Preview

Геодинамика и тектонофизика

Расширенный поиск

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛМАЗОНОСНЫХ ПЛЮМОВ

https://doi.org/10.5800/GT-2019-10-2-0413

Полный текст:

Аннотация

Рассматриваются термохимические мантийные плюмы, имеющие тепловую мощность 1.6·1010 Вт<N<2.7·1010 Вт и относительную тепловую мощность 1.15<Ka<1.9. Такие плюмы мы называем плюмами промежуточной тепловой мощности. Они формируются на границе ядро – мантия под кратонами в отсутствие горизонтальных свободно‐конвективных течений в мантии под ними или при наличии слабых горизонтальных мантийных течений. На основе данных лабораторного и теоретического моделирования представлена схема конвективных течений в канале плюма промежуточной тепловой мощности. Плюм поднимается (выплавляется) от границы ядро – мантия до критического уровня xкр, с которого расплав из канала плюма по каналу излияния прорывается на поверхность. Канал излияния образуется под действием силы сверхлитостатического давления на кровлю поднимающегося плюма. При уменьшении высоты массива над кровлей плюма до критического значения xкр касательное напряжение на боковой поверхности массива достигает критической величины (предела прочности) τкр. Вследствие разрушения пород массива образуется канал излияния высотой xкр, по которому расплав из канала плюма прорывается на поверхность. Представлены оценки высоты канала излияния и времени подъема плюма до критического уровня xкр. Определен объем излившегося расплава для его кинематической вязкости =0.5–2.0 м2/с. С использованием объема излияния получена зависимость глубины x, с которой расплав выносится на поверхность, от диаметра канала плюма для указанных значений . В том случае, когда x больше 150 км, расплав из канала плюма может транспортировать алмазы на поверхность. Таким образом, плюмы промежуточной тепловой мощности являются алмазоносными. На основе лабораторного моделирования определена структура течения в области сопряжения канала плюма и канала излияния для алмазоносных плюмов. Сделаны фотографии картин течения и измерены профили скорости вдоль линий тока в основном цилиндрическом канале (канале плюма) и в области сопряжения основного канала с каналом истечения. Обнаружена застойная зона, находящаяся в области сопряжения стенки канала плюма и торца, моделирующего кровлю плюма. Течение расплава в канале прорыва проанализировано как турбулентное течение в прямом цилиндрическом канале диаметром dк. Результаты экспериментального моделирования и теоретического анализа показывают, что сверхлитостатическое давление в канале плюма равно сумме напора, расходуемого на преодоление трения расплава о стенки канала излияния, и напора, расходуемого на увеличение динамического давления в нем. Получено соотношение, связывающее скорость течения расплава в канале излияния и сверхлитостатическое давление у кровли плюма.

Об авторах

А. Г. Кирдяшкин
Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН
Россия

Анатолий Григорьевич Кирдяшкин - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник

630090, Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3



А. А. Кирдяшкин
Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН; Новосибирский национальный исследовательский государственный университет
Россия

Алексей Анатольевич Кирдяшкин - доктор геолого-минералогических наук, профессор РАН, заведующий лабораторией Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН

630090, Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3,

630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 2



В. Э. Дистанов
Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН
Россия

Валерий Элимирович Дистанов - кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник

630090, Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3



И. Н. Гладков
Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН
Россия

Игорь Николаевич Гладков – научный сотрудник

630090, Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3



Список литературы

1. Atikinson E., Pryde R., 2006. Seismic Investigation of Selected Kimberlite Pipes in the Buffalo Head Hills Kimberlite Field, North-Central Alberta. Alberta Energy and Utilities Board, EUB/AGS Special Report 079, 5 p.

2. Ажгирей Г.Д. Структурная геология. М.: Изд-во МГУ, 1956. 492 с..

3. Chalapathi Rao N.V., Lehmann B., 2011. Kimberlites, flood basalts and mantle plumes: New insights from the Deccan Large Igneous Province. Earth-Science Reviews 107 (3–4), 315–324. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2011.04.003.

4. Davaille A., Limare A., Touitou F., Kumagai I., Vatteville J., 2011. Anatomy of a laminar starting thermal plume at high Prandtl number. Experiments in Fluids 50 (2), 285–300. https://doi.org/10.1007/s00348-010-0924-y.

5. Dawson J.B., 1980. Kimberlites and Their Xenoliths. Springer–Verlag, Berlin–Heidelberg, 252 p. [Русский перевод: Доусон Дж. Кимберлиты и ксенолиты в них. М.: Мир, 1983. 300 с.].

6. Dobretsov N.L., Kirdyashkin A.A., Kirdyashkin A.G., Vernikovsky V.A., Gladkov I.N., 2008. Modelling of thermochemical plumes and implications for the origin of the Siberian traps. Lithos 100 (1–4), 66–92. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2007.06.025.

7. Н.Л., Кирдяшкин А.Г., Кирдяшкин А.А. Глубинная геодинамика. Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2001. 408 с.

8. Fedortchouk Y., Matveev S., Carlson J.A., 2010. H2O and CO2 in kimberlitic fluid as recorded by diamonds and olivines in several Ekati Diamond Mine kimberlites, Northwest Territories, Canada. Earth and Planetary Science Letters 289 (3–4), 549–559. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2009.11.049.

9. Field M., Stiefenhofer J., Robey J., Kurszlaukis S., 2008. Kimberlite-hosted diamond deposits of southern Africa: A review. Ore Geology Reviews 34 (1–2), 33–75. https://doi.org/10.1016/j.oregeorev.2007.11.002.

10. Gladkov I.N., Distanov V.E., Kirdyashkin A.A., Kirdyashkin A.G., 2012. Stability of a melt/solid interface with reference to a plume channel. Fluid Dynamics 47 (4), 433–447. https://doi.org/10.1134/S0015462812040023.

11. Jaques A.L., 1998. Kimberlite and lamproite diamond pipes. AGSO Journal of Australian Geology and Geophysics 17 (4), 153–162.

12. Jaupart C., Mareschal J.-C., 2007. Heat flow and thermal structure of the lithosphere. In: G. Schubert (Ed.), Treatise on geophysics. Vol. 6. Crust and lithosphere dynamics. Elsevier, Amsterdam, p. 217–251. https://doi.org/10.1016/B978-044452748-6.00104-8.

13. Jaupart C., Mareschal J.-C., 2014. Constraints on crustal heat production from heat flow data. In: H. Holland, K. Turekian (Eds.), Treatise on geochemistry (Second Edition). Vol. 4. The crust. Elsevier, Amsterdam, p. 53–73. https:// doi.org/10.1016/B978-0-08-095975-7.00302-8.

14. Kaminski E., Jaupart C., 2003. Laminar starting plumes in high-Prandtl-number fluids. Journal of Fluid Mechanics 478, 287–298. https://doi.org/10.1017/S0022112002003233.

15. Kennedy C.S., Kennedy G.C., 1976. The equilibrium boundary between graphite and diamond. Journal of Geophysical Research 81 (14), 2467–2470. https://doi.org/10.1029/JB081i014p02467.

16. Kirdyashkin A.A., Dobretsov N.L., Kirdyashkin A.G., 2004. Thermochemical plumes. Geologiya i Geofizika (Russian Geology and Geophysics) 45 (9), 1005–1024.

17. Kirdyashkin A.A., Dobretsov N.L., Kirdyashkin A.G., 2009. Heat transfer between a thermochemical plume channel and the surrounding mantle in the presence of horizontal mantle flow. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 45 (8), 684–700. https://doi.org/10.1134/S1069351309080084.

18. Kirdyashkin A.A., Dobretsov N.L., Kirdyashkin A.G., Gladkov I.N., Surkov N.V., 2005. Hydrodynamic processes associated with plume rise and conditions for eruption conduit formation. Geologiya i Geofizika (Russian Geology and Geophysics) 46 (9), 869–885.

19. Kirdyashkin A.A., Kirdyashkin A.G., 2016. On thermochemical mantle plumes with an intermediate thermal power that erupt on the Earth’s surface. Geotectonics 50 (2), 209–222. https://doi.org/10.1134/S0016852116020059.

20. Kirdyashkin A.A., Kirdyashkin A.G., Distanov V.E., Gladkov I.N., 2016. Geodynamic regimes of thermochemical mantle plumes. Russian Geology and Geophysics 57 (6), 858–867. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2016.05.003.

21. Кирдяшкин А.Г., Кирдяшкин А.А. Гидродинамика и тепломассообмен в грибообразной голове термохимического плюма // Геодинамика и тектонофизика. 2018. Т. 9. № 1. С. 263–286. https://doi.org/10.5800/GT-2018-9-1-0348.

22. Kirdyashkin A.G., Kirdyashkin A.A., Gladkov I.N., Distanov V.E., 2012. Experimental modeling of the effect of relative thermal power on the shape of a plume conduit and the structure of free-convection flow in it. Russian Geology and Geophysics 53 (7) 689–697 https://doi.org/10.1016/j.rgg.2012.05.007.

23. Kotelkin V.D., Lobkovskii L.I., 2011. Thermochemical theory of geodynamical evolution. Doklady Earth Sciences 438 (1), 622–626. https://doi.org/10.1134/S1028334X11050333.

24. Kumagai I., Davaille A., Kurita K., 2007. On the fate of thermally buoyant mantle plumes at density interfaces. Earth and Planetary Science Letters 254 (1–2), 180–193. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2006.11.029.

25. Lin S.-C., van Keken P.E., 2006. Dynamics of thermochemical plumes: 1. Plume formation and entrainment of a dense layer. Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 7 (2), Q02006. https://doi.org/10.1029/2005GC001071.

26. Olson P., Singer H. 1985. Creeping plumes. Journal of Fluid Mechanics 158, 511–531. https://doi.org/10.1017/S0022112085002749.

27. Schlichting H., 1979. Boundary-Layer Theory. McGraw-Hill, 817 p.

28. Torsvik T.H., Burke K., Steinberger B., Webb S.J., Ashwal L.D., 2010. Diamonds sampled by plumes from the core–mantle boundary. Nature 466 (7304), 352–355. https://doi.org/10.1038/nature09216.

29. Trubitsyn V.P., Kharybin E.V., 2010. Thermochemical mantle plumes. Doklady Earth Sciences 435 (2), 1656–1658. https://doi.org/10.1134/S1028334X10120226.

30. Vatteville J., van Keken P.E., Limare A., Davaille A., 2009. Starting laminar plumes: Comparison of laboratory and numerical modeling. Geochemistry, Geophysics, Geosystems 10 (12), Q12013. https://doi.org/10.1029/2009GC002739.

31. Whitehead J.A., Luther D.S., 1975. Dynamics of laboratory diapir and plume models. Journal of Geophysical Research 80 (5), 705–717. https://doi.org/10.1029/JB080i005p00705.

32. Yang T., Fu R., 2014. Thermochemical piles in the lowermost mantle and their evolution. Physics of the Earth and Planetary Interiors 236, 109–116. https://doi.org/10.1016/j.pepi.2014.04.006.

33. Zhong S., 2006. Constraints on thermochemical convection of the mantle from plume heat flux, plume excess temperature, and upper mantle temperature. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 111 (B4), B04409. https:// doi.org/10.1029/2005JB003972.


Для цитирования:


Кирдяшкин А.Г., Кирдяшкин А.А., Дистанов В.Э., Гладков И.Н. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛМАЗОНОСНЫХ ПЛЮМОВ. Геодинамика и тектонофизика. 2019;10(2):247-263. https://doi.org/10.5800/GT-2019-10-2-0413

For citation:


Kirdyashkin A.G., Kirdyashkin A.A., Distanov V.Е., Gladkov I.N. EXPERIMENTAL AND THEORETICAL MODELING OF DIAMONDIFEROUS PLUMES. Geodynamics & Tectonophysics. 2019;10(2):247-263. (In Russ.) https://doi.org/10.5800/GT-2019-10-2-0413

Просмотров: 142


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2078-502X (Online)