ON HEAT SOURCE IN SUBDUCTION ZONE

The subduction of an oceanic plate is studied as the motion of a high-viscosity Newtonian fluid. The subducting plate spreads along the 670-km depth boundary under the influence of oppositely directed horizontal forces. These forces are due to oppositely directed horizontal temperature gradients. We consider the flow structure and heat transfer in the layer that includes both the oceanic lithosphere and the crust and moves underneath a continent. The heat flow is estimated at the contact between the subducting plate and the surrounding mantle in the continental limb of the subduction zone. Our study results show that the crustal layer of the subducting plate can melt and a thermochemical plume can form at the 670-km boundary. Our model of a thermochemical plume in the subduction zone shows the following: (1) formation of a plume conduit in the crustal layer of the subducting plate; (2) formation of a primary magmatic chamber in the area wherein the melting rate equals the rate of subduction; (3) origination of a vertical plume conduit from the primary chamber melting through the continent; (4) plume eruption through the crustal layer to the surface, i.e. formation of a volcano. Our experiments are aimed to model the plume conduit melting in an inclined flat layer above a local heat source. The melt flow structure in the plume conduit is described. Laboratory modeling have revealed that the mechanisms of melt eruption from the plume conduit differ depending on whether a gas cushion is present or absent at the plume roof

ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛОМАССООБМЕН В ГРИБООБРАЗНОЙ ГОЛОВЕ ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО ПЛЮМА

The model of a thermochemical mantle plume is described. The scheme of origination of the plume from the core-mantle boundary is presented. The basic ratios for determining the thermal power and the diameters of thermochemical plumes are given. After eruption of the melt from the plume conduit to the surface, melting occurs along the base of the crustal block above the plume roof, resulting in the formation of a mushroom-shaped head of the plume, which means that a large intrusive body (deep-rooted batholith) is formed. The relative thermal power of such plumes is 1.9<Ka<10. Based on the laboratory and theoretical modeling results, we present the thermal and hydrodynamic structure of the thermochemical plume with the mushroom-shaped head. The parameters of some plumes, that are responsible for formations of batholiths in North Asia, are estimated from the geological data, including the age intervals and the extent of magmatism. Relying on the model of the flat horizontal liquid layer, hydrodynamics and heat transfer of the mushroom-shaped plume head are considered. The variations in temperature and flow velocity in the melt of the plume head are assessed. The compositional changes in the melt of the plume head are determined by stages: (1) after settling of refractory minerals; (2) after settling of plagioclase in the melt resulting from the first stage. The tables show the calculation data, including the weight contents of oxides and the normative compositions for the melts at Tmelt=1410 °C and Tmelt=1380 °C. The thickness of the residual melt is estimated for the case of the Khentei plume. Its head’s thickness (l) is equal to the plume conduit diameter (d): l=d=29 km. The proposed model of the plume with the mushroom-shaped head was used to calculate the normative composition of the melt with a chemical composition similar to that of normal granites.Описана модель мантийного термохимического плюма, и представлена схема его зарождения на границе ядро–мантия. Приведены основные соотношения для определения тепловой мощности термохимического плюма и диаметра его канала. Плюмы с грибообразной головой имеют относительную тепловую мощность 1.9<Ka<10. После прорыва расплава из канала плюма на поверхность происходит плавление вдоль подошвы массива коры над кровлей плюма и образуется грибообразная голова плюма, т.е. формируется крупное интрузивное тело (корневой батолит). На основе данных лабораторного и теоретического моделирования представлена тепловая и гидродинамическая структура термохимического плюма с грибообразной головой. Определены основные параметры некоторых плюмов, ответственных за образование батолитов Северной Азии. Гидродинамика и теплообмен в грибообразной голове плюма рассмотрены на основе модели плоского горизонтального слоя жидкости. Оценены величины изменения температуры и скорости течения в расплаве головы плюма. Расчеты состава расплава в грибообразной голове плюма проведены в два этапа: 1) после осаждения тугоплавких минералов на подошву головы плюма; 2) после осаждения плагиоклаза в расплаве, образовавшемся после первого этапа и содержащем 61.5 % плагиоклазового компонента. Результаты расчетов приведены в виде таблиц, представляющих процентное весовое содержание оксидов, а также нормативный минералогический состав расплава при температуре Tр=1410 °C и Tр=1380 °C. Расчеты толщины слоя остаточного расплава проведены для Хэнтэйского плюма, у которого толщина головы l=d=29 км (d – диаметр канала плюма). На основе предложенной модели плюма с грибообразной головой в результате расчетов может быть получен нормативный состав расплава, близкий к составу нормальных гранитов

Computer simulation radiation damages in condensed matters

As part of the cascade-probability method were calculated the energy spectra of primary knocked-out atoms and the concentration of radiation-induced defects in a number of metals irradiated by electrons. As follows from the formulas, the number of Frenkel pairs at a given depth depends on three variables having certain physical meaning: firstly, C[d] (E[a] h) is proportional to the average energy of the considered depth of the PKA (if it is higher, than the greater number of atoms it will displace); secondly is inversely proportional to the path length [lambda]2 for the formation of the PKA (if [lambda][1] is higher than is the smaller the probability of interaction) and thirdly is inversely proportional to E[d]. In this case calculations are in satisfactory agreement with the experimental data (for example, copper and aluminum)

ОСОБЕННОСТИ ПЛАВЛЕНИЯ В КАНАЛЕ ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО ПЛЮМА И ТЕПЛОМАССООБМЕН ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИОННОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ БАЗАЛЬТОВОГО РАСПЛАВА В ГРИБООБРАЗНОЙ ГОЛОВЕ ПЛЮМА

The number Ka=N/N1 is used to evaluate the thermal power of a plume; N is the thermal power transferred from the plume base to its conduit, and N1 is the thermal power transferred from the plume conduit into the surrounding mantle. At the relative thermal power 1.9<Ka<10, after eruption of the melt from the plume conduit to the surface, melting occurs in the crustal block above the plume roof, resulting in the formation of a mushroom-shaped head of the plume. A thermochemical plume originates at the core-mantle boundary and ascends (melts up) to the surface. Based on laboratory and theoretical modeling data, we present the flow structure of melt in the conduit and the head of the thermochemical plume. The features of melting in the plume conduit are elucidated on the basis of the phase diagram of the CaO-MgO-Al2O3-SiO2 model system. The two upper convection cells of the plume conduit relate to the region of basic and ultrabasic compositions. Our study shows that melting in these cells proceeds according to monovariant equilibria of eutectic type L=Cpx+Opx+An+Sp and L=Fo+An+Cpx+Opx. In case of the CaO–MgO–Al2O3–SiO2–Na2O system, crystallization differentiation proceeds as separation of plagioclase crystals. Separation of plagioclase crystals enriched in anorthite component leads to enrichment of the residual melt in silica and alkaline components. Assuming the initial basaltic melt, we calculated the compositional changes in the melt, which are powered by the heat and mass transfer processes in the mushroom-shaped plume head. 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. In the second stage, the melt contains 88.5 % of plagioclase component. The calculations were performed for melt temperature Tmelt=1410 °C and pressure P=2.6 kbar and 6.3 kbar. The calculated weight contents of oxides, the normative compositions for solid phase, and the oxide content and normative composition for the residual melt were tabulated. The SiO2 content in the residual melt amounts to 59.6–62.3 % and corresponds to the crustal SiO2 content.В качестве масштаба тепловой мощности плюма используется критерий Ka=N/N1, где N– тепловая мощность, передающаяся от подошвы плюма в его канал, N1 – тепловая мощность, передаваемая от канала плюма в окружающую мантию. При 1.9<Ka<10 после прорыва расплава из канала плюма на поверхность происходит плавление массива коры над кровлей плюма и образуется грибообразная голова плюма. 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, в области основных и ультраосновных составов, плавление протекает по моновариантным равновесиям эвтектического типаL=Cpx+Opx+An+Sp и L=Fo+An+Cpx+Opx. При расширении состава указанной модельной системы щелочным компонентом до CaO–MgO–Al2O3–SiO2–Na2O в этих ячейках появляются условия для кристаллизационной дифференциации в виде процесса отделения кристаллов плагиоклаза. Отделение кристаллов плагиоклаза, обогащенных анортитовым компонентом, приводит к изменению состава остаточного расплава в направлении высоких содержаний кремнезема и щелочных компонентов. Проведены расчеты состава расплава, получающегося вследствие процессов тепло- и массопереноса в грибообразной голове плюма в предположении, что исходный состав расплава в ней – базальтовый. Расчеты проведены в два этапа: (1) после осаждения тугоплавких минералов на подошву головы плюма; (2) после осаждения плагиоклаза в расплаве, образовавшемся после первого этапа и содержащем 88.5 % плагиоклазового компонента. Результаты расчетов приведены в виде таблиц, представляющих процентное весовое содержание оксидов для твердой фазы, а также содержание оксидов и нормативный состав для остаточного расплава при температуре Tр=1410 °C и давлении P=2.6 кбар и P=6.3 кбар. Содержание SiO2 в остаточном расплаве составляет 59.6–62.3 % и соответствует содержанию SiO2 в коровом слое

Catastrophic models of materials destruction

The effect of concentration and type of fillers on mechanical properties of composite material based on polyimide were studied. Polyethylene terephthalate (PET, polyester), polycarbonate (PCAR) and montmorillonite (MM) were used as the fillers. The samples were prepared by mechanically blending the polyimide-based lacquer solutions with different concentrations of the second component. The concentration of filler and its class, especially their internal structure and technology of synthesis determine features of physical and mechanical properties of obtained materials. Models of catastrophic failure of material satisfactorily describe the main features depending on tension ct from deformation e

ОБ ИСТОЧНИКЕ ТЕПЛА В ЗОНЕ СУБДУКЦИИ

The subduction of an oceanic plate is studied as the motion of a high-viscosity Newtonian fluid. The subducting plate spreads along the 670-km depth boundary under the influence of oppositely directed horizontal forces. These forces are due to oppositely directed horizontal temperature gradients. We consider the flow structure and heat transfer in the layer that includes both the oceanic lithosphere and the crust and moves underneath a continent. The heat flow is estimated at the contact between the subducting plate and the surrounding mantle in the continental limb of the subduction zone. Our study results show that the crustal layer of the subducting plate can melt and a thermochemical plume can form at the 670-km boundary. Our model of a thermochemical plume in the subduction zone shows the following: (1) formation of a plume conduit in the crustal layer of the subducting plate; (2) formation of a primary magmatic chamber in the area wherein the melting rate equals the rate of subduction; (3) origination of a vertical plume conduit from the primary chamber melting through the continent; (4) plume eruption through the crustal layer to the surface, i.e. formation of a volcano. Our experiments are aimed to model the plume conduit melting in an inclined flat layer above a local heat source. The melt flow structure in the plume conduit is described. Laboratory modeling have revealed that the mechanisms of melt eruption from the plume conduit differ depending on whether a gas cushion is present or absent at the plume roof.Рассматривается процесс субдукции океанической литосферной плиты в приближении высоковязкой ньютоновской жидкости. Вблизи границы 670 км происходит растекание плиты в противоположные стороны из-за действия противоположно направленных горизонтальных сил, создающихся вследствие противоположно направленных горизонтальных градиентов температуры. Рассматриваются гидродинамика и теплообмен в слое, движущемся под континент и состоящем из океанической литосферы и корового слоя. Оценен тепловой поток на контакте субдуцирующей плиты с окружающей мантией на континентальном крыле зоны субдукции, и показана возможность плавления корового слоя субдуцирующей плиты и зарождения термохимического плюма на границе 670 км. Представлена модель термохимического плюма в зоне субдукции, включающая образование канала плавления в коровом слое субдуцирующей плиты; формирование первичного очага в области равенства по величине скоростей выплавления канала и субдукции; образование от первичного очага вертикально направленного канала плюма, проплавляющего континент; прорыв плюма на поверхность, т.е. образование вулкана. Представлены результаты экспериментального моделирования выплавления канала плюма в плоском наклонном слое парафина над локальным источником тепла. Представлена гидродинамическая структура расплава в канале плюма. Обнаружено различие в механизме прорыва расплава из канала плюма на поверхность в отсутствие и при наличии газовой подушки у кровли плюма

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛМАЗОНОСНЫХ ПЛЮМОВ

We consider thermochemical mantle plumes with thermal power 1.6·1010 W<N<2.7·1010 W (relative thermal power 1.15<Ka<1.9) as plumes with an intermediate thermal power. Such plumes are formed at the core–mantle boundary beneath cratons in the absence of horizontal free‐convection mantle flows beneath them, or in the presence of weak horizontal mantle flows. A proposed scheme of convection flows in the conduit of a plume with an intermediate thermal power is based on laboratory and theoretical modeling data. A plume ascends (melts out) from the coremantle boundary to critical depth xкр from which magma erupts on the Earth’s surface. The magmatic melt erupts from the plume conduit onto the surface through the eruption conduit. The latter forms under the effect of superlithostatic pressure on the plume roof. While the thickness of the block above the plume roof decreases to a critical value xкр, the shear stress on its cylindrical surface reaches a critical value (strength limit) τкр.Rock fails in the vicinity of the cylindrical block and, as a consequence, the eruption conduit is formed. We estimate the height of the eruption conduit and the time for the plume to ascent to the critical depth xкр. The volume of erupted melt is estimated for kinematic viscosity of melt =0.5–2 м2/с. The depth Δx from which the melt is transported to the surface is determined. Using the eruption volume, we obtain a relationship between the depth Δx and the plume conduit diameter for the above‐mentioned kinematic viscosities. In the case that the depth Δx is larger than 150 km, the melt from the plume conduit can transport diamonds to the Earth’s surface. Thus, the plumes with an intermediate thermal power are diamondiferous. The melt flow structure at the plume conduit/eruption conduit interface is determined on the basis of the laboratory modeling data. The photographs of the simulated flow were obtained. The flow line velocities were measured in the main cylindrical conduit (plume conduit) and at the main conduit/eruption conduit interface. A stagnant area is detected in the 'conduit wall/plume roof’ interface zone. The melt flow in the eruption conduit was analyzed as a turbulent flow in the straight cylindrical conduit with diameter dк. According to the experimental modeling and theoretical data, the superlithostatic pressure in the plume conduit is the sum of the frictional pressure drop and the increasing dynamic pressure in the eruption conduit. A relationship between the melt flow velocity in the eruption conduit and superlithostatic pressure has been derived.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

ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПЕРИОД ПОДЪЕМА ПЛЮМА ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ В ЛИТОСФЕРЕ КОНТИНЕНТА И ПРИ ЕГО ПРОРЫВЕ НА ПОВЕРХНОСТЬ

The study is focused on thermochemical mantle plumes with intermediate thermal power (1.15 < Ka < 1.9). Previously we have shown that these plumes are diamondiferous. Based on the laboratory modeling data, the flow structure of a melt in a plume conduit is represented. A plume melts out and ascends from the core – mantle boundary to the bottom of the continental lithosphere. The plume roof moves upwards in the lithosphere because of melting of the lithospheric matter at the plume roof and due to the effect of superlithostatic pressure on the roof, which causes motion in the lithosphere block above the plume roof. The latter manifests itself by uplifting of the ground surface above the plume. As the plume ascends through the lithosphere, the elevation of the surface increases until the plume ascends to critical level xкр, where an eruption conduit is formed. In our model, plume ascent velocity uпл is the rate of melting at the plume roof. Values of uпл and the ascent velocity of a spherical plume roof due to superlithostatic pressure U are calculated. Relationships are found between these velocities and the plume roof depth. The dependence of the velocity of the surface’s rise on the dynamic viscosity of the lithosphere block above the plume is obtained. A relationship is determined between the maximum surface elevation and the lithosphere viscosity. The elevation values are determined for different times and different lithosphere viscosities.The results of laboratory modeling of flow structure at the plume conduit/eruption conduit interface are presented. The flow was photographed (1) in the plane passing through the axes of the plume conduit and the eruption conduit; and (2) in case of the line-focus beam perpendicular to the axial plane. The photographs were used for measuring the flow velocities in the plume conduit and the eruption conduit. Corresponding Reynolds numbers and flow regimes are determined. The relation of dynamic pressure in the eruption conduit to that in the plume conduit is found for intermediate-power plumes. The melt flow velocity in the eruption conduit depends on superlithostatic pressure on the plume roof, plume diameter and kinematic viscosity of the melt. Its values are determined for different kinematic viscosities of melt.Рассматриваются мантийные термохимические плюмы промежуточной тепловой мощности (1.15<Ka<1.9). На основе имеющихся данных лабораторного моделирования плюмов представлена структура течения в расплаве канала плюма, поднявшегося от границы ядро – мантия к подошве континентальной литосферы. Движение кровли плюма вверх в литосфере происходит вследствие плавления вещества литосферы на кровле плюма и силового воздействия сверхлитостатического давления на кровлю. Воздействие сверхлитостатического давления вызывает движение в массиве литосферы над кровлей плюма, которое проявляется поднятием дневной поверхности над плюмом. По мере выплавления плюма в литосфере высота поднятия возрастает до того момента, когда плюм достигает уровня xкр, на котором образуется канал излияния.Представлены зависимости скорости подъема (выплавления) плюма uпл и скорости подъема шарообразной кровли плюма U под воздействием сверхлитостатического давления от глубины расположения кровли. Получены зависимости скорости подъема поверхности над плюмом и максимальной высоты подъема от динамической вязкости массива литосферы над кровлей плюма. Представлена высота поднятия поверхности, образующегося под действием плюма, поднимающегося в литосфере, для различных моментов времени t при различной вязкости литосферы.Представлены результаты экспериментального моделирования структуры течения в области сопряжения канала плюма и канала излияния. Получены фотографии картин течения в плоскости, проходящей через оси модельных канала плюма и канала излияния, и в том случае, когда плоскость светового ножа перпендикулярна осевой плоскости. С использованием этих фотографий найдены скорости течения в канале плюма и канале излияния, определены соответствующие числа Рейнольдса и режимы течения. Для плюмов промежуточной мощности найдено отношение динамического давления расплава в канале излияния к динамическому давлению в канале плюма. Получено соотношение, определяющее скорость течения в канале излияния в зависимости от сверхлитостатического давления в расплаве у кровли плюма, диаметра канала плюма и кинематической вязкости расплава. Определена скорость течения расплава в канале излияния для различных кинематических вязкостей расплава

10He low-lying states structure uncovered by correlations

The 0+ ground state of the 10He nucleus produced in the 3H(8He,p)10He reaction was found at about $2.1\pm0.2$ MeV (\Gamma ~ 2 MeV) above the three-body 8He+n+n breakup threshold. Angular correlations observed for 10He decay products show prominent interference patterns allowing to draw conclusions about the structure of low-energy excited states. We interpret the observed correlations as a coherent superposition of the broad 1- state having a maximum at energy 4-6 MeV and the 2+ state above 6 MeV, setting both on top of the 0+ state "tail". This anomalous level ordering indicates that the breakdown of the N=8 shell known in 12Be thus extends also to the 10He system.Comment: 5 pages, 5 figure

HYDRODYNAMICS AND HEAT AND MASS TRANSFER IN MUSHROOM-SHAPED HEADS OF THERMOCHEMICAL PLUMES

The model of a thermochemical mantle plume is described. The scheme of origination of the plume from the core-mantle boundary is presented. The basic ratios for determining the thermal power and the diameters of thermochemical plumes are given. After eruption of the melt from the plume conduit to the surface, melting occurs along the base of the crustal block above the plume roof, resulting in the formation of a mushroom-shaped head of the plume, which means that a large intrusive body (deep-rooted batholith) is formed. The relative thermal power of such plumes is 1.9<Ka<10. Based on the laboratory and theoretical modeling results, we present the thermal and hydrodynamic structure of the thermochemical plume with the mushroom-shaped head. The parameters of some plumes, that are responsible for formations of batholiths in North Asia, are estimated from the geological data, including the age intervals and the extent of magmatism. Relying on the model of the flat horizontal liquid layer, hydrodynamics and heat transfer of the mushroom-shaped plume head are considered. The variations in temperature and flow velocity in the melt of the plume head are assessed. The compositional changes in the melt of the plume head are determined by stages: (1) after settling of refractory minerals; (2) after settling of plagioclase in the melt resulting from the first stage. The tables show the calculation data, including the weight contents of oxides and the normative compositions for the melts at Tmelt=1410 °C and Tmelt=1380 °C. The thickness of the residual melt is estimated for the case of the Khentei plume. Its head’s thickness (l) is equal to the plume conduit diameter (d): l=d=29 km. The proposed model of the plume with the mushroom-shaped head was used to calculate the normative composition of the melt with a chemical composition similar to that of normal granites