Viscosity of magmatic liquids: A model

硅酸盐 粘度 热力学 岩浆 矿物学 结晶 无水的 地质学 脆弱性 火山 材料科学 化学 地球化学 物理 有机化学
作者
Daniele Giordano,James K. Russell,Donald B. Dingwell
出处
期刊:Earth and Planetary Science Letters [Elsevier]
卷期号:271 (1-4): 123-134 被引量:1320
标识
DOI:10.1016/j.epsl.2008.03.038
摘要

The viscosity of silicate melts controls magma transport dynamics, eruption style and rates of physicochemical processes (e.g., degassing, crystallization) in natural magmas. Thus a comprehensive viscosity model for magmatic liquids has long been a goal of earth scientists. Here we present a model that predicts the non-Arrhenian Newtonian viscosity of silicate melts as a function of T and melt composition, including the rheologically important volatile constituents H2O and F. Our model is based on > 1770 measurements of viscosity on multicomponent anhydrous and volatile-rich silicate melts. The non-Arrhenian T-dependence of viscosity is accounted for by the VFT equation [log η = A + B / (T(K) − C)]. The optimization assumes a common, high-T limit (A) for silicate melt viscosity and returns a value for this limit of − 4.55 (+ 0.2) (e.g., log η ~ 10− 4.6 Pa s). All compositional dependence is ascribed to the parameters B and C and is accounted for by an additional 17 model coefficients. Our model is continuous in composition- and temperature-space and predicts the viscosity of natural volatile-bearing silicate melts (SiO2, Al2O3, TiO2, FeOtot, CaO, MgO, MnO, Na2O, K2O, P2O5, H2O, F2O− 1) over fifteen log units of viscosity (10− 1– 1014 Pa s). The model for viscosity can also predict other transport properties including glass transition temperatures (Tg) and melt fragility (m). We show strong systematic decreases in Tg and m with increasing volatile content. This pattern has implications for predicting styles of volcanic eruption and understanding silicate melt structure. Our model transforms a quarter-century of experimental study of melt viscosities, into a parameterisation having a predictive capacity that makes it relevant to diverse fields of research including: volcanology, geophysics, petrology and material sciences.
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