Инд. авторы:	Персиков Э.С., Бухтияров П.Г., Сокол А.Г.
Заглавие:	Изменение вязкости кимберлитовых и базальтовых магм в процессах их зарождения и эволюции ( прогноз)
Библ. ссылка:	Персиков Э.С., Бухтияров П.Г., Сокол А.Г. Изменение вязкости кимберлитовых и базальтовых магм в процессах их зарождения и эволюции ( прогноз) // Геология и геофизика. - 2015. - Т.56. - № 6. - С.1131-1140. - ISSN 0016-7886.
Внешние системы:	DOI: 10.15372/GiG20150605; РИНЦ: 23710701;
Реферат:	rus: На основе анализа экспериментальных данных по вязкости магматических расплавов в ряду основные-ультраосновные с использованием структурно-химической модели расчетов и прогноза вязкости магм впервые установлено, что кимберлитовая магма, выносящая из недр Земли алмазы, при подъеме из мантии в земную кору должна двигаться с заметным ускорением. Вязкость кимберлитовой магмы по мере ее зарождения, эволюции и подъема из мантии в земную кору будет уменьшаться более чем в 3 раза. И это несмотря на значительное снижение температуры поднимающейся кимберлитовой магмы (на ~ 150 °С) по мере ее подъема из глубин мантии к поверхности, ее частичной кристаллизации и дегазации. При частичном плавлении карбонатизированного перидотита (степень плавления < 1 мас. %) в мантии на глубинах порядка 250-350 км вязкость образовавшегося кимберлитового расплава будет сравнительно высокой и равной ~ 35 Па·с при Р ≈ 8.5 ГПа, Т ≈ 1350 °С, содержание воды в расплаве до ~ 8 мас. %, С(ОН -) = 0-2 мас. %, молекулярная С(Н 2О) = 0-6 мас. %. Тогда как при образовании кимберлитовых трубок взрыва, даек и силлов в приповерхностных условиях вязкость кимберлитового расплава будет значительно уменьшаться и станет ~ 10 Па·с при Р ~ 50 МПа, Т = 1200 °С, объемном содержании кристаллической и флюидной (пузыри) фаз соответственно равном V кр. = 35, V фл. = 5 об. %, концентрации воды в магме С(ОН -) = 0.5 мас. %. Напротив, вязкость базальтовой магмы в процессе подъема из мантии Земли в земную кору будет возрастать более чем на 2 порядка величины. При зарождении базальтовой магмы в астеносфере на глубинах ~ 100 км вязкость образовавшегося базальтового расплава будет минимальной и достигать ~ 2.3 Па·с при Р ≈ 4 ГПа, Т ≈ 1350 °С, содержание воды в расплаве С(ОН -) ≈ 3 мас. %, С(Н 2О) ≈ 5 мас. %. Тогда как на финальной стадии эволюции, например, при извержении базальтовых вулканов, вязкость базальтового расплава будет много выше и равна ~ 600 Па·с при Р ≈ 10 МПа, Т ≈ 1180 °С, V кр. ≈ 30 об. %, V фл. ≈ 15 об. %, С(ОН -) ~ 0.5 мас. %. eng: Based on the analysis of experimental data on the viscosity of mafic to ultramafic magmatic melts with the use of our structure-chemical model for the calculation and prediction of the viscosity of magmas, we have first predicted that diamond-carrying kimberlite magma must ascend from mantle to crust with considerable acceleration. The viscosity of kimberlite magma decreases by more than three times during its genesis, evolution, and ascent from mantle to crust despite the significant decrease in the temperature of the ascending kimberlite magma (~150 ºC) and its partial crystallization and degassing. In the case of partial melting (<1 wt.%) of carbonated peridotite in the mantle at depths of 250-350 km, high-viscosity (~35 Pa·s) kimberlite melts can be generated at ~8.5 GPa and ~1350 ºC, the water content in the melt being up to ~8 wt.%, C(OH -) = 0-2 wt.%, and C(H 2O) = 0-6 wt.%. On the other hand, during the formation of kimberlite pipes, dikes, and sills, the viscosity of near-surface kimberlite melts is much lower (~10 Pa·s) at ~50 MPa and 1200 ºC, the volume contents of crystals ( V cr) and the fluid phase (bubbles) ( V fl) are 35 and 5 vol.%, respectively, and the water content in magma, C(OH -), is 0.5 wt.%. On the contrary, the viscosity of basaltic magmas increases by more than two orders of magnitude during their ascent from mantle to crust. The basaltic magmas which can be generated in the asthenosphere at depths of ~100 km have the minimum viscosity (up to ~2.3 Pa·s) at ~4.0 GPa, 1350 ºC, C(OH -) ≈ 3 wt.%, and C(H 2O) ≈ 5 wt.%. However, at the final stage of evolution (e.g., during volcanic eruptions), the viscosity of basaltic magma is considerably higher (600 Pa·s) at ~10 MPa, 1180 ºC, V cr ≈ 30 vol.%, V fl ≈ 15 vol.%, and C(OH -) ≈ 0.5 wt.%.
Ключевые слова:	kimberlite; basalt; water; evolution; temperature; pressure; composition of melts; mantle and crust; crystals; bubbles; вязкость; модель; кимберлит; базальт; model; viscosity; пузыри; кристаллы; мантия и земная кора; состав расплавов; давление; температура; эволюция; вода;
Издано:	2015
Физ. характеристика:	с.1131-1140
Цитирование:	1. Лебедев Е.Б., Хитаров Н.И. Физические свойства магматических расплавов. М., Наука, 1979, 200 с. 2. Персиков Э.С. Вязкость магматических расплавов. М., Наука, 1984, 160 с. 3. Персиков Э.С. Вязкость модельных и магматических расплавов при ТР-параметрах земной коры и верхней мантии // Геология и геофизика, 1998, т. 39 (12), с. 1798-1804. 4. Персиков Э.С., Бухтияров П.Г. Влияние температуры и давления на вязкость модельных и магматических расплавов в ряду кислые-ультраосновные // Геохимия, 1999, № 12, с. 1256-1267. 5. Персиков Э.С., Бухтияров П.Г. Экспериментальное исследование влияния литостатического и водного давлений на вязкость силикатных и магматических расплавов. Новая структурно-химическая модель расчета и прогноза их вязкости // Экспериментальная минералогия, некоторые итоги на рубеже столетий / Под ред. В.А. Жарикова, В.В. Федькина. Т. 1. М., Наука, 2004, с. 103-122. 6. Персиков Э.С., Бухтияров П.Г. Взаимосвязанная структурно-химическая модель прогноза и расчетов вязкости магм и диффузии Н2О в них в широком диапазоне составов и ТР-параметров земной коры и верхней мантии // Геология и геофизика, 2009, т. 50 (12), с. 1393-1408. 7. Персиков Э.С., Бухтияров П.Г., Калиничева Т.В. Влияние состава, температуры и давления на текучесть магматических расплавов // Геохимия, 1987, № 4, с. 483-498. 8. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. М., Изд-во АН СССР, 1975, 592 с. 9. Чепуров А.И., Жимулев Е.И., Агафонов Л.В., Сонин В.М., Чепуров А.А., Томиленко А.А. Устойчивость ромбического и моноклинного пироксенов, оливина и граната в кимберлитовой магме // Геология и геофизика, 2013, т. 54 (4), с. 533-544. 10. Шарыгин И.С., Литасов К.Д., Шацкий А.Ф., Головин А.В., Отани Е., Похиленко Н.П. Экспериментальное исследование плавления кимберлита трубки Удачная-Восточная при 3-6.5 ГПа и 900-1500 °С // ДАН, 2013, т. 448, № 4, с. 452-457. 11. Allwardt J.R., Stebbins J.F., Terasaki H., Du L.S., Frost D.J., Withers A.C., Hirschmann M.M., Suzuki A., Ohtani E. Effect of structural transitions on properties of high-pressure silicate melts: Al-27 NMR, glass densities, and melts viscosities // Amer. Miner., 2007, v. 92, p. 1093-1104. 12. Brearley M., Dickinson J.E. Jr, Scarfe M. Pressure dependence of melt viscosities on the join diopside - albite // Geochim. Cosmochim. Acta, 1986, v. 30, p. 2563-2570. 13. Brey G.P., Bulatov V.K., Girnis A.V. Influence of water and fluorine on melting of carbonated peridotite at 6 and 10 GPa // Lithos, 2009, v. 112, p. 249-259. 14. Brush S.G. Theories of liquid viscosity // Chem. Rev., 1962, v. 62, p. 513-548. 15. Champallier R., Bystricky M., Arbaret L. Experimental investigation of magma rheology at 300 MPa: from pure hydrous melt to 75 vol. % of crystals // Earth Planet. Sci. Lett., 2008, v. 267, p. 571-583. 16. Chepurov A.I., Sonin V.M., Kirdyashkin A.A., Zhimulev E.I. Use of a pressless multianvil split-sphere apparatus to measure the silicate melt viscosity // J. Appl. Mech. Techn. Phys., 2009, v. 58, № 5, p. 826-830. 17. Dalton J.A., Presnall D.C. The continuum of primary carbonatitic-kimberlite melt compositions in equilibrium with lherzolite: data from the system CaO-MgO-Al2O3-SiO2-CO2 at 6 GPa // J. Petrol., 1998, v. 39, p. 1953-1964. 18. Dasgupta R., Hirschmann M.M. Melting in the Earth’s deep upper mantle caused by carbon dioxide // Nature, 2006, v. 440, p. 659-662, doi: 10.1038/nature 04612. 19. Dingwell D.B., Copurtial P., Giordano D., Nichols A.R.L. Viscosity of peridotite liquid // Earth Planet. Sci. Lett., 2004, v. 226, p. 127-138. 20. Giordano D., Romano C., Papale P., Dingwell D.B. The viscosity of trachytes, and comparison with basalts, phonolites, and rhyolites // Chem. Geol., 2004, v. 213, p. 49-61. 21. Ishibashi H., Sato H. Viscosity measurements of subliquidus magmas: Alkali olivine basalt from the Higashi-Matsuura district, Southwest Japan // J. Volcanol. Geotherm. Res., 2007, v. 160, p. 223-238. 22. Kamenetsky V.S., Kamenetsky M.B., Weiss Y., Navon O., Nielsen T.F.D., Mernagh T.P. How unique is the Udachnaya-East kimberlite: Comparison with kimberlites from the Slave Craton (Canada) and SW Greenland // Lithos, 2009, v. 112, p. 334-346. 23. Kavanagh J.L., Sparks R.S.J. Temperature changes in ascending kimberlite magma // Earth Planet. Sci. Lett., 2009, v. 286, p. 404-413. 24. Kushiro I. Viscosity, density and structure of silicate melts at high pressures, and their petrological applicaationns // Physics of magmatic processes / Ed. R.B. Hargraves, New Jersey, Princeton University Press, 1980, p. 93-120. 25. Lange R.A. The effect of H2O, CO2, and F on the density and viscosity of silicate melts // Reviews in mineralogy. Volatiles in magmas / Eds. M.R. Carrol, J.R. Holloway. Washington, MSA, 1994, v. 30, p. 331-369. 26. Le Maitre R.W. The chemical variability of some common igneous rocks // J. Petrol., 1976, v. 17, p. 589-637. 27. Liebske C., Schmickler B., Terasaki H., Poe B.T., Suzuki A., Funakoshi K.I., Ando R., Rubie D.C. Viscosity of peridotite liquid at pressures up to 13 GPa: implications for magma ocean viscosities // Earth Planet. Sci. Lett., 2005, v. 240, p. 589-604. 28. Marsh B. On the crystallinity, probability of occurrence, and rheology of lava and magma // Contr. Miner. Petrol., 1981, v. 78, p. 85-98. 29. Michell R.H. Petrology of hypabyssal kimberlites: relevance to primary magma compositions // J. Volcanol. Geotherm. Res., 2008, v. 174, p. 1-8. 30. Mysen B.O., Virgo D., Scarfe C.M. Viscosity of silicate melts as a function of pressure: structural interpretation // Carnegie Inst. Washington Yearbook, 1979, v. 78, p. 551-556. 31. Neuville D.R., Richet P. Viscosity and mixing in molten (Ca, Mg) pyroxenes and garnets // Geochim. Cosmochim. Acta, 1991, v. 55, p. 1011-1019. 32. Pal R. Rheological behavior of bubble-bearing magmas // Earth Planet. Sci. Lett., 2003, v. 207, p. 165-179. 33. Persikov E.S. The viscosity of magmatic liquids: experiment, generalized patterns; a model for calculation and prediction; application // Physical chemistry of magmas. Adv. Phys. Geochem / Eds. L.L. Perchuk, I. Kushiro. New York, Springer-Verlag, 1991, V. 9, p. 1-40. 34. Persikov E.S. Structural chemical model to calculate and predict the viscosity of magmatic melts in full range of compositions and conditions // General Assembly EGU-2007. Vienna. Geophysical Research. Abstracts, 2007, v. 9, A-02262. SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU2007-A-02262C European Geosciences Union 2007. 35. Persikov E.S., Kushiro I., Fujii T., Bukhtiyarov P.G., Kurita K. Anomalous pressure effect on viscosity of magmatic melts // Phase transformation at high pressures and high temperatures: applications to geophysical and petrological problems. Misasa, Tottori-ken, Japan, DELP, International Symposium, 1989, p. 28-30. 36. Persikov E.S., Zharikov V.A., Bukhtiyarov P.G., Pol’skoy S.F. The effect of volatiles on the properties of magmatic melts // Eur. J. Miner., 1990, v. 2, p. 621-642. 37. Price S.E., Russell J.K., Kopylova M.G. Primitive magma from the Jericho Pipe, N.W.T. Canada: constraints on primary kimberlite melt chemistry // J. Petrol., 2000, v. 47, p. 789-808. 38. Reid J.E., Suzuki A., Funakoshi K.I., Terasaki H., Poe B.T., Rubie D.C., Ohtani E. The viscosity of CaMgSi2O6 liquid at pressures up to 13 GPa // Phys. Earth Planet. Int., 2003, v. 139, p. 45-54. 39. Russell J.K., Porritt L.A., Lavallee Y., Dingwell D.B. Kimberlite ascent by assimilation-fuelled buoyancy // Nature, 2012, v. 481, p. 352-357. 40. Scarfe G.M. Viscosity and density of silicate melts // Silicate melts / Ed. G.M. Scarfe. Miner. Assoc. Canad. Short Course Handbook, 1986, v. 12, p. 36-56. 41. Scarfe C.M., Mysen B.O., Virgo D. Pressure dependence of the viscosity of silicate melts // Magmatic processes: physicochemical principles. Geochem. Soc. Spec. Publ. / Ed. B.O. Mysen, 1987, v. 1, p. 59-68. 42. Shaw H.R., Wright T.L., Peck D.L., Okamura R. The viscosity of basaltic magma: An analysis of field measurements in Makaopuhi lava lake, Hawaii. Amer. // J. Sci., 1968, v. 266, p. 225-264. 43. Sokol A.G., Kupriyanov I.N., Palyanov Yu.N. Partitioning of H2O between olivine and carbonate-silicate melts at 6.3 GPa and 1400 °C: Implications for kimberlite formation // Earth Planet. Sci. Lett., 2013a, v. 383, p. 58-67. 44. Sokol A.G., Kupriyanov I.N., Palyanov Y.N., Kruk A.N., Sobolev N.V. Melting experiments on the Udachnaya kimberlite at 6.3-7.5 GPa: Implications for the role of H2O in magma generation and formation of hydrous olivine // Geochim. Cosmochim. Acta, 2013b, v. 101, p. 133-155. 45. Sparks R.S.J., Barclay J., Jaupart C., Mader H.M., Phillips J.C. Physical aspects of magmatic degassing. I. Experimental and theoretical constraints on vesiculation // Reviews in mineralogy. Volatiles in magmas. Eds. M.R. Carrol, J.R. Holloway. Washington, MSA, 1994, v. 30, p. 413-446. 46. Sparks R.S.J., Baker L., Brown R.J., Field M., Schumacher J., Stripp G., Walters J. Dynamical constraints of kimberlite volcanism // J. Volcanol. Geotherm. Res., 2006, v. 155, p. 18-48. 47. Sparks R.S.J., Brooker R.A., Field M., Kavanagh J., Schumacher J.C., Walter M.J., White J. The nature of erupting kimberlite melts // Lithos, 2009, v. 1125, p. 429-438. 48. Stein D.J., Spera F.J. Shear viscosity of rhyolite-vapor emulsion at magmatic temperatures by concentric cylinder rheometry // J. Volcanol. Geotherm. Res., 2002, v. 113, p. 243-258. 49. Uhira K. Experimental study on the effect of bubble concentration on the effective viscosity of liquids // Bull. Earth. Res. Inst., 1980, v. 56, p. 857-871. 50. Whittington A., Richet P., Holtz F. Water and viscosity of depolimerized aluminosilicate melts // Geochim. Cosmochim. Acta, 2000, v. 64, p. 3725-3736. 51. Wolf G.H., McMillan P.F. Pressure effects on silicate melt structure and properties // Reviews in mineralogy. Structure, dynamics and properties of silicate melts / Eds. J.F. Stebbins, P.F. McMillan, D.B. Dingwell. Washington, MSA, 1995, v. 32, p. 505-561.