CC BY
14
УДК 551.2+551.14+536.25
DOI: 10.21209/2227-9245-2018-24-10-21-31
ВЛИЯНИЕ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА НА СОСТАВ БАЗАЛЬТОВОГО РАСПЛАВА В ГРИБООБРАЗНОЙ ГОЛОВЕ ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО ПЛЮМА
INFLUENCE OF HEAT AND MASS TRANSFER ON COMPOSITION OF BASALTIC MELT IN THE MUSHROOM-SHAPED HEAD OF THERMOCHEMICAL PLUME
А. А. Кирдяшкин,
Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН, Новосибирский государственный университет, г. Новосибирск aak@igm. nsc. ru
А. Kirdyashkin,
V. S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy SB RAS, Novosibirsk State University, Novosibirsk
А. Г. Кирдяшкин,
Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН, г. Новосибирск [email protected]
А. Kirdyashkin,
V. S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy SB RAS, Novosibirsk
H. В. Сурков,
Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН, г. Новосибирск diagrams@igm. nsc. ru
N. Surkov,
V. S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy SB RAS, Novosibirsk
В статье представлено исследование, задача которого заключается в том, чтобы на основе анализа тепло- и массопереноса в рамках предложенной модели термохимического плюма с грибообразной головой выяснить, как изменяется состав расплава головы плюма в том случае, если исходный состав расплава в ней — базальтовый. На основе данных экспериментального и теоретического моделирования представлена структура течения в расплаве канала и головы термохимического плюма, поднимающегося (выплавляющегося) от границы ядро — мантия к поверхности. На основе строения фазовой диаграммы модельной системы CaO-MgO-Al2O3-SiO2 показано, что в двух верхних конвективных ячейках канала плюма плавление протекает по эвтектическим равновесиям L=Cpx+Opx+An+Sp и L=Fo+An+Cpx+Opx. При расширении состава системы щелочным компонентом до системы CaO-MgO-Al2O3-SiO2-Na2O в этих ячейках появляются условия для кристаллизационной дифференциации как процесса отделения кристаллов плагиоклаза в виде твёрдыгх растворов серии альбит-анортит. Этот процесс приводит к обогащению остаточного расплава кремнезёмом и щелочным компонентом.
На основе тепловой и гидродинамической структуры головы плюма и данныгх о химическом составе базальтового расплава в ней представлено возможное изменение состава этого расплава: 1) после осаждения твердой фазы (тугоплавких минералов) на подошву головы плюма; 2) после осаждения плагиоклаза в расплаве, образовавшемся после первого этапа. Оценки состава расплава головы плюма показыгвают, что в результате кристаллизационной дифференциации образуется остаточный расплав, содержание SiO2 в котором соответствует таковому в коровом слое
Ключевые слова: моделирование; мантийные плюмы; свободноконвективные течения; голова плюма; расплав; время осаждения; нормативный состав; базальты; фазовая диаграмма; плагиоклаз; эвтектическое плавление
© А. А. Кирдяшкин, А. Г. Кирдяшкин, H. В. Сурков, 2018
A thermochemical plume originates at the core-mantle boundary and ascends (melts up) to the surface.The main research task is to evaluate the compositional changes of melt in the plume head, assuming that the initial composition of melt is basaltic. The evaluations are based on the analysis of heat and mass transfer in the melt of the plume head. The flow structure that developed in a meltof plume head as well as in plume conduit is represented on the basis of experimental and theoretical modeling. Basing on the phase diagram of the CaO-MgO-AI2O3-SiO2 model system, the authors have shown that melting in the two upper convection cells of the plume conduit proceeds according to eutectic equilibria L=Cpx+Opx+An+Sp and L=Fo+An+Cpx+Opx. In the case of the CaO-MgO-Al2O3-SiO2-Na2O system the crystallization differentiation proceeds as separation of plagioclase crystals (in the form of albite-anorthtite solid solutions). This leads to the enrichment of residual melt in silica and alkaline components. Basing on thermal and hydrodynamic structure of the plume head together with the chemical composition of basaltic melt, the autjors have estimated the possible compositional changes in the melt.
The calculations were performed in two stages: 1) after settling of refractory minerals; 2) after settling of plagioclase in the melt resulting from the first stage. As a consequence of crystallization differentiation, SiO2 content in the residual melt is consistent with that of the crustal layer
Key words: modeling; mantle plumes; free-convection flows; plume head; melt; settling time; normative composition; basalts; phase diagram; plagioclase; eutectic melting
Т)ведение. Процесс эволюции соста-_£_/ва магматического расплава является центральным в петрологии. Он может быть решен при комплексном изучении изменений состава магматического расплава, происходящих при его подъеме к поверхности, и процессов тепло- и массообмена, протекающих в нем. Таким образом, для всестороннего исследования эволюции состава расплава необходимо совместное решение геодинамической и петрологической задач.
В настоящее время по некоторым модельным системам накоплен достаточно полный материал [10; 13; 14], позволяющий перейти к базовым обобщениям. Четыре компонента этой системы составляют 80...90 масс. % от состава глубинных горных пород, что позволяет считать эту систему достаточно полной моделью для рассмотрения главных вопросов устойчивости глубинных парагенезисов и процессов маг-мообразования.
С деятельностью мантийных термохимических плюмов с грибообразной головой, имеющих тепловую мощность 2,7 ■ 1010 Вт <^< 1,4 ■ 1011 Вт, связано формирование крупных интрузивных тел в континентальной земной коре, в том числе батолитов [2; 8]. Исследованы гидродинамика и теплообмен в голове плюма, предо ^ ^ о о о
ставляющей грибообразный плоский слой расплава корового слоя [8], что позволяет рассмотреть массообмен в расплаве головы плюма и изменение его состава [2]. В пре-
дыдущей статье приведены расчеты состава на основе модели тепловой и гидродинамической структуры плюма с грибообразной головой [Там же]. Расчеты показали состав расплава, близкий к составу нормальных гранитов, в случае, когда голова плюма представляет собой расплав корового слоя. В данной статье, являющейся продолжением исследований [2], на основе анализа тепло- и массопереноса в рамках предложенной модели термохимического плюма с грибообразной головой выяснено, как изменяется состав расплава головы плюма в том случае, если исходный состав расплава в ней — базальтовый.
Структура канала и головы термохимического плюма. В вертикальном сечении канал плюма представляет собой систему конвективных ячеек [7] (рис. 1). В областях сужения канала (на границах ячеек) восходящий конвективный поток переходит на противоположную сторону канала. Пограничный слой нисходящего конвективного течения расположен по образующей поверхности канала. Вдоль области восходящего потока происходит плавление, вдоль нисходящего — кристаллизация при уменьшении диаметра канала. Между границей канала и окружающим массивом происходит нестационарный кондуктив-ный теплообмен. Средний диаметр сужения канала dс =2Rc =0,5d, где Rc — средний радиус сужения, d — средний диаметр канала.
В первом приближении будем рассматривать голову плюма как горизонтальный
о о / о 7 ' о/ ''
слой толщиной I, длиной «г и шириной «г , плоскость симметрии, проходящую через ось канала плюма. Сверхадиабатические перепады температуры в расплаве грибообразной головы плюма ~ 0,2 °С, поэтому на процессы кристаллизационной дифференциации плагиоклаза в большей степени должно влиять изменение давления по высоте слоя вследствие изменения диаграммы плавкости плагиоклазов с давлением [2].
Структура течения в расплаве сформировавшейся головы плюма представлена на рис. 1 с использованием данных лабораторного моделирования [8]. Существует поток расплава, уходящий вниз в канал мантийного плюма. Теплообмен между расплавом в канале и голове плюма происходит между противоположно направленными свобод-ноконвективными течениями в ламинарном режиме. Диффузионный массообмен между расплавом головы плюма и расплавом сопряженного с ней канала плюма пренебрежимо мал [Там же]. Поэтому расплав в канале плюма является источником тепла для процессов плавления и кристаллизационной дифференциации в голове плюма.
Существуют горизонтальные потоки вдоль верхней и нижней границ зоны расплава в голове плюма (рис. 1). Крупномасштабные горизонтальные свободноконвек-тивные течения в расплаве головы плюма возникают из-за горизонтального градиента температуры в нем. Течения у подошвы головы плюма происходят в условиях устойчивой стратификации из-за теплоот-вода в массив под подошвой. В связи с этим течения здесь имеют устойчивый характер и благоприятствуют процессам кристаллизационной дифференциации. При постоянном значении количества тепла, поступающего к расплаву в голове плюма, в течение 20.30 млн лет в голове плюма существуют благоприятные условия для осаждения твердой фазы [2].
Особенности плавления в нормативной части системы CaO-MgO-Al2O3-SiO2 Наиболее распространенным объектом для построения физико-химических моде-
лей является фазовая диаграмма системы CaO-MgO-Al2O3-SiO2. Сравнение фазовых взаимоотношений в модельной системе CaO-MgO-Al2O3-SiO2 и в глубинных па-рагенезисах показывает унаследование характера границ фазовых объемов в них по отношению к указанной системе. Это даёт основания считать систему CaO-MgO-Al2O3-SiO2 достаточно полным объектом для моделирования глубинных процессов и пород.
В этой системе для давлений ниже 15 кбар для области составов, отвечающих основным и ультраосновным расплавам, плавление происходит согласно моновариантным равновесиям эвтектического типа L=Fo+Opx+Cpx+An и L=Cpx+Opx+An+Sp (рис. 2). Эти равновесия относятся к эвтектическому тренду щелочноземельной серии пород [13; 14].
В интервале давлений 8.15 кбар плавление происходит согласно моновариантному равновесию An+Opx+Cpx+Sp=L (рис. 2). На ликвидусе присутствуют следующие сочетания твёрдых фаз: An+Opx+ +Cpx+L, An+Opx+Sp+L, An+Cpx+Sp+L, Opx+Cpx+Sp+L.An+Opx+L, Cpx+Sp+L, An+Sp+L, An+Cpx+L, Opx+Cpx+L, Opx+Sp+L An+L, Opx+L, Cpx+L и Sp+L.
При давлении ниже 8 кбар плавление происходит согласно моновариантному равновесию L=Fo+An+Cpx+Opx (рис. 2). На ликвидусе присутствуют следующие сочетания твёрдых фаз: L+Fo+An+Cpx, L+Fo+An+Opx, L+Fo+Cpx+Opx, L+An+ +Cpx+Opx,L+Fo+An, L+Fo+Opx, L+Fo+ +Cpx, L+An+Cpx, L+An+Opx, L+Cpx+ +OpxL+Fo, L+An, L+Cpx и L+Opx.
В обеих зонах практически во всех кристаллизационных объемах присутствует плагиоклаз. Поэтому процесс кристаллизационной дифференциации плагиоклаза определяет особенности эволюции состава остаточного расплава. Поскольку в модельной системе плагиоклазы представлены только анортитом, эволюция состава расплава останавливается на уровне базальтовых составов.
В составе реальных горных пород всегда содержится некоторое количество щелоч-
ного компонента. В случае кристаллизации плагиоклаза состав остаточного расплава не останется в области кальциевых базальтовых составов. Плагиоклазы образуют непрерывный ряд твердых растворов альбит-анортит [4; 9], а при высоких давлениях фазовые соотношения усложняются инконгруэнтным плавлением анортита [9; 12]. Альбит плавится конгруэнтно от 1118 С при одной атмосфере до приблизительно 1400 С при 30...34 кбар [4]. Верхним пределом устойчивости альбита по давлению является моновариантное равновесие AЪ=Jd+Qz, расположенное в интер-
вале давления 33.34 кбар. Анортит устойчив от атмосферного давления вплоть до 31 кбар [12]. Верхний по давлению предел его устойчивости ограничен моновариантным равновесием An=Gross+Ky+Qz. При атмосферном давлении анортит плавится конгруэнтно при 1553 С (реакция Ап=Ь) до давления приблизительно 5.7 кбар, выше которого он плавится инконгру-энтно по моновариантному равновесию Ап=Сог+Ь до давления 10 кбар, выше подавлению по моновариантному равновесию Ап=Сог+8Ш(Ку)+Ь и An=Gross+Ky+L.
Расплав
Рис. 1. Схема свободноконвективных течений в расплаве канала и грибообразной головы мантийного плюма (тепловой мощностью N = 7,6 • 1010 Вт), построенная с использованием данных лабораторного моделирования: d - диаметр канала плюма; dc= 0,5d - диаметр сужения канала; dr - диаметр головы плюма; l-d - толщина головы плюма; lpr = 3,2...3,6 км - толщина слоя расплава, остающегося после осаждения частиц плагиоклаза; 5 - толщина массива коры над кровлей головы плюма / Fig. 1. Scheme of free-convection flows in melting chanel and mushroom-shaped head (thermal power
of the plume is N = 7,6 • 1010 W) constructed using the data of laboratory modeling: d - plume conduit diameter; dc = 0,5d - diameter of conduit narrowing zones; dr -plume head diameter; l ~ d - plume head thickness; lpr = 3,2...3,6 км - thickness of the melt layer remaining after settling of plagioclase; 5 - thickness of the block above the roof of the plume head
т,°с
1600'
1500-
1400-
1300-
1200-
1100-
10 20 30 40 Р, кбар
Рис. 2. Главные нонвариантные равновесия (Cpx, Opx, An, Fo, L) (Cpx, Opx, An, Sp, L) (Cpx, Opx, Ga, Fo, Sp, L), сингулярное нонвариантное равновесие (Cpx, Opx, Ga, Fo, L) и лучи соединяющих их моновариантных равновесий в форстеритнормативной части системы CaO-MgO-Al2O3-SiO2 при высоких давлениях [13; 14] (на врезке показано нонвариантное равновесие (Cpx, Opx, Ga, Fo, An, Sp), точка которого расположена около 800 °C и 8 кбар): Cpx - клинопироксен; Ga - гранат; Opx - ортопироксен; Sp - шпинель; An - анортит; Fo - форстерит; L - расплав / Fig. 2. Main nonvariant equilibria (Cpx, Opx, An, Fo, L) (Cpx, Opx, An, Sp, L) (Cpx, Opx, Ga, Fo, Sp, L), singular nonvariant equilibrium (Cpx, Opx, Ga, Fo, L). The rays of the monovariant equilibria connect them in the forsterite-normative part of the CaO-MgO-Al2O3-SiO2 system at high pressures [13; 14] (the inset shows nonvariant equilibrium (Cpx, Opx, Ga, Fo, An, Sp). The equilibrium point is located near 800 °C and 8 kbar): Cpx - clinopyroxene; Ga - garnet; Opx - orthopyroxene; Sp - spinel; An - anorthite; Fo - forsterite; L - melt
Температуры плавления анортита выше, чем у альбита, а у самого альбита ниже, чем температуры эвтектического щелочноземельного тренда. В пятикомпонент-ной системе CaO-MgO-Al2O3-SiO2-Na2O, а также природных расплавах при отделении кристаллов плагиоклаза из системы будет удаляться более тугоплавкий кальциевый компонент, а состав остаточного расплава станет более щелочным. Температура плавления понизится и станет ниже температур эвтектического плавления в модельной безщелочной системе, ее состав и состав остаточного расплава перейдет в область щелочных кварцнормативных составов. Этот вывод согласуется с результатами расчетов состава остаточного расплава, основанных на анализе тепло- и массопереноса в расплаве грибообразной головы плюма [2]. Дальнейшая эволюция остаточного
расплава будет происходить по котектиче-ским равновесиям в системе клинопирок-сен (диопсид)-плагиоклаз (анортит-аль-бит)-кварц [11] до эвтектики плагиоклаз + клинопироксен + кварц.
Изменение состава базальтового расплава в процессе тепло- и массообме-на в грибообразной голове плюма. Определяется состав расплава, получившегося вследствие процессов тепло- и массообмена в грибообразной голове плюма в предположении, что исходный состав расплава в ней — базальтовый. Расчеты состава основаны на анализе процессов тепло- и массообме-на для случая, когда грибообразная голова плюма достигает своего наибольшего размера, т. е. в установившихся условиях (рис. 1). Расчеты выполнены по способу, предложенному в статье «Тепло- и массо-обмен и кристаллизационная дифферен-
циация в грибообразной голове термохимического плюма» [2]. Изменение состава расплава определяется поэтапно: 1) после осаждения тугоплавких минералов; 2) после осаждения плагиоклаза в расплаве, образовавшемся после первого этапа и содержащем 88,5 % плагиоклазового компонента (таблица, стлб. 4, нижний ярус). Анализ проводится с использованием данных о химическом составе базальта по X. С. Иодеру и С. Е. Тилли (базальт № 9) [15] (стлб. 2, верхний ярус). Норматив-
ный состав для него представлен в стлб. 2 (нижний ярус).
Определим состав расплава после осаждения нерасплавленных (тугоплавких) минералов. При температуре расплава, равной Тр = 1410 C [2], в виде твердыгх взвесей в расплаве головы плюма остаются минералы: диопсид (Di) — 23,63 %, гиперстен (Hyp) — 17,96 %, магнетит (Mgt) — 3,32 %, ильменит (Ilm) — 5,24 %, апатит (Ap) — 0,63 % (стлб. 2, нижний ярус).
В форме оксидов, % / In the form of oxides, %
Оксид/Oxide Исходный состав базальта / Initial basalt composition После осажденияТМ* / After settling of RM* Слой расплава lp / Melt layer lp I-a04* Э я II £3 VO л S * £Ь О CO — О) CM § II 'S a> S 'S ce ce S g Œ r m см и Ci СО o_ 'o ^ ~ Sit После осаждения PI (Р = 6,3 кбар)/After settling of PI (P = 6,3 kbar) t -t-» ^ Л CD b a___en Ü a. -я со «о O.VO M " 11 о Q- ° II _=■ Q.
SiO2 50,04 24,01 54,99 22,75 59,63 15,39 62,33
TiO2 2,76 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
AI2O3 13,68 11,88 27,21 8,46 22,18 4,6 18,63
Fe2O3 2,29 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
FeO 9,05 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
MnO 0,17 0,15 0,34 0,29 0,76 0,28 1,13
MgO 7,61 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
CaO 11,38 5,1 11,68 3,68 9,65 2,21 8,95
Na2O 2,24 1,94 4,44 1,99 5,22 1,27 5,14
K2O 0,57 0,2 1,15 0,98 2,57 0,94 3,81
P2O5 0,27 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
E 43,58 38,15 24,69
Нормативный состав, % / Normative composition, %
Компонент/ Component
Qtz 1,37 0,96 2,07 3,74
Or 3,37 6,80 15,19 22,52
Ab 18,95 37,57 44,17 43,49
An 25,59 50,92 29,50 16,51
Di 23,63
Hyp 17,96
Mgt 3,32
Ilm 5,24
Ap 0,63
*Примечание. TM — тугоплавкие минералы / *Note. RM — refractory minerals.
Состав расплава в голове плюма (Тпл= 1410 С) / Composition of melt in the plume head (Tm= 1410 °C)
Содержание указанных тугоплавких минералов в голове плюма равно 50,78 %. В среднем их больше плотности расплава примерно на 25 % [2]. Поэтому произойдет осаждение более плотных кристаллов тугоплавких минералов на подошву головы плюма.
Определено процентное содержание оксидов, составляющих осажденные из расплава твердые взвеси. Например, химическая формула диопсида (Di =23,63 %, стлб. 2 таблицы) может быть представлена в виде оксидов: СаО ■ MgO ■ 2SiO2. Их молекулярный вес: Мох (СаО) = 56,08, Мох ^О) = 40,31, М™^Ю2) = 120,17. Молекулярный вес диопсида: Мм=Мох (СаО) + +Мох ^О) + Мох (2SiO2) = 216,56. Процентное содержание каждого оксида равно (Mox/MDi) х 23,63 %: СаО - 6,14 %, MgO -4,49 %, SiO2 - 13,00 %. Аналогично определяется процентное содержание оксидов для осажденного гиперстена (Нур = 17,96 %, стлб. 2), формула которого (Mg, Fe) 2Si2O6 (Fe = 50 %), и в оксидной форме: MgO ■ FeO ■ 2SiO2: MgO - 3,05 %, FeO - 5,57 %, SiO2 - 9,34 %. Таким же образом определяется содержание оксидов в 11т ^еО ■ TiO2, 5,24 %): FeO (2,48 %), TiO2 (2,76 %) и Mgt (FeO ■ Fe2O3, 3,32 %): FeO (1,03 %), Fe2O3 (2,29 %).
Исходя из указанных расчетов, суммарное содержание для каждого оксида: SiO2 - 22,4 %, FeO - 9,06 %, Fe2O3 - 2,29 %, СаО - 6,12 %, MgO - 7,53 %, TiO2 - 2,76 %. Для расплава в голове плюма пересчет на нормативный состав дает: Ог (3,37 %), АЬ (18,95 %), Ап (25,95 %) и Qtz (1,37 %) (стлб. 2).
В межкристаллическом пространстве слоя, слагаемого тугоплавкими минералами, осажденными на подошву головы плюма (рис. 1), остается ~26 % расплава [3]. Для определения массового содержания расплава в межкристаллических пространствах осажденного слоя принимаем, что в первом приближении объем осажденного слоя составляет 50,78 % от объема головы плюма. Весовое процентное содержание расплава в межкристаллическом пространстве осажденного слоя составит
0,26 х 50,78 = 13,2 %. Тогда для расплава, находящегося в межкристаллических пространствах осажденного слоя, получаем: Qtz ^Ю2) = 0,014 х 13,2 % = 0,18 %; Ог (К2О ■ А12О3 ■ 6SiO2) = 0,034 х X 13,2 % = 0,44 %; АЬ ^а2О ■ А12О3 ■ 6SiO2) = = 0,19 х 13,2 % = 2,5 %; Ап (СаО ■ А12О3 ■ 2SiO2) = = 0,26 х 13,2 % = 3,38 %.
Суммарное процентное содержание оксидов, оставшихся в межкристаллических пространствах осажденного слоя: SiO2 - 3,63 %, А12О3 - 1,8 %, СаО - 0,17 %, Na2O - 0,3 %, К2О - 0,07 %. Суммарное значение процентного содержания каждого оксида для осажденных минералов и для расплава в межкристаллических пространствах: SiO2 - 26,03 %, TiO2 - 2,76 %, А12О3 - 1,8 %, Fe2O3 - 2,29 %, FeO - 9,06 %, MgO - 7,53 %, СаО - 6,28 %, Na2O - 0,3 %, К2О - 0,07 %, Р2О5 - 0,27 %. Тогда в пересчете на оксиды процентное содержание твердых взвесей и расплава, захваченного в межкристаллических пространствах, составляет 56,4 %, и поэтому толщина слоя расплава 1р, залегающего над слоем тугоплавких минералов в голове плюма толщиной I, будет I = 1(1 - 0,56) = 0,441. Для I = 29...33 км, ¡р = 12,8...14,5 км.
Вычитая процентный состав соответствующего осажденного оксида (с учетом расплава в межкристаллических пространствах) из состава базальта (стлб. 2, верхний ярус таблицы), получаем состав расплава (в форме оксидов) в голове плюма толщиной I (стлб. 3, верхний ярус). Например, содержание SiO2 в расплаве составляет 50,04 - 26,03 = 24,01 (%). Аналогично находим процентное содержание других оксидов в расплаве.
Далее определяется процентное содержание оксидов в слое расплава толщиной I Для этого в таблице суммируем стлб. 3 (X = 43,58 %) и затем умножаем его на величину 100/43,58. Состав слоя расплава толщиной 1р (в форме оксидов) представлен в таблице (стлб. 4, верхний ярус). Нормативный состав: (6,81 %), АЬ (37,57 %) и Ап (50,91 %) (стлб. 4, нижний ярус).
Скорость осаждения твердых взвесей - кристаллов тугоплавких минералов в расплаве головы плюма можно оценить с использованием формулы Стокса для скорости движения шара иш радиусом г в вязкой жидкости: Пш = 2г2^Ар/9ц (ц - динамическая вязкость расплава). Для h = 102...103 Па ■ с (при Т = 1400 °С) [6], Ар = 700 кг/м3 (средняя плотность расплава р = 2670 кг/м3) и г = (0,25 ... 1) ■ 10-3 м, иш = 9,5 ■ 10-8...1,5 ■ 10-5 м/с (3.481 м/год). Поскольку горизонтальные свободнокон-вективные течения в расплаве головы плюма у ее кровли и подошвы направлены противоположно друг другу, то время осаждения частиц тугоплавких минералов t = (I - I )/2и . Для I = 29 км и
* ос,т ^ р ш
I = 12,8 км, получаем t = 17.2700 лет.
ё7 7 V ос,т
ремя tж т много меньше времени существования плюма с грибообразной головой t = 15.30 млн лет [2].
инт J
После осаждения тугоплавких минералов в расплаве большую долю составляет плагиоклазовый компонент -88,48 % (таблица, стлб. 4). Количество плагиоклазового компонента определяем по диаграмме плавления плагиоклаза для системы альбит - анортит АЬ1-Ап1 при различных давлениях, где АЬ1 = АЬ /(АЬ + Ап), Ап1 = Ап/(АЬ+Ап), АЬ и Ап - процентное содержание альбита и анортита после осаждения тугоплавких минералов [Там же].
Закристаллизовавшийся плагиоклаз находится в химическом равновесии с расплавом. Однако в поле силы тяжести закристаллизовавшийся плагиоклаз находится в расплаве в гидродинамически неустойчивом состоянии из-за различия в плотности расплава и закристаллизовавшегося плагиоклаза [2].
Рассмотрим этап осаждения плагиоклаза. На осаждении твердых взвесей сказывается гидродинамика и теплообмен в расплаве, а также изменение лито-статического давления с глубиной. После осаждения тугоплавких фаз в расплаве головы плюма содержится АЬ - 37,57 % и Ап - 50,92 % (таблица, стлб. 4), и соответственно, АЬ1 - 42,5 % и Ап1 - 57,5 %. При осаждении кристаллов плагиоклаза будет
увеличиваться содержание плагиоклаза на нижележащих уровнях головы плюма по сравнению с равновесным для данного давления. Для достижения химического равновесия расплава и закристаллизовавшегося плагиоклаза эти излишки должны быть расплавлены при наличии тепловой энергии. В рассматриваемом случае происходит отвод тепла от подошвы головы плюма. Поэтому по мере увеличения давления, т. е. по мере приближения к подошве плюма и на подошве плюма будет происходить обогащение расплава закристаллизовавшимся плагиоклазом.
Количество закристаллизовавшегося плагиоклаза в объеме расплава головы плю-ма будем определять при следующих условиях в окрестности подошвы головы плюма: Рп = 6,3 кбар и Тр = 1410 °С. Исходим из того, что за время существования плюма произойдет осаждение закристаллизовавшегося плагиоклаза и сформируется слой, представленный осажденным плагиоклазом и залегающий над слоем осажденных тугоплавких минералов (рис. 1).
При Рп = 6,3 кбар доля закристаллизовавшегося плагиоклаза Р1, = 0,79, доля
1крист 7 7
расплава - 0,21. Состав закристаллизовавшегося плагиоклаза Р1, отвечает N 65,
1крист
состав расплава отвечает N 30. Процентный состав закристаллизовавшегося Р1, :
1крист
АЬ = АЬ, (АЬ + Ап)Р1. = 35 % х
крист 1крист 1крист
х 0,885 х 0,79 = 24,50 %, Ап =
крист
= Ап. (АЬ + Ап)Р11 =
1крист 1крист
=65 % х 0,885 х 0,79 = 45,40 %.
Далее, используя схему расчетов, представленную ранее, находим процентный состав оксидов в закристаллизовавшемся плагиоклазе. Вместе с осаждённым плагиоклазом Р1, (АЬ + Ап ) =
1крист крист крист
= 0,79 х 88,5 % = 70 % остается расплав в межкристаллических пространствах: 0,26 х 70 % = 18,20 %. В пересчете на нормативный состав расплав представлен смесью следующих компонентов: Qtz = 0,68 %, Ог = 6,81 %, АЬ = [АЬ1 (АЬ + Ап) (1 - Р111фиСТ)] = 12,82 % Ап = [Ап1р(АЬ + +Ап)(1 - Р11крист)] = 5,50 %. Расплав, остающийся вместе с осажденным плагио-
клазом, содержит: Qtz = 0,68 х 0,182 = = 0,12 %, Ог = 6,81 х 0,182 = 1,24 %, АЬ = 12,82 х 0,182 = 2,33 %, Ап = 5,50 х х 0,182 = 1,0 %.
Далее определяем процентное содержание оксидов для расплава, оставшегося в межкристаллических пространствах осажденного плагиоклаза. Суммарное значение процентного содержания для каждого оксида для осажденных минералов и расплава в межкристаллических пространствах: SiO2 - 39,6 %, А12О3 - 22,71 %, Na2O - 3,17 %, СаО - 9,47 %, К2О - 0,21 %.
Доля осажденных минералов и рас-лава в межкристаллическом пространстве составляет 0,75 и толщина слоя расплава ¡р , оставшегося после осаждения твердых взвесей плагиоклаза (рис. 1),
I' = (1 - 0.75)1 = 0,251. Поскольку
р ^ р р ^
I = 0,441, то I =0,111, т. е. составляет
II % от толщины головы плюма I. Для I = 29.33 км, ¡р = 12,8.14,5 км, и тогда 1р = 3,2.3,6 км. Учитывая нормативное содержание АЬ и Ап (таблица, стлб. 4), берем ц ~ 102 Па ■ с (Т = 1400 °С) [6], для Ар = 0,06 г/см3 = 60 кг/м3и г = (0,5.2) ■
■ 10-3 м получаем скорость осаждения твердых частиц плагиоклаза иш = 3,3 ■ 10-7. 5,2 ■ 10-6 м/с (10.165 м/год) ."Для 1р = 12,8 км и I' = 3,2 км время осаждения tжPl = (I -- /Р')/2и = 29.466 лет, т. е., t << t .
р '' ш 77 ос,р1 инт
После вычитания из стлб. 4 таблицы процентного содержания соответствующего оксида для осажденных частиц плагиоклаза получаем состав расплава, нормированный на толщину I (стлб. 7, верхний ярус). Определим процентное содержание оксидов в расплаве головы плюма толщиной 1р , получившемся после осаждения плагиоклаза. Суммировав стлб. 7 таблицы (X = 24,69 %) и умножив его на величину 100/24,69, получаем процентное содержание оксидов в слое остаточного расплава толщиной I ', представленное в стлб. 8. Как следует из стлб. 8, содержание SiO2 - 62,33 %.
Итак, расчеты показывают, что в результате тепло- и массопереноса и кристаллизационной дифференциации базальтового расплава, имеющего 50 % SiO2 [15],
содержание SiO2 в остаточном расплаве 59,6.62,3 % (таблица, стлб. 6, 8), т. е. увеличивается до значений, соответствующих его содержанию в коровом слое (57,4.63,0 %) [1].
Выводы. На основе данных лабораторного и теоретического моделирования рассмотрена структура свободноконвек-тивных течений в расплаве канала и грибообразной головы термохимического плю-ма. Существует поток расплава, уходящий вниз, в канал мантийного плюма и взаимодействующий с восходящим потоком горизонтальной конвективной ячейки в расплаве головы плюма. Теплообмен между расплавом в канале и голове плюма происходит между противоположно направленными свободноконвективными течениями в ламинарном режиме. Крупномасштабные горизонтальные свободноконвективные течения в расплаве головы плюма обусловлены горизонтальным градиентом температуры. Они существуют в условиях устойчивой стратификации из-за теплоотвода в массив под подошвой головы плюма. В связи с этим течения вблизи подошвы имеют устойчивый характер и благоприятствуют процессам кристаллизационной дифференциации.
В двух верхних конвективных ячейках плюма эволюция магматического процесса определяется эвтектическими моновариантными равновесиями L=Cpx+Opx+An+Sp L=Fo+An+Cpx+Opx. При расширении состава системы до CaO-MgO-A12O3-SiO2-Na2O начинает работать механизм кристаллизационной дифференциации в виде отделения кристаллов плагиоклаза альбит-анор-титового ряда. Результат этого процесса в значительной мере зависит от тепловой мощности термохимического плюма.
На основе модели тепловой и гидродинамической структуры грибообразной головы плюма представлены результаты исследований гидродинамики и теплообмена в голове плюма и эволюция состава базальтового расплава в ней. Доля остаточного расплава, образовавшегося вследствие кристаллизационной дифференциации, составляет 11 % от всего объема расплава в голове плюма. В результате тепло- и массо-
переноса и кристаллизационной дифферен- расплаве увеличивается до значения, соот-циации базальтового расплава, имеющего ветствующего его содержанию в коровом 50 % SiO2, содержание SiO2 в остаточном слое.
Список литературы_
1. Войгкевич Г. В., Кокин А. В., Мирошников А. Е., Прохоров В. Г. Справочник по геохимии. М.: Недра, 1990. 480 с.
2. Кирдяшкин А. Г., Кирдяшкин А. А., Гладков И. Н., Дистанов В. Е. Тепло- и массообмен и кристаллизационная дифференциация в грибообразной голове термохимического плюма // Вестник Забайкал. гос. ун-та. 2018. Т. 24, № 2. C. 4-13.
3. Некрасов Б. В. Основы общей химии: в 2 т. М.: Химия, 1973. Т. 1. 656 с.
4. Bell P. M., Roseboom E. H. Melting relationships of jadeite and albite to 45 kilobars with comments on melting diagrams of binary systems at high pressures // Mineralogical Society of America Special Paper. 1969. No. 2. P. 151-161.
5. Bowen N. L. The melting phenomena of the plagioclase feldspars // American Journal of Science. 1913. Vol. 35. No. 210. P. 577-599.
6. Cranmer D., Uhlmann D. R. Viscosities in the system albite-anorthite // Journal of Geophysical Research. 1981. Vol. 86. No. B9. P. 7951-7956.
7. Gladkov I. N., Distanov V. E., Kirdyashkin A. A., Kirdyashkin A. G. Stability of a melt/solid interface with reference to a plume channel // Fluid Dynamics. 2012. Vol. 47. No. 4. P. 433-447.
8. Kirdyashkin A. A., Kirdyashkin A. G., Gurov V. V. Parameters of thermochemical plumes responsible for the formation of batholiths: results of experimental simulation // Geotectonics. 2017. Vol. 51. No. 4. P. 398-411.
9. Lindsley D. H. Melting relations of plagioclase at high pressures / / Origin of Anorthosite and Related Rocks. New York, 1968. P. 39-46.
10. MacGregor I. D. Stability fields of spinel and garnet peridotites in the synthetic system MgO-CaO-Al2O3-SiO2 // Carnegie Institution of Washington Yearbook. 1965. Vol. 64. P. 126-134.
11. Schairer J. F., Yoder H. S. The nature of residual liquids from crystallization, with data on the system nepheline-diopside-silica // American Journal of Science. 1960. Vol. 258-A. P. 273-283.
12. Surkov N. V., Doroshev A. M. Phase diagram of the CaO-Al2O3-SiO2 system at pressures up to 40 kbar // Russian Geology and Geophysics. 1998. Vol. 39. No 9. P. 1254-1268.
13. Surkov N. V., Gartvich Yu. G. Physicochemical model for the crystallization of rocks of the calc-alkaline series // Geochemistry International. 2012. Vol. 50. No. 10. P. 799-815.
14. Surkov N. V., Gartvich Yu. G. Modeling of deep-seated high-alumina parageneses on the basis of the stability fields of corundum- and spinel-normative assemblages of the system CaO-MgO-Al2O3-SiO2 // Russian Geology and Geophysics. 2012. Vol. 53. P. 51-61.
15. Yoder H. S., Tilley C. E. Origin of basalt magmas: an experimental study of natural and synthetic rock systems // Journal of Petrology. 1962. Vol. 3. No. 3. P. 342-532.
References_
1. Voytkevich G. V., Kokin A. V., Miroshnikov A. E., Prokhorov V. G. Spravochnikpogeohimii (Reference book on geochemistry). Moscow: Nedra, 1990. 480 p.
2. Kirdyashkin A. G., Kirdyashkin A. A., Gladkov I. N., Distanov V. E. Vestnik Zabaykal. gos. un-ta (Transbaikal State University Journal), 2018, vol. 24, no. 2, pp. 4—13.
3. Nekrasov B. V. Osnovy obshchey himii: v 2 t. (Basics of General Chemistry: in 2 volumes). Moscow: Chemistry, 1973, vol. 1. 656 p.
4. Bell P. M., Roseboom E. H. Mineralogical Society of America Special Paper (Mineralogical Society of America Special Paper), 1969, no. 2, pp. 151 — 161.
5. Bowen N. L. American Journal of Science (American Journal of Science), 1913, vol. 35, no. 210, pp. 577-599.
6. Cranmer D., Uhlmann D. R. Journal of Geophysical Research (Journal of Geophysical Research), 1981, vol. 86, no. b9, pp. 7951-7956.
7. Gladkov I. N., Distanov V. E., Kirdyashkin A. A., Kirdyashkin A. G. Fluid Dynamics (Fluid Dynamics), 2012, vol. 47, no. 4, pp. 433-447.
8. Kirdyashkin A. A., Kirdyashkin A. G., Gurov V. V. Geotectonics (Geotectonics), 2017, vol. 51, no. 4, pp. 398-411.
9. Lindsley D. H. Origin of Anorthosite and Related Rocks (Origin of Anorthosite and Related Rocks). New York, 1968, pp. 39-46.
10. MacGregor I. D. Carnegie Institution of Washington Yearbook (Carnegie Institution of Washington Yearbook), 1965, vol. 64, pp. 126-134.
11. Schairer J. F., Yoder H. S. American Journal of Science (American Journal of Science), 1960, vol. 258-a, pp. 273-283.
12. Surkov N. V., Doroshev A. M. Russian Geology and Geophysics (Russian Geology and Geophysics),1998, vol. 39, no. 9, pp. 1254-1268.
13. Surkov N. V., Gartvich Yu. G. Geochemistry International (Geochemistry International), 2012, vol. 50, no. 10, pp. 799-815.
14. Surkov N. V., Gartvich Yu. G. Russian Geology and Geophysics (Russian Geology and Geophysics), 2012, vol. 53, pp. 51-61.
15. Yoder H. S., Tilley C. E Journal of Petrology (Journal of Petrology), 1962, vol. 3, no. 3, pp. 342-532. Коротко об авторах_
Кирдяшкин Алексей Анатольевич, д-р геол.-минер. наук, профессор РАН, зав. лабораторией физического и химического моделирования геологических процессов, Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН, доцент кафедры общей и региональной геологии, Новосибирский государственный университет, г. Новосибирск, Россия. Область научныгх интересов: лабораторное и теоретическое моделирование геодинамических процессов, тектонофизика, геотектоника [email protected]
Кирдяшкин Анатолий Григорьевич, д-р техн. наук, ведущий научный сотрудник, лаборатория физического и химического моделирования геологических процессов, Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН, заслуженный деятель науки РФ, лауреат Государственной премии РФ, г. Новосибирск, Россия. Область научных интересов: лабораторное и теоретическое моделирование геологических процессов, сочетание геодинамического и петрологического моделирования, использование законов и методов теплофизики в задачах геодинамики, рост кристаллов [email protected]
Сурков Никита Викторович, канд. геол.-минер. наук, доцент, старший научный сотрудник, лаборатория физического и химического моделирования геологических процессов, Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН, г. Новосибирск, Россия. Область научных интересов: петрология, магматизм, экспериментальные исследования при высоких давлениях, физико-химический анализ diagrams@igm .nsc.ru
Briefly about the authors_
Alexey Kirdyashkin, doctor of geology and mineralogy sciences, professor, Russian Academy of Sciences, chief of Physical and Chemical Modeling of Geological Processes laboratory, V. S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy SB RAS, associate professor, General and Regional Geology Section, Geology and Geophysics department, Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia. Sphere of scientific interests: laboratory and theoretical modeling of geodynamic processes, tectonophysics, geotectonics
Anatoly Kirdyashkin, doctor of technical sciences, leading researcher, Physical and Chemical Modeling of Geological Processes laboratory, V. S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy SB RAS, honored scientist of the Russian Federation, State prize of the Russian Federation laureate, Novosibirsk, Russia. Sphere of scientific interests: laboratory and theoretical modeling of geological processes, combination of geodynamic and petrologic modeling, application of principles and methods of thermophysics togeodynamic problems, crystal growth
Nikita Surkov, candidate of geological and mineralogical sciences, associate professor, senior researcher, Physical and Chemical Modeling of Geological Processes laboratory, V. S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy SB RAS, Novosibirsk, Russia. Sphere of scientific interests: petrology, magmatism, experimental researches at high pressures, physico-chemical analysis
Работа выполнена в рамках государственного задания, проект № 0330 2016 0016
Образец цитирования_
Кирдяшкин А. А., Кирдяшкин А. Г., Сурков Н.В. Влияние тепло- и массообмена на состав базальтового расплава в грибообразной голове термохимического плюма // Вестн. Забайкал. гос. ун-та. 2018. Т. 24. № 10. С. 21-31. DOI: 10.21209/2227-9245-2018-24-10-21-31.
Kirdyashkin A., Kirddyashkin A., Surkov N. Influence of heat and mass transfer on composition of basaltic melt in the mushroom-shaped head of thermochemical plume // Transbaikal State University Journal, 2018, vol. 24, no. 10, pp. 21-31. DOI: 10.21209/2227-9245-2018-24-10-21-31.
Статья поступила в редакцию: 01.11. 2018 г. Статья принята к публикации: 03.12.2018 г.
