Transport properties of glassy and molten lavas as a function of temperature and composition

Abstract

We provide measurements of thermal diffusivity (D), heat capacity (CP), and viscosity (η) for 12 remelted natural lavas and 4 synthetic glasses and melts, ranging in composition from leucogranite to low-silica basalt, and calculate their thermal conductivity. Both viscosity and the glass transition temperature decrease with decreasing melt polymerization. For basaltic glasses, D is low, ~ 0.5 mm2 s− 1 at room temperature, decreases slightly with increasing temperature, and then drops upon melting to ~ 0.25 to 0.35 mm2 s− 1. Other samples behave similarly. Despite scatter, clear correlations exist between D of glass or melt with Si content, density, NBO/T, and, most strongly, with fragility (m). Glass thermal diffusivity is represented by D = FT− G + HT, where F, G and H are fitting parameters. For melts, ∂ D/∂ T was resolved only for dacite-andesite and MORB: a positive slope is consistent with other iron-bearing samples. Glass and liquid CP depend on density and other physical properties, but not exactly in the same manner as D. We calculate thermal conductivity (k) from these data and demonstrate that k for glasses is described by a Maier-Kelly formula. Large scatter exists for k at 298 K, but silicic to intermediate melts have k between 1.8 and 1.3 Wm− 1 K− 1, whereas basaltic melts are constrained to ~ 1.4 ± 0.1 Wm− 1 k− 1. Low values for thermal diffusivity and viscosity for basaltic melts suggests that basalts transfer heat much more efficiently by advection than by conduction alone, and that partially molten zones in the mantle quickly become more thermally insulating than non-molten zones, potentially contributing to melt localization during decompression melting.Proporcionamos mediciones de difusividad térmica (D), capacidad calorífica (CP) y viscosidad (η) para 12 lavas naturales refundidas y 4 vidrios sintéticos y fundidos, que varían en composición desde leucogranito hasta basalto con bajo contenido de sílice, y calculamos su conductividad térmica. Tanto la viscosidad como la temperatura de transición vítrea disminuyen al disminuir la polimerización en estado fundido. Para vidrios basálticos, D es bajo, ~ 0.5 mm2 s− 1 a temperatura ambiente, disminuye levemente al aumentar la temperatura y luego cae al derretirse a ~ 0.25 a 0.35 mm2 s− 1. Otras muestras se comportan de manera similar. A pesar de la dispersión, existen claras correlaciones entre el D del vidrio o la masa fundida con el contenido de Si, la densidad, NBO / T y, más fuertemente, con la fragilidad (m). La difusividad térmica del vidrio está representada por D = FT− G + HT, donde F, G y H son parámetros de ajuste. Para las fundiciones, ∂ D / ∂ T se resolvió solo para dacita-andesita y MORB: una pendiente positiva es consistente con otras muestras que contienen hierro. El vidrio y el CP líquido dependen de la densidad y otras propiedades físicas, pero no exactamente de la misma manera que D. Calculamos la conductividad térmica (k) a partir de estos datos y demostramos que k para los vidrios se describe mediante una fórmula de Maier-Kelly. Existe una gran dispersión para k a 298 K, pero los fundidos silícicos a intermedios tienen k entre 1,8 y 1,3 Wm− 1 K− 1, mientras que los fundidos basálticos están restringidos a ~ 1,4 ± 0,1 Wm− 1 k− 1. Valores bajos de difusividad térmica y La viscosidad de los fundidos basálticos sugiere que los basaltos transfieren calor de manera mucho más eficiente por advección que por conducción sola, y que las zonas parcialmente fundidas en el manto se vuelven rápidamente más aislantes térmicamente que las zonas no fundidas, lo que potencialmente contribuye a la localización del fundido durante la fusión por descompresión.Fornecemos medições de difusividade térmica (D), capacidade de calor (CP) e viscosidade (η) para 12 lavas naturais refundidas e 4 vidros sintéticos e fundidos, variando em composição de leucogranito a basalto de baixo teor de sílica, e calculamos sua condutividade térmica. Tanto a viscosidade quanto a temperatura de transição vítrea diminuem com a diminuição da polimerização por fusão. Para vidros basálticos, D é baixo, ~ 0,5 mm2 s-1 à temperatura ambiente, diminui ligeiramente com o aumento da temperatura e, em seguida, cai ao derreter para ~ 0,25 a 0,35 mm2 s-1. Outras amostras se comportam de maneira semelhante. Apesar da dispersão, existem correlações claras entre D de vidro ou fusão com teor de Si, densidade, NBO / T e, mais fortemente, com fragilidade (m). A difusividade térmica do vidro é representada por D = FT− G + HT, onde F, G e H são parâmetros de ajuste. Para fundidos, ∂ D / ∂ T foi resolvido apenas para dacito-andesita e MORB: uma inclinação positiva é consistente com outras amostras contendo ferro. O CP de vidro e líquido depende da densidade e de outras propriedades físicas, mas não exatamente da mesma maneira que D. Calculamos a condutividade térmica (k) a partir desses dados e demonstramos que k para vidros é descrito por uma fórmula de Maier-Kelly. Grande dispersão existe para k em 298 K, mas os fundidos de silícico a intermediários têm k entre 1,8 e 1,3 Wm− 1 K− 1, enquanto os fundidos basálticos são restritos a ~ 1,4 ± 0,1 Wm-1 k− 1. Valores baixos para difusividade térmica e a viscosidade para fundidos basálticos sugere que os basaltos transferem calor de forma muito mais eficiente por advecção do que por condução sozinha, e que zonas parcialmente fundidas no manto rapidamente se tornam mais isolantes termicamente do que zonas não fundidas, potencialmente contribuindo para a localização do fundido durante a fusão descompressiva.