Инд. авторы:	Персиков Э.С., Бухтияров П.Г., Сокол А.Г.
Заглавие:	Вязкость водосодержащих кимберлитовых и базальтовых расплавов при высоких давлениях
Библ. ссылка:	Персиков Э.С., Бухтияров П.Г., Сокол А.Г. Вязкость водосодержащих кимберлитовых и базальтовых расплавов при высоких давлениях // Геология и геофизика. - 2017. - Т.58. - № 9. - С.1377-1387. - ISSN 0016-7886.
Внешние системы:	DOI: 10.15372/GiG20170909; РИНЦ: 30029596;
Реферат:	rus: Получены новые экспериментальные данные по температурной и барической зависимостям вязкости водосодержащих модельных кимберлитовых расплавов (система: силикат 82 + карбонат 18 мас. %, степень деполимеризации - 100·NBO/ T = 313 - безводный состав, 100·NBO/ T = 247 - содержание воды 3 мас. %) при давлении Н2О, равном 100 МПа, и при литостатическом давлении 5.5 и 7.5 ГПа в температурном диапазоне 1300-1950 °С. Установлено, что зависимость вязкости таких расплавов от температуры соответствует экспоненциальному уравнению Аррениуса-Френкеля - Эйринга в исследованном диапазоне температур и давлений. Впервые установлен линейный рост энергий активации вязкого течения водосодержащих кимберлитовых расплавов с увеличением давления. Вязкость водосодержащих кимберлитовых расплавов экспоненциально растет в изотермических условиях ( Т = 1800 °С) почти на порядок величины с ростом давления от 100 МПа до 7.5 ГПа. Полученные экспериментальные данные по вязкости водосодержащих кимберлитовых расплавов (погрешность ± 30 отн. %) сравнены с прогнозными зависимостями вязкости безводных кимберлитовых и базальтовых расплавов (100·NBO/ T = 51.5), а также водосодержащих базальтовых расплавов (100·NBO/ T = 80). Показано, что при соизмеримых значениях температуры вязкость водосодержащих кимберлитовых расплавов при умеренном давлении ( Р = 100 МПа) почти на порядок величины меньше вязкости водосодержащих базальтовых расплавов, а при высоких давлениях ( Р = 7.5 ГПа), напротив, более чем в два раза больше вязкости водосодержащих базальтовых расплавов. Впервые установлено, что растворение воды в кимберлитовых расплавах в пределах ошибок измерений не оказывает принципиального влияния на изменения их вязкости как при умеренных (100 МПа), так и при высоких давлениях (до 7.5 ГПа). Тогда как вязкость базальтовых расплавов значительно снижается при растворении в них воды при умеренных давлениях (100 МПа), но при высоких давлениях ( Р > 3.5 ГПа) эффект растворенной воды также нивелируется. eng: New experimental data on the temperature and pressure dependences of the viscosity of synthetic hydrous kimberlite melts (82 wt.% silicate + 18 wt.% carbonate; degree of depolymerization: 100·NBO/ T = 313 for anhydrous melts and 100·NBO/ T = 247 for melts with 3 wt.% H2O) were obtained at a water pressure of 100 MPa and at lithostatic pressures of 5.5 and 7.5 GPa in the temperature range 1300-1950 °C. The temperature dependence of the viscosity of these melts follows the exponential Arrhenius-Frenkel-Eyring equation in the investigated range of temperatures and pressures. The activation energies of viscous flow for hydrous kimberlite melts were first shown to increase linearly with increasing pressure. Under isothermal conditions ( T = 1800 ºC), the viscosity of hydrous kimberlite melts increases exponentially by about an order of magnitude as the pressure increases from 100 MPa to 7.5 GPa. The new experimental data on the viscosity of hydrous kimberlite melts (error ±30 rel.%) are compared with similar viscosity data for anhydrous kimberlite and basaltic melts (100·NBO/ T = 51.5) and for hydrous basaltic melts (100·NBO/T = 80). It is shown that at comparable temperatures, the viscosity of hydrous kimberlite melts at a moderate pressure (100 MPa) is about an order of magnitude lower than the viscosity of hydrous basaltic melts, whereas at a high pressure (7.5 GPa), it is more than twice higher. It is first established that water dissolution in kimberlite melts does not affect seriously their viscosity (within the measurement error) at both moderate (100 MPa) and high (7.5 GPa) pressures, whereas the viscosity of basaltic melts considerably decreases with water dissolution at moderate pressures (100 MPa) and remains unchanged at high pressures ( P > 3.5 GPa).
Ключевые слова:	базальт; вода; температура; давление; расплав; модель; мантия; земная кора; viscosity; kimberlite; basalt; кимберлит; вязкость; earth's crust; mantle; model; melt; pressure; temperature; water;
Издано:	2017
Физ. характеристика:	с.1377-1387
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 TP-параметрах земной коры и верхней мантии // Геология и геофизика, 1998, т. 39(12), с. 1793-1804. 4. 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. М., Наука, 2004, т. 1, с. 103-122. 5. 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. 6. Персиков Э.С., Бухтияров П.Г., Калиничева Т.В. Влияние состава, температуры и давления на текучесть магматических расплавов // Геохимия, 1987, № 4, с. 483-498. 7. Персиков Э.С., Бухтияров П.Г., Некрасов А.Н. Диффузия воды в расплавах андезита и базальта при высоких давлениях // Геохимия, 2010, № 3, c. 3-15. 8. Персиков Э.С., Бухтияров П.Г., Некрасов А.Н., Бондаренко Г.В. Экспериментальное исследование плавления силикатно-карбонатных систем при высоких температурах и давлениях // Материалы XIII Международной конференции «Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле». М., Наука, 2012, с. 217-220. 9. 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. 10. Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей. М., Изд-во АН СССР, 1975, 592 с. 11. Чепуров А.А., Похиленко Н.П. Экспериментальная оценка вязкости кимберлитового расплава // ДАН, 2015, т. 462, № 4, с. 467-470. 12. 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 3.0-6.5 ГПа и 900-1500 °С // ДАН, 2013, т. 448, № 4, с. 452-457. 13. 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. 14. 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. 15. 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. 16. 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. 17. Dasgupta R., Hirschmann M.M. Melting in the Earth’s deep upper mantle caused by carbon dioxide // Nature, 2006, v. 440, p. 659-662. 18. 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. 19. Fujii T., Kushiro I. Density, viscosity, and compressibility of basaltic liquid at high pressures // Carnegie Inst. Year Book, 1977, v. 76, p. 419-424. 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. Kamenetsky V.S., Yaxley G.M. Carbonate-silicate liquid immiscibility in the mantle propels kimberlite magma ascent // Geochim. Cosmochim. Acta, 2015, v. 158, p. 48-56. 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. 112S, 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. Kopylova M.G., Matveev S., Raudseep M. Searching for parental kimberlite melt // Geochim. Cosmochim. Acta, 2007, v. 71, p. 3616-3629. 25. Kushiro I. Viscosity, density and structure of silicate melts at high pressures, and their petrological applications // Physics of magmatic processes. New Jersey, Princeton University Press, 1980, p. 93-120. 26. 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. 27. Le Maitre R.W. The сhemical variability of some common igneous rocks // J. Petrol., 1976, v. 17, part 4, p. 589-637. 28. Liebske C., Schmickler B., Terasaki H., Poe B.T., Suzuki A., Funakoshi K.I., Ando R., Rubie D.C. The viscosity of peridotite liquid at pressures up to 13 GPa // Earth Planet. Sci. Lett., 2005, v. 240, p. 589-604. 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. Structure and properties of silicate melts. Amsterdam, Elsevier, 1988. 354 p. 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. 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. 33. 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, A-02262. SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU2007-A-02262C European Geosciences Union 2007, v. 9. 34. 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. 35. 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. Mineral., 1990, v. 2, p. 621-642. 36. Persikov E.S., Newman S., Bukhtiyarov P.G., Nekrasov A.N., Stolper E.M. Experimental study of water diffusion in haplobasaltic and haploandesitic melts // Chem. Geol., 2010, v. 276, p. 241-256. 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. Inter., 2003, v. 139, p. 45-54. 39. Scarfe G.M. Viscosity and density of silicate melts // Silicate melts / Ed. G.M. Scarfe, Min. Assoc. Can. Short Course Handbook, 1986, v. 12, p. 36-56. 40. Scarfe C.M., Mysen B.O., Virgo D. Pressure dependence of the viscosity of silicate melts // Magmatic processes: physicochemical principles / Ed. B.O. Mysen, Cheochem. Soc. Spec. Publ., 1987, v. 1, p. 59-68. 41. 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. 42. Sokol A.G., Palyanov Y.N. Diamond formation in the system MgO-SiO2-H2O-C at 7.5 GPa and 1600 °C // Contr. Miner. Petrol., 2008, v. 121, p. 33-43. 43. Sokol A.G., Kupriyanov I.N., Palyanov Y.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., 2013, v. 383, p. 58-67. 44. 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. 45. 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. 46. Stolper E.M. The speciation of water in silicate melts // Geochim. Cosmochim. Acta. 1982, v. 46, p. 2609-2620. 47. Suzuki A., Ohtani E., Terasaki H., Funakoshi K. Viscosity of silicate melts in CaMgSi2O6-NaAlSi2O6 system at high pressure // Phys. Chem. Miner., 2005, v. 32, p. 140-145. 48. Yoder H.S. Jr. Generation of basaltic magmas. National Academy of Sciences, Washington, D.C., 1976, 265 p. 49. Wan J.T.K., Duffy T.S., Scandolo S., Car R. First-principle study of density, viscosity and diffusion coefficients of liquid MgSiO3 at conditions of the Earth’s deep mantle // J. Geophys. Res., 2007, v. 112, p. 1-7. 50. Whittington A., Richet P., Holtz F. Water and viscosity of depolimerized aluminosilicate melts // Geochim. Cosmoch. 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, Washington, MSA, 1995, v. 32, p. 505-561. 52. Wyllie P.J. The origin of kimberlite // J. Geophys. Res., 1980, v. 85, p. 6902-6910.