтобы обеспечить диффузию воды через границу раздела расплав-пар в течение времени, необходимого для формирования в расплаве диффузионно-концентрационного профиля воды (600—7200 с). После изобарической закалки расплавов и извлечени
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.