Abstract

Theoretical assessment of the physics of komatiites as resulting from open-channel flows indicates them to be turbulent and to have velocities ranging from meters/second to tens of meters per second, depending on slope and thickness (i.e., depth) of the flow. These flows should also carry stratifications of suspended load (due to increasing content of crystals as the melt cools along its run) as do rivers transporting sediment. Depending on the distance from the source, the bed load may be rich in olivine crystals, the suspended load above it, rich in sulfides, and the upper portions of the flow may consist of more evolved material. Calculated thicknesses of these suspended loads and their vertical distributions correspond to field observations. Primocrysts (e.g., chromian spinel) should accumulate at the boundaries separating each suspended load in the flow. The observed drop in temperature per kilometer of run of basalt lava flows provides a means to imply cooling rates for higher-temperature komatiite flows. Barring supersaturation, the implied rates of cooling indicate that sulfides should begin to precipitate from a komatiitic melt around 40 km from the source. Finite-element modeling of these flows indicates that eddies form on the upstream side of ledges or in hollows. These eddies provide an extremely efficient means for scavenging metals into sulfides, and their morphology corresponds to massive sulfide deposits associated with embayments. The vigor of the eddies is dependent on the Reynolds number Re, and indicates Re to be as important as the R factor for the formation of economic deposits. The sulfides must be well mixed with the melt in order to scavenge the greatest amount of nickel. Scavenging efficacy increases with Re to a maximum, then decreases. For example, a thick flow (large R factor) will be fast (large Reynolds number), in which case the melt may simply hurdle the embayment with little eddy formation and little catchment for massive sulfide formation. These numerical models support some of the physical models of Naldrett and coworkers. It is difficult to incorporate the results here into thermal erosion models, which is in line with recent critiques of such mechanisms. Thermal erosion is not seen in industrial practice, where continuous casting of melts of temperatures considerably higher than magmas yield only chilled margins between sluice and melt, which armors against any chemical communication between the two. Similarly, Hawaiian lavas do not thermally erode tar roads. A quenched crust is formed over the road, which armors it against the lava above it. The results herein seem to indicate the necessity of some topography to “trip” the flow and get it tumbling in order to secure thorough mixing.

Abstract

Une évaluation théorique des aspects physiques de la mise en place des coulées komatiitiques dans un chenal ouvert montre qu’elles étaient turbulentes et qu’elles avaient une vélocité allant de mètres par seconde jusqu’à des dizaines de mètres par seconde, selon la pente et l’épaisseur (c’est-à-dire, la profondeur) de la coulée. Ces coulées devraient aussi porter des traînées de particules en suspension, étant donné la formation de cristaux accompagnant le refroidissement du liquide à mesure qu’il s’épanche, tout comme une rivière peut transporter des sédiments. Dépendant de la distance de la source, ces traînées pourraient s’avérer être riches en olivine, et la suspension supérieure, riche en sulfures, tandis que les parties supérieures des coulées pourraient avoir une composition plus évoluée. Les épaisseurs calculées de ces traînées en suspension et leur distribution le long de l’axe vertical correspondent aux observations faites sur le terrain. Les cristaux primaires, par exemple les cristaux de spinelle chromifère, devraient s’accumuler le long d’interfaces séparant les accumulations de particules en suspension. La chute en température observée par kilomètre d’épanchement de lave basaltique nous permet d’estimer le taux de refroidissement des coulées de lave komatiitique, dont la température était plus élevée. A moins qu’il y ait sursaturation, et d’après les taux de refroidissement impliqués, les sulfures ont dû se déposer à partir d’un liquide komatiitique environ 40 km de la source. Une modélisation de ces coulées par éléments finis montre que les tourbillons apparaissent en amont des dalles en rebord ou bien dans les dépressions. Ces tourbillons fournissent un mécanisme très efficace d’extraction et de répartition des métaux dans la fraction sulfurée, et leur morphologie correspond aux accumulations de sulfures massifs associés aux dépressions. La vigueur de ces tourbillons dépendrait de l’amplitude du facteur de Reynolds Re, ce qui montre que Re revêt une importance équivalente au facteur R pour la formation de gisements économiques. Les sulfures doivent être bien mélangés au liquide pour que l’extraction du maximum de nickel puisse se faire. L’efficacité de l’extraction augmente avec Re jusqu’à un maximum, pour ensuite diminuer. Comme exemple, une épaisse coulée (et donc un facteur R élevé) sera rapide (facteur Re élevé); dans ce cas, le liquide pourrait tout simplement enjamber la dépression sans qu’il puisse s’y développer un tourbillon, et donc il n’y aurait pas de mécanisme d’accumulation des sulfures. Ces modèles numériques étayent certains des modèles de Naldrett et de ses collègues. Il est difficile d’incorporer ces résultats dans un schéma d’érosion thermique, ce qui concorde avec les critiques récentes de tels mécanismes pour atteindre une saturation en sulfures. L’érosion thermique ne semble pas importante dans l’industrie, où l’écoulement continu de liquides ayant une température de beaucoup supérieure à celles des magmas ne mène qu’au développement d’une bordure figée entre substrat et liquide. Cette bordure figée empêche le transfert de matière d’un médium à l’autre. De façon semblable, les laves hawaiiennes ne causent pas d’erosion de routes pavées. Une croûte trempée se forme et empêche l’interaction avec la coulée sus-jacente. Les résultats présentés ici semblent indiquer la nécessité d’avoir un certain relief topographique pour faire qu’une coulée cascade, afin d’assurer un mélange intime avec les particules en suspension.

(Traduit par la Rédaction)

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