Экспериментальное изучение вязкости расплавов магматических пород кислого и среднего составов при Т, Р параметрах земной коры

Бухтияров, Павел Гаврилович

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Экспериментальное изучение вязкости расплавов магматических пород кислого и среднего составов при Т, Р параметрах земной коры
ВАК РФ 04.00.08, Петрография, вулканология

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальное изучение вязкости расплавов магматических пород кислого и среднего составов при Т, Р параметрах земной коры"

^ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСГВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА , ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ, КАФЕДРА ПЕТРОЛОГИИ

На правах рукописи

БУХТИЯРОВ Павел Гаврилович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ВЯЗКОСТИ РАСПЛАВОВ МАГМАТИЧЕСКИХ ПОРОД КИСЛОГО И СРЕДНЕГО СОСТАВОВ ПРИ Т. Р ПАРАМЕТРАХ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Специальность 04.00.08 - петрография и вулканология

Автореферат д иссертации иа соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Черноголовка 1998

Работа выполнена в Институте экспериментальной минералогии РАН (ИЭМ РАН)

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук Э. С. Персиков

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук АА.Кадик (ГЕОХИ РАН ) кандидат геолого-минералогических наук Е.В.Коптев Дворников

(МГУ)

на заседании диссертационнного совета К. 053.03.08. по петрографии , геохимии и геохимическим методам поисков месторождений полезных ископаемых геологического факультета Московского государственного университета. Адрес: 119899, Москва, Ленинские горы , МГУ, геологический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ (зона « А» , 6 этаж).

Автореферат разослан « ш » 1998 г.

Ученый секретарь

Ведущее предприятие:

Институт геологии рудных месторожденийдшрографии минералогии и геохимии РАН

диссертационного совета

старший научный сотрудник

А. М. Батанова '

® Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

ВВЕДЕНИЕ.

Вязкость расплавов является одним из важнейших физико-химических свойств, которое существенно влияет на массо- и теплоперенос в магматических системах и связанные с ними диффузию, конвекцию, электропроводимость, кристаллизацию и другие процессы. Вязкость магматических расплавов изменяется в широких пределах в зависимости от состава ( ~ 9 порядков ) и при сравнительно небольших изменениях температуры изменяется на несколько порядков. Большой диапазон изменения вязкости всегда привлекал исследователей, стремившихся использовать ее для получения сведений о структуре расплавов.

Огромное разнообразие по составу петрогенных и летучих компонентов, гетерофазность, широкий спектр температур и давлений являются главными особенностями существования магматических расплавов в природе. Очевидно, что охватить экспериментальными исследованиями все это многообразие совершенно не реально. При этом, строгая теория вязкости сложных многокомпонентных магматических систем еще не разработана, а существующие эмпирические методы расчета вязкости таких систем имеют точность, существенно меньшую, по сравнению с точностью экспериментальных данных.

Представленная работа посвящена экспериментальному исследованию вязкости магматических и модельных расплавов кислого и среднего состава в присутствии основных компонентов магматического флюида (вода, хлор, водород) при высоких давлениях и температурах, соответствующих расплавленному состоянию этих систем. Большой вклад в экспериментальные исследования вязкости магматических расплавов внесли Н.Боуэн, М.П.Воларович, Н.И.Хитаров, Е.Б.Лебедев, Э.С.Персиков, Г.Шоу, Д.Каррон, Т.Мураси, Ю.Куширо, Б.Миссен и др., благодаря чьим исследованиям в этой области был достигнут значительный прогресс.

Цель работы состояла в изучении реологического поведения магматических расплавов кислого и среднего составов в зависимости от состава, температуры и давления (общего и флюидного), соответствующих природным магматическим процессам.

Задачи работы:

1. Разработка высокоточной аппаратуры и методик для изучения вязкости магматических расплавов "in situ" при высоких давлениях (до 10 кб) и температурах (до 1500°С).

2. Экспериментальное исследование вязкости магматических расплавов среднего и кислого составов в присутствии различных флюидов. Определение зависимости их вязкости от состава, температуры, общего и флюидного давления.

3. Экспериментальное определение влияния кристаллической фазы и пузырей на вязкость расплавов.

Актуальность работы определяется отсутствием достаточно полных данных о влиянии состава, температуры, давления летучих компонентов, соотношения кристаллической и жидкой фазы в расплаве на их вязкость, необходимые для построения динамических моделей образования магматических расплавов и их эволюции при движении к поверхности Земли.

Научная новизна работы состоит в получении наиболее полных данных по вязкости расплавов кислого и среднего составов (гранит, андезит) под

давлением различных флюидов (Н2О, H2O+HCI, НгО+NaCl, Аг, Нг) и в выявлении общих закономерностей реологии таких магм:

- Разработаны наиболее совершенные в настоящее время аппаратура и методики измерения вязкости магматических расплавов "in situ" при высоких температурах (до 1500 °С ) и давлениях (до 10 кбар) в присутствии флюида ,е том числе и сложного состава;

Впервые получены данные по вязкости гранитоидных раплавов при высоких давлениях (до 7 кбар ) и в присутствии флюида сложного состава (ШО+НС1, НгО+NaCl);

- Впервые получены данные по вязкости альбитового и андезитовогс расплавов под давлением водорода;

- Установлено существенное снижение вязкости "сухих" и водосодер-жащих расплавов гранита и андезита при общем давлении, большем парциального давления флюида в расплаве;

- Показано (на модельной системе ) существенное возрастание вязкости жидкости в присутствии кристаллической фазы и незначительное изменение от объемной доли пузырей.

Практическая ценность. Полученные экспериментальные данные i следующие из них выводы могут быть использованы в практической деятельности геологов и вулканологов при расчетах массообменны? процессов и динамики магматизма и вулканизма. Аппаратурно-методическш разработки могут быть использованы в лабораториях заинтересованны? организаций.

Основные защищаемые положения 1.Разработанные при непосредственном участии автора , аппаратура I методики позволяют измерять с высокой точностью вязкость магматически; расплавов "in situ" при высоких давлениях и температурах в присутспзш флюидов различного состава и оценивать влияние кристаллической фазы i пузырей на эффективную вязкость модельных гетерогенных жидкостей.

2. В результате проведенных экспериментов впервые получены значени вязкости и энергии активации вязкого течения расплавов пород кислого среднего составов при высоких температурах и давлениях различных п составу флюидов ( Н2О; Н2О + НС1; Н2О + NaCl; Н2; Аг ) в диапазоне Т, Р параметров земной коры.

Показано, что степень влияния компонентов флюида на реологически параметры магматических расплавов в ряду кислые-средние зависит первую очередь от их химической активности, а во вторую - о растворимости компонентов флюида в расплаве.

Для модельных и магматичяеских расплавов, не содержащих элементь переменной валентности (Fe, Ni и др.) эта степень влияния выражаете следующим понижающемся рядом: ОН" , Н2О, С1, Нг, Аг; а для магм элементами переменно^ валентности этот ряд будет иным : ОН", Н2, Нг' (физически растворение), С1, Аг.

3. Вязкость расплавов кислого и среднего составов значительн уменьшаются с увеличением температуры и давления по экспоненциальном закону. Характерно,что значения производных dT| / dT и dr] / d уменьшается с ростом основности расплавов. Определяющее влияние н реологические параметры магматических расплавов в ряду кислые-средни оказывает давление (концентрация) НгО.

4. На основе модельных опытов показано,что вязкость субликвидусных (гетерогенных) магматических расплавов будет значительно увеличиваться с ростом концентрации в расплаве кристаллов ( до 45 об. %) и будет слабо зависеть от концентрации пузырей флюидной фазы (до 20 об.%). При концентрации кристаллической фазы > 45 об.% реологическое поведение таких расплавов кардинально изменяется: возникает предел текучести , а ньютоновский режим течения сменяется на бингамовский.

Работа состоит из введения , четырех глав и заключения, изложена на 108 страницах машинописного текста , сопровождаемых 24 рисунками, 6 таблицами и списком литературы из 102 наименований. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ. Основные положения работы докладывались на ежегодных семинарах экспериментаторов ( Москва, 1984, 1985, 1988 ); Всесоюзном симпозиуме "Современная техника и методы экспериментальной минералогии" Черноголовка , 1982 ; 1УВсесоюзном симпозиуме "Кинетика и динамика геохимических процессов" Киев , 1983 ; VI Всесоюзном вулканологическом совщании "Вулканизм и связанные с ними процессы" , Петропавловск-Камчатский , 1985; Первом Советско-Японском симпозиуме по фазовым превращениям при высоких давлениях и температурах , Листвянка на Байкале ,1985 ; XI Всесоюзное совещание по экспериментальной минералогии , Черноголовка , 1986; XI Международной конференции МАРИВД, Киев , 1987; 12 AIRAPT и 27 EHPRG Международной конференции « Высокие давления в науке и технологии», Падеборн , Германия, 1989; XIX EHPRG ежегодном научном совещании, Салоники, Греция, 1991 и др.

Работа выполнена в лаборатории Института экспериментальной минералогии РАН в течение 1980 - 1992 гг. под руководством доктора геолого-минералогических наук Э.С.Персикова, которому автор выражает глубокую признательность за постоянный интерес и помощь в работе. В повседневной работе автору помогал весь коллектив лаборатории. Химические анализы были выполнены в химической лаборатории института (рук. В.И.Тихомирова, аналитики Десятова Т.А., Кошемчук С.К.) . Микрозондовые анализы выполнены при участи Воронова B.C., Ван К.

Всем названным лицам, а также другим сотрудникам Института экспериментальной минералогии РАН, способствующим выполнению данной работы , автор приносит искреннею благодарность.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе рассмотрены теоретические аспекты вязкости, приведен обзор экспериментальных работ , посвященных исследованию температурной и барической зависимостей вязкости магматических расплавов кислого и среднего составов. Из обзора литературы выделился круг вопросов требующих дальнейшего изучения :

-Разработка высокоточной аппаратуры и методик для изучения вязкости магматических расплавов "in situ" при высоких давлениях (до 10 кб) и температурах (до 1500°С).

-Определение зависимости их вязкости от состава, температуры, общего и флюидного давления.

-Экспериментальное определение влияния кристаллической фазы и пузырей на вязкость расплавов.

Исследованию этих вопросов и посвящена приводимая в следующих главах экспериментальная работа.

Глава 2. ТЕХНИКА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Экспериментальные исследования проводились на радиационном вискозиметре высокого газового давления и ротационном вискозиметре.

Схема радиационного вискозиметра представлена на рис. 1. Установка состоит из следующих основных элементов : корпуса вискозиметра;

системы компримирования газа; системы внутреннего нагрева, измерения и регулирования температуры; системы измерения и регистрации интенсивности у - излучения. Давление газа измерялось трубчатыми манометрами с относительной ошибкой ±1%. Температура регулировалась высокоточными регуляторами температуры ВРТ-3 с погрешностью +3°С.Безградиентная зона контролировалась тремя вольфрам - рениевыми термопарами. Измерение вязкости проводилось методом падающего шарика с использованием платиновых шариков, начиненных радиоактивным изотопом Со 60 с активностью ~ 100 цкю.

Рис. 1. Схема радиационного вискозиметра высокого газового давления. 1 - корпус; 2 - нагреватель; 3 - шарик, начиненный изотопом Со; 4 - реактор с уравнителем-разделителем газ-флюид; 5 - манометры; 6 - вентили; 7 - мультипликатор; 8 -компрессор - разделитель масло - газ; 9 - демультипликатор; 10 - перекидной масляный вентиль; 11-масляный насос высокого давления; 12 - масляный бачок; 13 - газовый баллон; 14 - спектрометрический сцинтилляционный детектор у - излучения; 15 -радиометрическая стойка; 16 - электронный самописец; 17 -цифропечатающее устройство; 18 - пульт измерения и автоматического регулирования температуры.

Вязкость расплава расчитывали по формуле Стокса с учетом краевых эффектов:

Л = 2ёг2(Р2 Р-2,104^2.09(1)*-0,95(^ ], где

9 У(1 + 3,3 и и и

V - скорость равномерного падения шарика радиусом г; ^ рг и р1 - плотность шарика и жидкости, соотвественно;

g - ускорение силы тяжести; Ь - высота цилиндра с жидкостью.

Диаметр шариков 1,3 и 2 мм , плотностью ~ 19 гр / см3. Плотность расплава расчитывали исходя из плотности закаленных стекол с учетом Т , Р параметров. Плотность стекол определяли на термоградиентном плотномере. Плотность шариков считали постоянной , так как влияние Т и Р взаимно компенсируют друг друга.

Скорость падения шарика в расплаве определяли по времени прохождения определенного расстояния между коллиматорами, которое устанавливали по калибровочной кривой. Для измерения вязкости предварительно наплавляли штабик стекла ("сухого" или с определеным содержанием флюида). Снаряжали реакционную ампулу, которая помещалась в реактор уравнителя-разделителя, котррый создавал неоходимое давление флюида. Уравнитель-разделитель вставлялся в печь таким образом, чтобы ампула с расплавом располагалась в безградиентной зоне нагревателя, симметричной относительно оси поворота корпуса вискозиметра. Затем создавали определенные Т и Р и проводили измерения.

Изучение реологических свойств модельных гетерогеных жидкостей (жидкость + кристаллы, жидкость + пузыри газовой фазы) при атмосферном давлении и комнатной температуре, как моделей субликвидусных расплавов, проводили на ротационный вискозиметре с коаксиальными цилиндрами, схема которого приведена на рис.2. Вискозиметр состоит из внутреннего и

Рис. 2. Схема ротационного вискозиметра. 1 - внутренний цилиндр; 2 - внешний цилиндр; 3 - динамометр; 4 - коробка передач; 5 - электромотор; 6 - диск с отверстиями фотоэлектронного датчика;

7 - электронный частотомер;

8 -элекронный усилитель.

внешнего цилиндров, электропривода с коробкой передач, динамометра и системы регистрации скорости вращения. Расчет вязкости производится по следующей формуле:

Л =

со

4жЬ

где

М - крутящий момент , гр х см; а- угловая скорость , сек -1;

11н и Яв - радиусы наружного и внутреннего цилиндров, соответственно ,см;

Ь - высота слоя жидкости в зазоре между цилиндрами , см.

Химический состав образцов определяли с помощью рентгеновского микроанализатора типа "СатеЬах". Валовую концентрацию воды и водорода растворенных в расплавах разного состава при высоких давлениях

Таблица 1

Химический состав образцов магматических пород, мас.%

Образец 8Ю2 А12Оз ТЮ2 БеО Ре2Оз Ыа20 к2о МяО СаО С1 Р205 н2о I

Гранит 73,23 13,60 0,19 0,48 2,56 3,78 4,11 0,17 1,69 - 0,13 - 99,94

Гранит+Н20 71,49 13,26 0,18 0,58 2,54 3,78 4,11 0,17 1,64 - 0,13 2,1 99,98

Гранит+ШО 69,22 12,84 0,18 0,56 2,46 3,66 3,98 0,17 1,59 - 0,13 5,2 99,99

Гранит+НзО 64,22 11,93 0,17 0,42 2,24 3,32 3,60 0,15 1,48 - 0,11 12,3 99,94

Гранит+Н20+1 МНС1 70,49 13,56 0,17 0,17 1,81 3,18 3,51 0,19 1,42 0,14 0,12 5,2 99,93

Гранит + Н20+ 0,2 М НС1 72,96 14,03 0,17 0,17 1,87 3,29 3,63 0,20 1,47 - 0,12 2,1 100,01

Андезит 58,56 18,98 0,64 3,90 3,95 3,24 0,92 3,48 6,17 - - - 99,84

Андезит+Ш 58,43 18,94 0,63 6,34 1,82 3,23 0,92 3,47 6,16 - - 0,72 100,10

Андезит + Н20 57,88 18,76 0,63 6,28 1,80 3,21 0,81 3,44 6,11 - - 1,00 99,85

Андезит + Н20 55,92 18,14 0,62 6,00 1,72 3,08 0,90 3,30 5,86 - - 4,60 100,14

Химический состав флюида Таблица 2

Флюид Компоненты фшоида, мг/л

Ре Ка20 к2о С1

После опыта по плавлению в 1 М НС1 0,63 1,89 1,37 34,8 х 10

После измерения вязкости 0,21 1,14 1,01 36,16 х 10

-путем термической дегидратации стекол, с помощью газохроматографичесгого анализатора типа CHN - 1. Анализы флюида проводили химическим методом. Результаты анализов представлены в табл.1.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ВЯЗКОСТИ РАСПЛАВОВ МАГМАТИЧЕСКИХ ПОРОД КИСЛОГО И СРЕДНЕГО СОСТАВОВ И МОДЕЛЬНЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙ. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ

ОБСУЖДЕНИЕ.

Для количественных расчетов и анализа динамики и кинетики магматогенных явлений, таких как зарождение, эволюция и становление магм в различных фациальных условиях земной коры, настоятельно требовались систематические исследования концентрационной, температурной и барической зависимостей вязкости флюидно-магматических систем разного состава.

Такого рода исследования в широком диапазоне термодинамических параметров осуществлены с помощью радиационного вискозиметра высокого газового давления. С высокой точностью (±10%) в интервале температур 850 - 1350°С и давлений флюида до 700 МПа изучены температурная, концентрационная и барическая зависимости вязкости следующих систем: гранит + Н20; гранит + Н20 + HCl, гранит + Н20 + NaCl; андезит + Н20, андезит + Н2; альбит + Нг; альбит + Ar.

Система гранит + Н-Ю. Температурная зависимость вязкости системы гранит - вода представлена на рис.3. Как видно, в пределах точности экспериментов, температурная зависимость вязкости является экспоненциальной, независимо от состава расплавов и хорошо описывется уравнением Аррениуса-Френкеля-Эйринга Л - "По exp(E/RT), где: г] - вязкость расплава; Т - температура ,по шкале Кельвина;

R = 1,987 кал / моль хград - универсальная газовая постоянная; По - предэкспоненциальная константа, характеризующая вязкость жидкости при Т —► оо , теоретическое значение которой я 10'3 пуаз. Е - энергия активации вязкого течения , характеризующая величину энергетического барьера, преодолеваемого движущейся в процессе вязкого течения структурной единицей расплава, кал / моль. Независимо от состава расплава и давления изоконцентраты температурной зависимости вязкости в пределах экспериментальной погрешности сходятся на оси ординат при значении lg rjo = -3,5 . Постоянство предэкспонциального множителя позволяет получить сопоставимые с высокой точностью значения энергий активации вязкого течения - важнейшей реологической и структурно-химической характеристики расплавов, которая определяется по тангенсу угла наклона изоконцентрат температурной зависимости вязкости. Существенно также то, что в экспериментально изученном диапазоне, энергия активации не зависит от температуры.

Математическая апроксимация функциональных зависимостей энергии активации вязкого течения от содержания воды и от давления и совместное решение этих уравнений с уравнением температурной зависимостью вязкости позволили получить аналитические уравнения концентрационной

lgTl =

3348 e

-0,69 N

+ 3769 e

-0,07 N

hfl

8324

- 3,5

и барической зависимостей вязкости системы гранит - вода , -0,05 Р

lg Л= "

5205 е '

ню + 2288. -°'°03РНгО +8258 ^

в широком диаппазоне термодинамических параметров.

Концентрационная зависимость вязкости системы гранит - вода представлена на рис. 4 . Как видно, диапазон изменения вязкости гранитных расплавов чрезвычайно велик: от т| и 108 П для «сухого» гранитного расплава при атмосферном давлении и температуре ликивидуса (1050°С) до т} и 30 П Т = 1300°С и равновесном давлении воды РнгО = 700 МП а.

р-О)

"1-'-г

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

10000/Т

Рис.3. Температурная зависимость вязкости гранитоидных расплавов при различных давлениях воды.

1 -Рн2О=50МПа;

2 - Рнго = 200 МПа;

3 - Рн20 =700 МПа.

\ * -1

\\ " -2

и\\ * -3

Кч -4

900'с

юоо'с

им'с

1200'с

ноо'с "

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Н,0 , моль %

Рис. 4 . Концентрационная зависимость вязкости системы гранит - вода. I - 3 - изотермы 900, 100и1100°С, соответственно; 4 - расчетные значения.

Приведенные результаты показывают, что водосодержащие гранитные •расплавы представляют собой весьма, подвижные жидкости, вязкость которых в широком интервале температур и давлений воды соизмерима с вязкостью «сухих» основных расплавов .

Система гранит + H;Q + HCl, гранит + НлО + NaCl. В природе магматические расплавы взаимодействуют с флюидами сложного состава. В число важнейших добавочных компонентов входят СО2, Cl, F и учет возможного влияния этих компонентов ( их соединений) на реологические свойства магмы важен для оценки изменения ее текучести по мере изменения флюидного режима в ходе эволюции магматических расплавов. Известно, что на заключительных стадиях формирования гранитных тел содержание хлор-иона во флюидной фазе значительно повышается. Этот этап связан с формированием рудогенерирующих и транспортирующих рудные элементы флюидов. Для оценки подвижности флюидно- магматической системы

5.0

6.0 — 7.0 ----

104Л"(Т-°К)

6.0

7.0 д 8.0 9.0 10 /Т(Т-К)

10.0

8.0

а) б)

Рис. 5. Температурная зависимость вязкости гранитного расплава,взаимодействующего с водно-хлоридным флюидом.

а) 1 - система граниг+0,2М HCl, Рфл=Роб=50 МПа, Nh20=2,1 мас.% ; 2 - система

гранит + 0,2 М HCl, Роб=400МПа, Nh2o=2,1 мас.% ;3 - система гранит+ШО.РнгО =

50 МПа, Nk*) =2,1 мае % .

б) 1 - система гранит +0.2М HCl, Рфл=Р общ=200 МПа, Nh20=5,6 мае %;

2 - система грашгг+0,2М NaCl, Рфл =Р общ=400МПа, N^20=8,7 мае % ;

3 - система гранит +1 М HCl, Рфл=200 МПа, N»20=5,2 мас.%;

4 - система гранит+0,2М НС1,Рфл=Робщ=400Мпа,Мн2О=8,9 мас%;

5 - система грашгг+НгО, Рфл=Робщ=200 МПа, Nh20=5,6 мас% .

в целом надо знать и вязкость гомогенного расплава, сосуществующего с флюидом сложного состава.

Экспериментальное исследование вязкости гранитного расплава, находящегося под давлением флюида НгО + HCl + NaCl проведено в диапазоне термодинамических параметров: Т = 900 - 1250°С ;Рфл< Робщ = 50 - 400 МПа и составах флюида 1 М HCl, 0,2М HCl, 0,2М NaCl. Одномолярный раствор с мольной долей хлора в растворе Xci = 0,0187 был выбран с учетом величины средней мольной доли хлоридов Xci = 0,015 -0,03 во флюидах кислых магматических пород. Соответственно, водные растворы 0,2М HCl и 0,2М NaCl (Xci = 0,0036) использовали для выяснения влияния на вязкость водно-гранитных расплавов концентрации С1 во флюиде, а также сравнительной оценки влияния кислотных и солевых добавок в водный флюид на вязкость системы. Химические составы использованных образцов гранитов приведены в табл. 1. Растворимость С1 в гранитном расплаве при Рфл = 200 МПа (IM HCl) мала и составляет 0,1 мас.%. При меньших концентрациях С1 во флюиде (0,2М растворы HCl и NaCl) в исследованном диапазоне давлений содержание хлора в закаленных стеклах было на уровне чувствительности рентгеновского микроанализатора. В процессе взаимодействия расплава с водно-хлоридным флюидом в последний переходят существенные количества преимущественно Fe и щелочей, (табл. 2)

Полученные экспериментальные данные по вязкости указанных расплавов, представлены на рис.5. Эти результаты однозначно показывают,

что независимо от состава температурная зависимость вязкости всех изученных расплавов является экспоненциальной.

Вязкость и энергия активации вязкого течения гранитного расплава/ взаимодействующего с водно-хлоридным флюидом значительно возрастают по сравнению с чисто водным флюидом, при сопоставимых параметрах. Это влияние уменьшается с ростом давления и не зависит от способа введения хлора в расплав (кислота или соль).

В целом вся совокупность приведенных данных показывает, что существенное увеличение вязкости и энергий активации водно-гранитных расплавов при добавлении в систему хлора связано с соответствующим увеличением степени полимеризации расплава за счет подкисления системы. Однако, это происходит не в результате вхождения хлора в структуру расплава, так как растворимость хлора в расплаве крайне низка ( 2 х 10"2 масс %) , а вследствие экстракции из расплава во флюид щелочей и железа, т.е. в результате дебазификации.

Таким образом , при количественных расчетах динамики подъема магмы, процессов тепло-массопереноса в ней можно достаточно обосновано пренебречь влиянием растворенных в магме хлоридов, а учитывать лишь ее валовый состав по петрогенным компонентам и содержанию воды.

Исследование вязкости кислых расплавов с летучими компонентами и их теоретическое обобщение позволили заключить , что решающее воздействие на текучесть магм оказывает растворенная в расплаве вода, а псевдобинарная система гранит - вода может с хорошей степенью приближения моделировать реологическое поведение гранитоидных расплавов во всем диапазоне глубин земной коры.

Водосодержащие гранитоидные магмы являются высокоподвижными жидкостями в широком диапазоне термодинамических параметров, в том числе при Т, Р, N jj2q параметрах их ликвидуса, и этим объясняется в частности, однородность огромных массивов гранитоидов батолитовой формации. Напротив, теряя воду при дегазации в условиях эффузивной и субвулканической фаций глубинности земной коры, гранитоидные магмы по существу теряют способность к перемещению и излиянию на дневную поверхность, их становление и кристаллизация осуществляется в плутонической фации, с чем, вероятнее всего, связано существенно большее распространение гранитов по сравнению с риолитами.

Вязкость андезитовых расплавов. На рис.6 и 7 представлены температурная и барическая зависимости вязкости расплава андезита вулкана Авача. Температурная зависимость вязкости в пределах оговоренной погрешности экспериментальных данных, апроксимируется простым экспоненциальным уравнением Аррениуса-Френкеля:

т\ = rio exp(E/RT)

Согласно экспериментальным данным, определяющее влияние на реологические свойства андезитовых расплавов оказывает давление и соответственно концентрация воды в расплаве. Так, для андезита в.Авача при Т = 1200°С давление нейтрального газа Рдг = 400 МПа уменьшает вязкость расплава приблизительное в 1,6 раза, тогда как под давлением воды РН20 = 200 МПа и концентрации воды в расплаве NH2O = 4,6 мас.% вязкость андезитового расплава уменьшается почти в 20 раз. В меньшей

я §

о с0

1.1 I I I I

а з.о-

6.0 „ 7.0

10 /т, к

Рис. 6. Температурная зависимость вязкости андезитового расплава вулкана Авача. 1 - Робщ = 0,1 МПа, Рфл = 0; 2 - Робщ = 400МПа, Рфл = 0; 3 • Робщ = РН2 '= 200 МПа; 4 - Робщ = Рн20 = 25 МПа; 5 - Р0бщ = 300 МПа, РНгО = 25МПа; 6 - Робщ = РНгО = 200 МПа

300 300

Р.(.,МПа

Рис. 7 . Барическая зависимость вязкости расплава андезита вулкана Авача при температуре 1200 °С.

1 - "сухой" андезитовый расплав;

2 - N Н20 = 1,0 мас%; 3 - N НгО = 4,6 мас%; 4 - РНг = 200МПа, N НгО =0,72 мас%.

степени уменьшается вязкость недосыщенных водой андезитовых расплавов с ростом общего (литостатического) давления. Вязкость и энергия активации вязкого течения исходного сухого андезитового расплава снижается существенно и под давлением водорода Однако это обусловленно главным

образом водой, образующейся в расплаве за счет окислительно-восстановительных реакций при растворении водорода и обнаруженной в образце после проведения экспериментов.' Для подтверждения такого

заключения было изучено влияние давления водорода на расплав, не содержащий ионов металлов переменной валентности (расплав альбита). Результаты этих опытов представлены на рис.8. Как видно, в пределах ошибки эксперимента, вязкость альбита под давлением водорода в 400 МПа соизмерима с вязкостью альбита под давлением

аргона при том же давлении, т.е. эффект водорода на вязкость расплава, не содержащего катионов переменной валентности,

заключение. В целом, полученные свойствам андезитовых

7.0

1-'-Г

6.0 4 6.5 10/Т X

Рис. 8 .Температурная зависимость вязкости расплавов альбита.

1 - альбит под давлением водорода;

2 - альбит под давлением аргона.

отсутствует, что подтверждает наше экспериментальные данные по реологическим расплавов свидетельствуют, что во всем диапазоне глубин земной коры и

верхней мантии, где, по геологическим и геофизическим данным, возможн существование андезитовых магм, эти расплавы будут обладать высоко текучестью, соизмеримой с текучестью базальтовых магм.

Вязкость гетерогенных модельных систем. Экспериментальное изучени реологических свойств субликвидусных гетерогенных ( жидкость + кристал +. газ) магматических расплавов - наиболее актуальная проблем

магматической реологии, так как именно такое состояние являете

да

40-

30-

20 -

10 -

50 I I и I | I 1 п 11 I I 111 11 I 11 I I I | п I II естественным

магматических расплавов эффузивной и субвулканически фациях глубинности земно! коры и , вероятно , на болыни глубинах.

Нами была предпринят попытка изучения влияни кристаллической и газовой фазь на эффективную вязкост жидкости, моделирующе'

субликвидусные расплавы Результаты измерений вязкост системы жидкость + кристш, при комнатной температуре ( 2 ° С ) и атмосферном давлени приведены на рис. 9. Анали этих данных показывает, чт эффективная вязкость смес значительно повышается увеличением объемной доли (ср кристаллической фазы . Пр концентрации кристаллическо' фазы <р < 0,1 характер зависимост г)зф = Д ф ) хорош аппроксимируется теоретическим уравнением А.Эйнштейна:

Л э = Ч ж (• + 2,5 Ф), где Ф - объемная доля твердой фазы; г] э , т| ж - соответственно, эффективна вязкость смеси и вязкость жидкой фазы.

При болеее высоких концентрациях твердой фазы (0,1 < ф < 0,35 ) эт зависимость хорошо описывается эмпирическим уравнением Р.Росю (штриховая линия на рис. 9):

Л э = п ж (1 - Ф) -2>5 Однако при ф > 0,35 влияние кристаллической фазы на зффективнув вязость смеси существенно больше. Ньютоновский режим течения , т.е независитмость эффективной взкости жидкости от приложенных напряжени! и градиента скорости сдвига наблюдается при концентрация кристаллической фазы до ~ 45 об % (штрих-пунктирная линия на рис . 9 ).

При дальнейшем росте ее концентраций начинается аномальное течение Режим течения соответствует в этом случае бингамовскому с пределок текучести т0 = 2190 дин / см 2-

■ I I ■ I 11 I I 11 ■ I ■ I

30 40 50 60 Укр.об %

Рис. 9 . Зависимость вязкости модельной системы жидкость + кристалл от объемной доли кристаллической фазы.

1 - т)ж = 38 П , размер кристаллов 0,2-0,4 мм;

2 - Т)Ж = 6,8 П , размер кристаллов 0,2-0,4 мм;

3 - Т|Ж = 6,8 П , размер кристаллов 0,16-0,2 мм;

4 - погрешность измерения объемного содержания кристаллов.

Глава IV . ОБОБЩЕННЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕМПЕРАТУРНОЙ , КОНЦЕНТРАЦИОННОЙ И БАРИЧЕСКОЙ ЗАВИСИМОСТЕЙ ВЯЗКОСТИ МАГМАТИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ КИСЛОГО И СРЕДНЕГО

СОСТАВОВ

Температурная зависимость вязкости. Полученные результаты экспериментальных исследований вязкости расплавов во всех изученных системах свидетельствует , что температурная зависимость вязкости (рис.10) всех этих расплавов хорошо описывается известным экспоненциальным

уравнением Аррениуса-Френкеля-Эйринга:

Л = п0ехр(Е/ЯТ) Необходимо отметить, что энергия активации вязкого течения является важнейшей реологической и,

соответственно, структурной характеристикой расплава, численное значение которой определяется по наклону экспериментальной прямой температурной зависимости вязкости в координатах

Экспериментальные данные свидетельствует, что энергия активации вязкого течения в изученном диаппазоне составов по петрогенным и летучим компонентам не зависит от температуры и закономерно с ростом

2 4 6 8 104/ Т(Т-'К)

Рис. 10. Температурная зависимость вязкости некоторых изученных систем.

1 - 3 - система гранит - вода , Р НЮ =Р общ = 50 , уменьшается

200, 700 МПа,соответственно; 4 - 5 - система гранит ОСНОВНОСТИ расплава, общего

+ НгО + НС1, Р н2о = Робщ =50 МПа и Рн2о =50 , (литостатического) и водного

Р общ = 400 МПа , соответственно; 6 - 10 - система давлений , ЧТО является

андезит - вода, 6-Робщ = 0,1 МПа, РНгО = 0; 7 - Робщ = 400 МПа , Р НгО = 0; 8 - Р 0бщ = Р НгО = 25 доказательством МПа; 9 - Р общ = 300 МПа , Р НгО = 25 МПа; Ю - Р общ = Р НгО = 200 МПа.

прямым экспериментальным соответствующего изменения структуры расплава,

связанного с его деполимеризацией .

Зависимость вязкости расплавов от давления. Давление, является важнейшим термодинамическим параметром магматических систем, и, исключая эффузивную фацию глубинности, высокие давления являются характерной особенностью существования магматических расплавов в недрах.

Если для простых по составу молекулярных жидкостей влияние высокого давления сводится главным образом к изменению свободного объема жидкости, то применительно к магматическим расплавам это влияние более многообразно. Под влиянием высоких давлений могут изменяться

5 3

.... -1 — «-2 — »-S — -4

эвтектические и котектические соотношения, фазовые состояния систем] структура расплава, а следовательно, и реологические характеристики магм Барическая зависимость энергии активации вязкого течения изученнь систем представлена на рис. 11. Энергия активации вязкого течеш (соответственно вязкость) значительно снижаются под действием водим давления в ряду гранит - андезит и незначительно снижаются под влияние общего давления. Характерно, что абсолютные значения производных с1ЕМ уменьшаются с ростом основности расплавов.

Такое уменьшение энерги активации вязкого течеш (соответственно вязкости алюмосиликатных ма]

матических расплавов ростом давления являете аномальным. Природа это аномалии остаетс

дисскуссионной. Наиболе вероятным механизмо* способным объяснить эт аномалию, являете

структурный переход расплавах четырех

координированного алю миния (А1^) в шестерну1 координацию по кислороду т.е. переход А1 из позицш катиона-модификатора, чте степени деполимеризацш

Давление ,МПа

Рис. 11. Барическая зависимость энергии активации вязкого течения.

1 - система гранит -вода; 2 - система гранит+НгО + НС1; 3 -система андезит - вода; сплошной линией показан о изменение общего давления

катиона-сеткообразователя в позицию естественно сопровождается увеличением расплавов. Эта идея, достаточно давно предложенная Ваффом ( 1975 ), i настоящее время подтверждается экспериментально. Так , исследованш структуры стекол альбитового и жадеитового составов, полученны? закалкой расплавов при Р до 100 Кбар с помощью ЯМР-спектроскопии позволили непосредственно установить наличие четырех и пяти-координированных катионов А1 в них (Охтани 1985 ,Стеббинс1990 и др.).

В целом же необходимы прямые исследования структуры алюмосиликатных и магматических расплавов при высоких Т и Р в опытах «in situ» для однозначного понимания механизма аномальной зависимости л и Б таких расплавов от давления.

Концентрационная зависимость вязкости и энергии активации вязкого течения представлена на рис. 12. в виде зависимости энергия активации вязкого течения - состав расплава. Согласно теории регулярных растворов прямолинейные зависимости Е-состав характеризуют растворение НгО в расплавах без химического взаимодействия (физический механизм растворения - молекулярная НгО). На рис.12 это показано с помощью штрих-пунктирных прямых. Растворение НгО, сопровождаемое химическим взаимодействием с образованием новых соединений, отображается различными кривыми, в том числе с минимумами. Из анализа диаграммы следует, что в изученном диапазоне основности магм кислые-средние, вода растворяется в них по двум механизмам:

1. Химическое растворение (гидроксил ОН").

2. Физическое растворение (молекулярная Н2О).

При этом отношение ОН_/НгО зависит от основности расплавов и валовой концентрации воды в них.

В соответствии с принципами кислотно-основного взаимодействия и максимальной полярности химических связей, вода, растворяющиеся в расплавах в ряду кислые-средние, будет основанием по отношению к ним, т.е. является донором свободного кислорода , и ее растворение приводит к их деполимеризации, т.е. к росту их основности. Прямым экспериментальным доказательством этого является закономерное снижение энергии активации вязкого течения таких расплавов с ростом концентрации Н2О в них .

Такая реакция сопровождается разрывом мостиковых связей Si-0-Si или Si-O-Al:

Si-O-Si + Н2О о 2Si(Om расплав газ расплав

Полученные данные свидетельствуют, что наилучшее соответствие экспериментального ( 39,5 ккал / моль , точка А) и расчетного значении

энергий активации (38 ккал / моль точка В) полученные по упомянутой модели, достигается при следующих допущениях о концентрациях ОН~ и Н2О в гранитном расплаве: до значений валовой концентрации Н2О в расплаве гранита, равной 5,3 мас% (17 моль%), в расплаве преобладает химически растворенная вода ( Е = 43 ккал / моль с соответствующей структурой расплава); молекулярная вода появляется в расплаве при более высоких значениях валовой концентрации

2 - энергия активации вязкого течения воды Н2О.

3 - расчетное значение. Следует также подчеркнуть, что

степень влияния химически связанной воды на реологические свойства расплавов уменьшается с ростом их основности . Так, например, при растворении в андезитовом расплаве 4,6 мас.% Н20, г| и Е уменьшаются соответственно в 20 и 1,2 раза, тогда как при растворении такого же количества воды в гранитном расплаве q и Е уменьшается соответственно в 5 х 10^ и 1,7 раза. Кроме того и емкость расплавов относительно химически связанной воды также уменьшается с ростом основности от к17 мол.% (5,3 мас.%) для кислых магм до и 10 мол.% (3,0 мас%) для средних.

Поэтому, естественно, что для подтверждения предложенного механизма растворения НгО в магматических расплавах, необходимы дальнейшие экспериментальные исследования реологических свойств водосодержащих х расплавов при Рню > 5 кбар, равно как изучение растворимости Н2О и соотношений ОН-/НгО в опытах «in situ ».

Рис. 12: Концентрационная зависимость энергиии активации вязкого течения системы гранит - вода. 1 - экспериментальные значения,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Материалы представленные в диссертации , позволяют сформулировать следующие выводы:

1. Разработанные при непосредственном участии автора , аппаратура и методики позволяют измерять с высокой точностью вязкость магматических расплавов "in situ" при высоких давлениях и температурах в присутствии флюидов различного состава. Разработанный автором, ротационный вискозиметр позволил определить влияние кристаллической фазы и пузырей на эффективную вязкость модельных гетерогенных жидкостей.

2. В результате проведенных экспериментов впервые получены значения вязкости и энергии активации вязкого течения расплавов пород кислого и среднего составов при высоких температурах и давлениях различных по составу флюидов ( ШО; ШО + НС1; ШО + NaCl; Н2; Аг ) в диапазоне Т, Р - параметров земной коры.

Показано, что степень влияния компонентов флюида на реологические параметры магматических расплавов в ряду кислые-основные зависит в первую очередь от их химической активности, а во вторую - от растворимости компонентов флюида в расплаве.

Для модельных и магматичяеских расплавов, не содержащих элементы переменной валентности (Ее, Ni и др.) эта степень влияния выражается следующим понижающимся рядом: ОН' , Н2О, С1, Ш, Аг; а для магм с элементами переменной валентности этот ряд будет иным : ОН", Н2, НгО (физически растворение), Ci, Аг.

3. Вязкость расплавов кислого и среднего составов значительно уменьшаются с увеличением температуры и давления по экспоненциальному закону. Характерно,что значения производных dt] / dT и di] / dP уменьшается с ростом основности расплавов. Определяющее влияние на реологические параметры магматических расплавов в ряду кислые-средние оказывает давление (концентрация) НгО.

4. Вязкость субликвидусных (гетерогенных) магматических расплавов значительно увеличивается с ростом концентрации в расплаве кристаллов и слабо зависит от концентрации пузырей флюидной фазы (до 20 об.%). При концентрации кристаллической фазы > 45 об.% реологическое поведение таких расплавов кардинально изменяется: возникает передел текучести ( -2000 дин / см2 ), а ньютоновский режим течения сменяется на бингамовский.

Основные публикации автора по теме диссертации

1. Бухтияров П.Г. Экспериментальное исследование вязкости двухфазных модельных жидкостей. Тез. дохл. Всесоюзного совещания по экспериментальной минералогии, Черноголовка, 1986, с. 28.

2. Бухтияров П.Г. , Персиков Э.С., Эпельбаум М.Б. Радиационный вискозиметр для изучения вязкости магматических расплавов при давлениях флюида до 1000 МПа. В сб. Современная техника и методы экспериментальной минералогии. М., Наука, 1985, с. 143 -145.

3. Бухтияров П.Г., Персиков Э.С., Калиничева Т.В. Вязкость андезитовых расплавов. Вулканология и сейсмология, 1987, №5, с. 45-53.

4. Жариков В А., Персиков Э.С., Бухтияров П.Г., Кошемчук С.К. Изотермическая (1300 0 С) растворимость водорода в альбитовом ( NaAlSjjOg ) расплаве при высоких давлениях. ДАН СССР, 1988, т. 300, Л> 4, с.953 - 957.

5. Персиков Э.С., Бухтияров ПХ., Польской С.Ф., Чехмир А.С. Экспериментальное исследование процесс* взаимодействия Hj с магматическими расплавами. В сб. Эксперимент »решении актуальных задач геологии.т. 1., М., Наука, 1986, с 48 - 70.

6. Персиков Э.С., Бухтияров П.Г., Калиничева ТЭ. Влияние состава, температуры и давления на текучесть магматических расплавов. Геохимия, Л» 4,1987, с. 483 • 498.

7. Персиков Э.С., Эпельбаум М.Б., Бухтияров ПТ. Вязкосп гранитного расплава, взаимодействующего с водно ххоридным флюидом. Геохимия, J* 1,1986, с.25 -34.

8. Persikov E.S, Bukhtiyarov Р.О The viscosity of aluminosilicate and magmatic melts at high Ar, Hj and H20 pressure. EHPRO, XIX Annual Scientific Meeting. 1991, Abs. P.133.

9. Persikov E.S., Kushiro I., Fujii Т., Bukhtiyarov P.O., Kurita K. Anomalous Pressure Effect on Viscosity of Magmatic Melts. In: Phase Transformation at High Pressures and High Temperatures ¡Applications to Geophysical and Petrological Problems. Misasa,: Tottori-ken, Japan, DELP, 1989, International Symposium, p. 28-30.

10. Persikov E.S., Zharikov VA., Bukhtiyarov P.O., Pol'skoy S.F.. The effect of volatile* on the properties of magmatic melts. Bur. J.Mineral., 1990, vol. 2, p. 621-642.

11. Zharikov VA., Persikov E.S., Bukhtiyarov P.O., Pol'skoy S.F., Sayfullin N.F. Water and hydrogen in magmatic melt. In.Phase transformations at high pressure and high temperatures: aplications to geophysical and petrological problems. Misasa, Japan, 1989, p. 31 - 32.

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Бухтияров, Павел Гаврилович, Черноголовка

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МИНЕРАЛОГИИ

На правах рукописи

Бухтияров Павел Гаврилович

Специальность 04.00.08 - петрография, вулканология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель: доктор г-м.н. Э.С.Персиков

Черноголовка 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ ......................................................................... 3

Глава I. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ (современное состояние проблемы, постановка задачи)...................................................... 9

Глава II . ТЕХНИКА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................................17

11Л Метод падающего шарика................................................................................................18

11.2 Радиационный вискозиметр ....................................................................................19

11.3 Методика измерения вязкости....................................................................................26

11.4 Ротационный вискозиметр..............................................................................................32

Глава III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ВЯЗКОСТИ РАСПЛАВОВ МАГМАТИЧЕСКИХ ПОРОД КИСЛОГО И СРЕДНЕГО СОСТАВОВ И МОДЕЛЬНЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙ. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ............................................... 37

III.1 Система гранит + Н20.................................................... 39

II 1.2 Системы: гранитный расплав + Н2О + HCl,

гранитный расплав + Н2О + NaCl.................... 51

II 1.3 Вязкость андезитоввых расплавов.................................. 70

II 1.4 Вязкость гетерогенных модельных систем....................... 82

Глава IV. ОБОБЩЕННЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕМПЕРАТУРНОЙ , КОНЦЕНТРАЦИОННОЙ И БАРИЧЕСКОЙ ЗАВИСИМОСТЕЙ ВЯЗКОСТИ МАГМА-

Стр.

ТИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ КИСЛОГО И СРЕД-

НЕГО СОСТАВОВ................................................................................................................86

IV. 1. Температурная зависимость вязкости........................................................86

IV.2. Зависимость вязкости расплавов от давления..............................89

1У.З. Концентрационная зависимость вязкости и

энергии активации вязкого течения ..................................................91

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..........................................................................................................................96

ЛИТЕРАТУРА ..............................................................................................................................99

ВВЕДЕНИЕ.

Вязкость расплавов является одним из важнейших физико-химических свойств, которое существенно влияет на массо- и теплоперенос в магматических системах и связанные с ними диффузию, конвекцию, электропроводимость, кристаллизацию и другие свойства. Вязкость магматических расплавов изменяется в широких пределах в зависимости от состава (~ 9 порядков ) и при сравнительно небольших изменениях температуры изменяется на несколько порядков. Большой диапазон изменения вязкости всегда привлекал исследователей, стремившихся использовать ее для получения сведений о структуре расплавов.

Представленная работа посвящена экспериментальному исследованию вязкости магматических и модельных расплавов кислого и среднего состава в присутствии основных компонентов магматического флюида (вода, хлор, водород) при высоких давлениях и температурах, соответствующих расплавленному состоянию этих систем. Подробный анализ результатов будет представлен далее, а здесь лишь отметим большой вклад в экспериментальные исследования вязкости магматических расплавов Н.Боуэна, М.П.Воларовича,

Р.И.Хитарова, Е.Б.Лебедева, Э.С.Персикова, Г.Шоу, Д.Каррона, Т.Мураси, Ю.Куширо, Б.Миссена и др., благодаря чьим исследованиям в этой области был достигнут значительный прогресс.

Цель работы состояла в изучении реологического поведения магматических расплавов кислого и среднего составов в зависимости от состава, температуры и давления (общего и флюидного ),соответствующих природным магматическим процессам.

Задачи работы:

1. Разработка высокоточной аппаратуры и методик для изучения вязкости магматических расплавов "in situ" при высоких давлениях (до

10 кб) и температурах (до 1500°С).

3. Экспериментальное определение влияния кристаллической фазы и пузырей на вязкость расплавов.

Научная новизна работы состоит в получении наиболее полных данных по вязкости расплавов кислого и среднего составов (гранит,андезит) под давлением различных флюидов (ШО, H2O+HCI, bbO+NaCl, Ar, Н2) и в выявлении общих закономерностей реологии таких магм:

- Разработаны наиболее совершенные в настоящее время аппаратура и методики измерения вязкости магматических расплавов "in situ" при

высоких температурах (до 1500 °С ) и давлениях (до 10 кбар) в присутствии флюида ,в том числе и сложного состава;

- Впервые получены данные по вязкости гранитоидных раплавов при высоких давлениях (до 7 кбар ) и в присутствии флюида сложного состава (H2O+HCI, H20+NaCl);

- Впервые получены данные по вязкости альбитового и андезитового расплавов под давлением водорода;

- Установлено существенное снижение вязкости "сухих" и водосодер-жащих расплавов гранита и андезита при общем давлении,большем парциального давления флюида в расплаве;

Практическая ценность. Полученные экспериментальные данные и следующие из них выводы могут быть использованы в практической деятельности геологов и вулканологов при расчетах массообменных процессов и динамики магматизма и вулканизма. Аппаратурно-методические разработки могут быть использованы в лабораториях заинтересованных организаций.

Основные защищаемые положения

1. Разработанные при непосредственном участии автора , аппаратура и методики позволяют измерять с высокой точностью вязкость магматических расплавов "in situ" при высоких давлениях и температурах в присутствии флюидов различного состава и оценивать влияние кристаллической фазы и пузырей на эффективную вязкость модельных жидкостей.

давлениях различных по составу флюидов ( Н2О; Н2О + НС1; Н2О + NaCl; Н2; Аг ) в диапазоне Т, Р - параметров земной коры.

Показано, что степень влияния компонентов флюида на реологические параметры магматических расплавов в ряду кислые-средние зависит в первую очередь от их химической активности, а во вторую - от растворимости компонентов флюида в расплаве.

Для модельных и магматических расплавов, не содержащих элементы переменной валентности (Fe, Ni и др.), эта степень влияния

выражается следующим понижающимся рядом: ОН", Н2О, С1, Нг, Аг; а для магм с элементами переменной валентности этот ряд будет

иным : ОН", Н2, Н2О (физически растворение), С1, Аг.

3. Вязкость расплавов кислого и среднего составов значительно уменьшаются с увеличением температуры и давления по экспоненциальному закону. Характерно,что значения производных dr| / dT и dr| / dP уменьшаются с ростом основности расплавов. Определяющее влияние на реологические параметры магматических расплавов в ряду кислые-средние оказывает давление (концентрация) Н20.

4. На основе модельных опытов показано, что вязкость субликвидусных (гетерогенных) магматических расплавов будет значительно увеличиваться с ростом концентрации в расплаве кристаллов ( до 45 об. %) и будет слабо зависеть от концентрации пузырей флюидной фазы (до 20 об.%). При концентрации кристаллической фазы > 45 об.% реологическое поведение таких расплавов кардинально изменяется: возникает передел текучести , а ньютоновский режим течения сменяется на бингамовский.

Объем работы. Работа состоит из введения , четырех глав и заключения, изложена на 108 страницах машинописного текста

сопровождаемых 24 рисунками, 6 таблицами и списком литературы из 102 наименований.

В главе I рассмотрены теоретические аспекты вязкости, приведен обзор экспериментальных работ , посвященных исследованию температурной и барической зависимостей вязкости магматических расплавов кислого и среднего составов доставлены задачи последующих исследований.

В главе II представлены аппаратура и методики ,используемые автором при выполнении данной работы.

В главе III изложены результаты экспериментальных исследований вязкости магматических расплавов кислого и среднего составов под давлением различных флюидов ( Н2О; Н2О + HCl; Н2О + NaCl; Ar; Н2 ). На основе исследования модельной гетерогенной системы показано влияние кристаллической фазы и пузырей на эффективную вязкость жидкости.

В главе IV рассмотрены основные закономерности температурной, концентрационной и барической зависимостей вязкости изученных систем. Предложены некоторые механизмы, объясняющие соответствующие изменения.

В заключении кратко перечислены основные полученные результаты, сформулированы главные выводы из проделанной работы, поставлены задачи для дальнейших исследований в данной области.

Апробация аботы. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ. Основные положения работы докладывались на ежегодных семинарах экспериментаторов ( Москва, 1984, 1985,1988 );Всесоюзном симпозиуме "Современная техника и методы экспериментальной минералогии" Черноголовка , 1982 ; 1УВсесоюзном симпозиуме "Кинетика и динамика геохимических процессов" Киев , 1983 ;

VI Всесоюзном вулканологическом совщании "Вулканизм и связанные с ними процессы" , Петропавловск-Камчатский , 1985; Первом Советско-Японском симпозиуме по фазовым превращениям при высоких давлениях и температурах , Листвянка на Байкале ,1985 ;Х1 Всесоюзное совещание по экспериментальной минералогии , Черноголовка , 1986; XI Международной конференции МАРИВД, Киев , 1987; 12 AIRAPT и 27 EHPRG Международной конференции « Высокие давления в науке и технологии, Падеборн , Германия, 1989; XIX EHPRG ежегодном научном совещании, Салоники, Греция, 1991 и др.

Работа выполнена в лаборатории Института экспериментальной минералогии РАН в течение 1980- 1992 гг. под руководством доктора геолого-минералогических наук Э.С.Персикова, которому автор выражает глубокую признательность за постоянный интерес и помощь в работе. В повседневной работе автору помогал весь коллектив лаборатории. Химические анализы были выполнены в химической лаборатории института (рук. В.И.Тихомирова, аналитики: Десятова Т.А.,Кошемчук С.К.) . Микрозондовые анализы выполнены при участи Воронова B.C. , Ван К.)

Глава I.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ (современное состояние проблемы, постановка задачи)

Вязкость расплава является фундаментальным физико-химическим свойством флюидно-магматических систем, лимитирующих многие важные особенности процессов магматизма и их динамики.

Как известно, вязкость (внутренее трение) может быть определена как сопротивление жидкости ее течению, т.е. перемещению одного слоя относительно другого. Когда один слой жидкости движется равномерно относительно другого слоя, на него действует тангециальная сила Г, которая, как показал Ньютон, пропорциональна площади слоя Б и градиенту скорости ёУМХ измеренному в жидкости по нормали к направлению движения. Коэффициент пропорциональности г| называется динамической вязкостью. Таким образом, закон Ньютона для однородного течения в вязкой жидкости имеет вид

Г = г|8с1У/с1Х (1.1)

В системе СГС коэффициент вязкости на основании уравнения (1.1)

имеет размерность дин-с / см" и называется пуазом (П), а в системе СИ за единицу вязкости принят 1 Па с , равный 10 П. Вязкость жидкости обусловлена тепловым движением, размерами и формой ее молекул или ионов, их взаимным расположением, плотностью упаковки и энергией межчастичного взаимодействия. Вязкость у обычных жидкостей уменьшается с увеличением температуры при постоянном давлении и не зависит от градиента скорости и напряжения сдвига (ньютоновские жидкости). Данная зависимость представлена на рис.1.

Рис. 1 . Типичные кривые течения. ОА-ньютоновское течение; ОВ-неньютоновское течение; О, С -вязкопластичное(бингамовское)течение; О,Э-псевдопластичное течение

прямой О А, проходящей через начало координат. Многие жидкости не подчиняются уравнению (1.1) и вязкость зависит от градиента скорости и напряжения сдвига. В таком случае говорят об эффективной или кажущейся вязкости. Чаще всего встречаются аномально-вязкие жидкости, кривые течения которых представлены на рис. 1, где кривая ОВ описывает поведение аномально-вязких (неньютоновских) жидкостей, линия 0,С - вязкопластичных

(бингамовских) жидкостей, линия 0,0 - соответствует псевдопластичным средам. Для бингамовских и псевдопластичных сред может существовать такое предельное напряжение сдвига т0 , под действием которого может развиться стационарное течение. У псевдопластичных сред вязкость ц зависит от градинта скорости.

В результате систематических исследований вязкости сухих расплавов горных пород и синтетических алюмосиликатных расплавов с помощью ротационных вискозиметров было установлено, что течение подобных веществ в области жидкого состояния соответствует ньютоновской модели жидкости. Экспериментальные исследования вязкости водонасыщенных расплавов обсидианов,осуществленные Г.Шоу [96 ]? и вязкости водосодержащих базальтовых расплавов, выполненные Э.С.Персиковым [ 39 ] , показали, что течение водосодержащих расплавов кислого и основного составов при малых напряжениях сдвига также соответствуют течению ньютоновской жидкости.

Экспериментальное исследование вязкости субликвидусного расплава/

толеитового состава, содержащего 25% кристаллов и 2-5% газовых

-о

пузырей, выполненное Г.Шоу с соавторами [ 97 ^показало, что течение соответстует бингамовской жидкости (кривая 0,С на рис. 1).

Предельное напряжение сдвига в лаве при двух различных состояниях

равнялось 1200 и 700 дин/см , а соответствующая пластическая

вязкость 650 и 7500П. Бингамовское течение лавы сохранялось до

скоростей сдвига 1с', но при значениях 10 с"1 функция течения, видимо, уменьшалась.

В настоящей работе основное внимание уделено ньютоновской вязкости расплавов с летучими компонентам, которая характеризуется стационарным течением расплава. Известно,что магматические расплавы характеризуются переменным содержанием летучих компонентов, таких как Н20, СОг, Н2, НС1, НР, 82, Н28, 802 и др. Основным компонентом магматических расплавов является вода, которая при растворении коренным образом влияет на все физико-химические свойства в том числе и на вязкость расплавов. Первые сведения об исключительно большом влиянии воды на вязкость расплавов магматических пород были получены М.П.Волоровичем и Л.И.Корчемкиным, наблюдавшим значительное уменьшение вязкости расплавов различных горных пород под действием воды, соляной и плавиковой кислот [ 17 ].

А.А.Леонтьева [ 34 ] исследовала вязкость расплава обсидиана при малых содержаниях воды. Было установлено, что обсидианы содержащие воду, имеют более низкую вязкость, и что потеря 0,1вес.% летучих повышает вязкость в 5 раз.

Д.Сс/батье [ 93 ] определил вязкость расплава ретинита (стекло состава гранита); содержащего 6 вес.% Н20;при РН2О = Ю00 а™ и Т =

800°С. Автор показал, что растворенная в расплаве вода сильно влияет на вязкость расплава. Так вязкость водного расплава была на много

6 14

меньше, чем сухого и равнялась, соответственно, 1,8 х 10 и 6 х 10 пуазам.

И/

Д.Ж.Фридман с соавторами [ 74 ] исследовали вязкость реолитовых вулканических стекол при небольших содержаниях воды (0,1 - 1,25

вес.%) и при температурах от 435 до 850°С и давлениях воды от 0 до

20,7 бар. В соответствии с экспериментальными данными доба

Информация о работе