Инд. авторы:	Кирдяшкин А.Г., Кирдяшкин А.А., Дистанов В.Э., Гладков И.Н.
Заглавие:	Экспериментальное и теоретическое моделирование алмазоносных плюмов
Библ. ссылка:	Кирдяшкин А.Г., Кирдяшкин А.А., Дистанов В.Э., Гладков И.Н. Экспериментальное и теоретическое моделирование алмазоносных плюмов // Геодинамика и тектонофизика. - 2019. - Т.10. - № 2. - С.247-263. - EISSN 2078-502X.
Внешние системы:	DOI: 10.5800/GT-2019-10-2-0413; РИНЦ: 38303710;
Реферат:	rus: Рассматриваются термохимические мантийные плюмы, имеющие тепловую мощность 1.6-1010 Вт10 Вт и относительную тепловую мощность 1.15кр, с которого расплав из канала плюма по каналу излияния прорывается на поверхность. Канал излияния образуется под действием силы сверхлитостатического давления на кровлю поднимающегося плюма. При уменьшении высоты массива над кровлей плюма до критического значения xкр касательное напряжение на боковой поверхности массива достигает критической величины (предела прочности) τкр. Вследствие разрушения пород массива образуется канал излияния высотой xкр, по которому расплав из канала плюма прорывается на поверхность. Представлены оценки высоты канала излияния и времени подъема плюма до критического уровня xкр. Определен объем излившегося расплава для его кинематической вязкости v=0.5-2.0 м2/с. С использованием объема излияния получена зависимость глубины Ах, с которой расплав выносится на поверхность, от диаметра канала плюма для указанных значений v. В том случае, когда Ах больше 150 км, расплав из канала плюма может транспортировать алмазы на поверхность. Таким образом, плюмы промежуточной тепловой мощности являются алмазоносными. На основе лабораторного моделирования определена структура течения в области сопряжения канала плюма и канала излияния для алмазоносных плюмов. Сделаны фотографии картин течения и измерены профили скорости вдоль линий тока в основном цилиндрическом канале (канале плюма) и в области сопряжения основного канала с каналом истечения. Обнаружена застойная зона, находящаяся в области сопряжения стенки канала плюма и торца, моделирующего кровлю плюма. Течение расплава в канале прорыва проанализировано как турбулентное течение в прямом цилиндрическом канале диаметром dk Результаты экспериментального моделирования и теоретического анализа показывают, что сверхлитостатическое давление в канале плюма равно сумме напора, расходуемого на преодоление трения расплава о стенки канала излияния, и напора, расходуемого на увеличение динамического давления в нем. Получено соотношение, связывающее скорость течения расплава в канале излияния и сверхлитостатическое давление у кровли плюма. eng: We consider thermochemical mantle plumes with thermal power 1.6-1010 W10 W (relative thermal power 1.15кр from which magma erupts on the Earth's surface. The magmatic melt erupts from the plume conduit onto the surface through the eruption conduit The latter forms under the effect of super-lithostatic pressure on the plume roof. While the thickness of the block above the plume roof decreases to a critical value xкр, the shear stress on its cylindrical surface reaches a critical value (strength limit)τkp.Rock fails in the vicinity of the cylindrical block and, as a consequence, the eruption conduit is formed. We estimate the height of the eruption conduit and the time for the plume to ascent to the critical depth xкр. The volume of erupted melt is estimated for kinematic viscosity of melt v=0.5-2 м2/с. The depth Δx from which the melt is transported to the surface is determined. Using the eruption volume, we obtain a relationship between the depth Ax and the plume conduit diameter for the above-mentioned kinematic viscosities. In the case that the depth Ax is larger than 150 km, the melt from the plume conduit can transport diamonds to the Earth's surface. Thus, the plumes with an intermediate thermal power are diamondiferous. The melt flow structure at the plume conduit/eruption conduit interface is determined on the basis of the laboratory modeling data. The photographs of the simulated flow were obtained. The flow line velocities were measured in the main cylindrical conduit (plume conduit) and at the main conduit/eruption conduit interface. A stagnant area is detected in the 'conduit wall/plume roof' interface zone. The melt flow in the eruption conduit was analyzed as a turbulent flow in the straight cylindrical conduit with diameter dK. According to the experimental modeling and theoretical data, the superlithostatic pressure in the plume conduit is the sum of the frictional pressure drop and the increasing dynamic pressure in the eruption conduit. A relationship between the melt flow velocity in the eruption conduit and superlithostatic pressure has been derived.
Ключевые слова:	скорость течения; сверхлитостатическое давление; расплав; свободно-конвективные течения; тепловая мощность; Термохимический плюм; Eruption conduit; flow velocity; superlithostatic pressure; melt; free-convection flows; thermal power; Thermochemical plume; канал излияния;
Издано:	2019
Физ. характеристика:	с.247-263
Цитирование:	1. Atikinson E., Pryde R., 2006. Seismic Investigation of Selected Kimberlite Pipes in the Buffalo Head Hills Kimberlite Field, North-Central Alberta. Alberta Energy and Utilities Board, EUB/AGS Special Report 079, 5 p 2. Azhgirey G.D., 1956. Structural Geology. Moscow State University Publishing House, Moscow, 492 p. @@Ажгирей Г.Д. Структурная геология. М.: Изд-во МГУ, 1956. 492 с. 3. Chalapathi Rao N.V., Lehmann B., 2011. Kimberlites, flood basalts and mantle plumes: New insights from the Deccan Large Igneous Province. Earth-Science Reviews 107 (3-4), 315-324. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2011. 04.003 4. Davaille A., Limare A., Touitou F., Kumagai I., Vatteville J., 2011. Anatomy of a laminar starting thermal plume at high Prandtl number. Experiments in Fluids 50 (2), 285-300. https://doi.org/10.1007/s00348-010-0924-y 5. Dawson J.B., 1980. Kimberlites and Their Xenoliths. Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, 252 p. [Русский перевод: Доусон Дж. Кимберлиты и ксенолиты в них. М.: Мир, 1983. 300 с.] 6. Dobretsov N.L., Kirdyashkin A.A., Kirdyashkin A.G., Vernikovsky V.A., Gladkov I.N., 2008. Modelling of thermochemical plumes and implications for the origin of the Siberian traps. Lithos 100 (1-4), 66-92. https://doi.org/10.1016/ j.lithos.2007.06.025 7. Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г., Кирдяшкин А.А. Глубинная геодинамика. Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2001. 408 с 8. Fedortchouk Y., Matveev S., Carlson J.A., 2010. H2O and CO2 in kimberlitic fluid as recorded by diamonds and olivines in several Ekati Diamond Mine kimberlites, Northwest Territories, Canada. Earth and Planetary Science Letters 289 (3-4), 549-559. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2009.11.049 9. Field M., Stiefenhofer J., Robey J., Kurszlaukis S., 2008. Kimberlite-hosted diamond deposits of southern Africa: A review. Ore Geology Reviews 34 (1-2), 33-75. https://doi.org/10.1016Zj.oregeorev.2007.11.002 10. Gladkov I.N., Distanov V.E., Kirdyashkin A.A., Kirdyashkin A.G., 2012. Stability of a melt/solid interface with reference to a plume channel. Fluid Dynamics 47 (4), 433-447. https://doi.org/10.1134/S0015462812040023 11. Jaques A.L., 1998. Kimberlite and lamproite diamond pipes. AGSO Journal of Australian Geology and Geophysics 17 (4), 153-162 12. Jaupart C., Mareschal J.-C., 2007. Heat flow and thermal structure of the lithosphere. In: G. Schubert (Ed.), Treatise on geophysics. Vol. 6. Crust and lithosphere dynamics. Elsevier, Amsterdam, p. 217-251. https://doi.org/10.1016/ B978-044452748-6.00104-8 13. Jaupart C., Mareschal J.-C., 2014. Constraints on crustal heat production from heat flow data. In: H. Holland, K. Turekian (Eds.), Treatise on geochemistry (Second Edition). Vol. 4. The crust. Elsevier, Amsterdam, p. 53-73. https:// doi.org/10.1016/B978-0-08-095975-7.00302-8 14. Kaminski E., Jaupart C., 2003. Laminar starting plumes in high-Prandtl-number fluids. Journal of Fluid Mechanics 478, 287-298. https://doi.org/10.1017/S0022112002003233 15. Kennedy C.S., Kennedy G.C., 1976. The equilibrium boundary between graphite and diamond. Journal of Geophysical Research 81 (14), 2467-2470. https://doi.org/10.1029/JB081i014p02467 16. Kirdyashkin A.A., Dobretsov N.L., Kirdyashkin A.G., 2004. Thermochemical plumes. Geologiya i Geofizika (Russian Geology and Geophysics) 45 (9), 1005-1024 17. Kirdyashkin A.A., Dobretsov N.L., Kirdyashkin A.G., 2009. Heat transfer between a thermochemical plume channel and the surrounding mantle in the presence of horizontal mantle flow. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 45 (8), 684-700. https://doi.org/10.1134/S1069351309080084 18. Kirdyashkin A.A., Dobretsov N.L., Kirdyashkin A.G., Gladkov I.N., Surkov N.V., 2005. Hydrodynamic processes associated with plume rise and conditions for eruption conduit formation. Geologiya i Geofizika (Russian Geology and Geophysics) 46 (9), 869-885 19. Kirdyashkin A.A., Kirdyashkin A.G., 2016. On thermochemical mantle plumes with an intermediate thermal power that erupt on the Earth's surface. Geotectonics 50 (2), 209-222. https://doi.org/10.1134/S0016852116020059 20. Kirdyashkin A.A., Kirdyashkin A.G., Distanov V.E., Gladkov I.N., 2016. Geodynamic regimes of thermochemical mantle plumes. Russian Geology and Geophysics 57 (6), 858-867. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2016.05.003 21. Kirdyashkin A.G., Kirdyashkin A.A., 2018. Hydrodynamics and heat and mass transfer in mushroom-shaped heads of thermochemical plumes. Geodynamics & Tectonophysics 9 (1), 263-286 @@Кирдяшкин А.Г., Кирдяшкин А.А. Гидродинамика и тепломассообмен в грибообразной голове термохимического плюма // Геодинамика и тектонофизика. 2018. Т. 9. № 1. С. 263-286. https://doi.org/10.5800/GT-2018-9-1-0348 22. Kirdyashkin A.G., Kirdyashkin A.A., Gladkov I.N., Distanov V.E., 2012. Experimental modeling of the effect of relative thermal power on the shape of a plume conduit and the structure of free-convection flow in it. Russian Geology and Geophysics 53 (7) 689-697 https://doi.org/10.1016/j.rgg.2012.05.007 23. Kotelkin V.D., Lobkovskii L.I., 2011. Thermochemical theory of geodynamical evolution. Doklady Earth Sciences 438 (1), 622-626. https://doi.org/10.1134/S1028334X11050333 24. Kumagai I., Davaille A., Kurita K., 2007. On the fate of thermally buoyant mantle plumes at density interfaces. Earth and Planetary Science Letters 254 (1-2), 180-193. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2006.11.029 25. Lin S.-C., van Keken P.E., 2006. Dynamics of thermochemical plumes: 1. Plume formation and entrainment of a dense layer. Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 7 (2), Q02006. https://doi.org/10.1029/2005GC001071 26. Olson P., Singer H. 1985. Creeping plumes. Journal of Fluid Mechanics 158, 511-531. https://doi.org/10.1017/S002211 2085002749 27. Schlichting H., 1979. Boundary-Layer Theory. McGraw-Hill, 817 p 28. Torsvik T.H., Burke K., Steinberger B., Webb S.J., Ashwal L.D., 2010. Diamonds sampled by plumes from the core-mantle boundary. Nature 466 (7304), 352-355. https://doi.org/10.1038/nature09216 29. Trubitsyn V.P., Kharybin E.V., 2010. Thermochemical mantle plumes. Doklady Earth Sciences 435 (2), 1656-1658. https://doi.org/10.1134/S1028334X10120226 30. Vatteville J., van Keken P.E., Limare A., Davaille A., 2009. Starting laminar plumes: Comparison of laboratory and numerical modeling. Geochemistry, Geophysics, Geosystems 10 (12), Q12013. https://doi.org/10.1029/2009GC00 2739 31. Whitehead J.A., Luther D.S., 1975. Dynamics of laboratory diapir and plume models. Journal of Geophysical Research 80 (5), 705-717. https://doi.org/10.1029/JB080i005p00705 32. Yang T., Fu R., 2014. Thermochemical piles in the lowermost mantle and their evolution. Physics of the Earth and Planetary Interiors 236, 109-116. https://doi.org/10.1016Zj.pepi.2014.04.006 33. Zhong S., 2006. Constraints on thermochemical convection of the mantle from plume heat flux, plume excess temperature, and upper mantle temperature. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 111 (B4), B04409. https:// doi.org/10.1029/2005JB003972