The origins of olivine fabric transitions and their effects on seismic anisotropy in the upper mantle

Titelangaben

Shekhar, Sushant:
The origins of olivine fabric transitions and their effects on seismic anisotropy in the upper mantle.
Bayreuth , 2012
( Dissertation, 2012 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Convecting mantle plays a central role in the thermal and geochemical evolution of the Earth. It provides the principal force responsible for major geological features such as mountains and ocean basins. Plate tectonics and its violent consequences such as earthquakes and volcanoes are all manifestations of the dynamics of the convective mantle. Shearing forces generated by mantle convection leads to lattice preferred orientation (LPO) of the major upper mantle mineral phases. LPO that develops in this way is thought to be the principal cause behind seismic anisotropy in the upper mantle, which can consequently be used to chart convective flow of the mantle. Strong changes in seismic anisotropy occur in the top 300 km of the upper mantle where olivine is the principal mineral. In this study a solid media high pressure deformation apparatus, called the deformation-DIA or D-DIA, has been used to deform aggregates of San Carlos olivine in simple shear geometry at pressures between 3 and 8.5 GPa and temperatures from 1300-1500°C. As part of this project a high pressure and temperature solid-media cubic assembly was developed to facilitate these experiment that employed alumina pistons cut at 45° to shear the sample but minimized cold deformation of the sample by employing initially porous alumina in the sample column. Once stable high pressures and temperature were reached the cubic assembly was deformed by compressing two vertically oriented anvils of the D-DIA, while the four horizontally oriented anvils were maintained at a constant loading force. This assembly shortening led to shearing of the olivine sample. Recovered samples were analyzed for fabric development employing electron backscattered diffraction (EBSD) and microstructure was observed using transmission electron microscopy (TEM). Experiments were performed at each pressure and temperature as a function of strain rate and H2O content. In dry olivine deformation experiments performed at slower strain rates an A-type fabric dominated at all pressures and temperatures, implying deformation by dislocation glide through the (010)[100] slip system. At higher strain rates evidence for the B-type fabric was observed, suggesting increased activity of the (010)[001] slip system at higher stresses. Recrystallization grains size and dislocation densities were used to estimate stresses in the samples and a good correlation was observed between strain rate and estimated flow stresses. Dry experiments from 8.5 GPa and 1500°C exhibited no LPO, which may be an indication for deformation through diffusion accommodated grain boundary sliding at these conditions. No indication was found that pressure influences the dominant slip system in olivine, in contrast to previous studies. It is considered that previously reported incidences of pressure effects can in fact be attributed to the development of higher stresses in experiments performed at higher pressures. Fabrics in H2O bearing olivine deformed at similar conditions revealed the overriding dominance of the C-type fabric, developed through action of the (100)[001] slip system. Variations in pressure, temperature and strain rate had little influence on this fabric development. TEM observations confirmed the presence of dislocations with slip systems consistent with the development of the macroscopic fabrics. Viscoplastic self consistent modeling was employed to understand the development of fabric in the samples and to estimate the relative contributions of variations slip systems to the developed fabrics. These results are used to construct an olivine fabric map which is found to be consistent with some previous studies at lower pressures. It is argued that the decrease in seismic anisotropy observed in the top 300 km of the upper mantle cannot originate from a pressure induced change in the dominant olivine deformation fabric. Instead it is argued that changes in the H2O content of olivine with depth cause a shift in the dominant fabric from A-type to C-type, with a possible excursion through the E-type fabric, dominant slip system (001)[100], which was, however, not observed in this study. Modeling is used to show that this variation in fabric with depth can cause the observed weakening the seismic anisotropy in the upper mantle if the olivine H2O content increases from below 100 ppm at 50 km to 250 ppm at 300 km. Rather than implying an increased in the H2O content of the mantle with depth, however, it is argued that this change in olivine H2O content can be caused by changes in the H2O olivine-pyroxene partition coefficients with depth, for a fixed bulk mantle H2O content of 200 ppm. Similar deformation experiments performed on a peridotite assemblage at 8.5 GPa and 1300°C indicate identical olivine fabrics to those observed in monomineralic experiments at the same conditions. Fabrics for diopside and enstatite were found to be similar to those found in previously performed lower pressure experiments. Experiments on a piezoelectric single crystal of GaPO4 were performed in the D-DIA and 6-ram MAVO press at high pressures in order to measure charge on the crystal developed through the application of deviatoric stresses. Electrical charges were measured through the use of an operational amplifier. Experiments performed at room temperature using a developed cubic assembly were successful in measuring quantifiable electrical charges resulting from the advancement of the deformation anvils by as little as 0.5 µm. Although the piezoelectric constant for this material is not yet calibrated at high pressures, stresses were estimated from the measured charges and measureable values were in the range 4-350 MPa.

Abstract in weiterer Sprache

Mantelkonvektion spielt eine zentrale Rolle in der thermischen und geochemischen Entwicklung der Erde. Sie stellt die Hauptenergiequelle für die Bildung von geologischen Grossstrukturen wie Gebirgsketten und Ozeanbecken dar. Die Plattentektonik und ihre gewalttätigen Folgen wie Erdbeben und Vulkane sind alle Manifestationen der Dynamik des konvektiven Erdmantels. Von Mantelkonvektion generierte Scherkräfte führen zu kristallographischer Vorzugsrientierung (lattice preferred orientation, LPO) der mineralogischen Hauptphasen des oberen Erdmantels. Auf diese Weise gebildete LPO wird als Hauptursache für seismische Anisotropie des oberen Erdmantel angesehen, und kann daher zur Kartierung der Fliessrichtungen, verwendet werden. Starke Änderungen in der seismischen Anisotropieereignen sich in den oberen 300 km des oberen Mantels, wo Olivin das wichtigste Mineral ist. In der vorliegenden Studie wurde eine Hochdruck-Verformungspresse, genannt Deformation-DIA (D-DIA), eingesetzt, um Aggregate von San Carlos Olivin in einfacher Schergeometrie bei Drücken zwischen 3 und 8,5 GPa und Temperaturen von 1300-1500 ° C zu deformieren. Um diese experimente durchführen zu können, wurde als Teil dieses Projektes eine kubische Hochdruck und-temperaturzelle entwickelt, die in einem Winkel von 45° geschnittene, feste Al2O3 Stempel benutzt, um die Probe zu scheren, aber die Kaltverformung während des Druckaufbaus minimiert, indem poröses Aluminiumoxid eingesetzt wird. Nachdem stabil hohe Drücke und Temperaturen während eines Expeiments erreicht wurden, wurde die kubische Zelle durch Komprimierung der zwei vertikal ausgerichteten Stempel der D-DIA verformt, während die vier horizontal ausgerichteten Stempel bei konstanter Kraft gehalten wurden. Diese Verkürzung der gesamten Zelle führt zu einer Scherdeformation der Olivinprobe. Die deformierten Proben wurden für im Hinblick auf eine Texturentwicklung mithilfe von rückgestrahlter Elektronenbeugung (EBSD) analysiert und die Mikrostruktur wurde mit Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Bei jedem Druck und Temperatur wurden Experimente in Abhängigkeit von Deformationsrate und Wassergehalt durchgeführt. In Verformungsexperimenten mit trockenem Olivin entwickelte sich bei niedriger Deformationsrate (niedrige Spannung) eine LPO des Typs A bei allen experimentellen Drücken und Temperaturen, was auf ein dominantes Gleitsystem (010) [100] hindeutet. Bei höherer Deformationsraten (höheren Spannungen) entwickelten sich LPOs des Typs B, was auf eine erhöhte Aktivität des (010) [001] Gleitsystems hindeutet. Die rekristallisierte Korngrösse und die Versetzungsdichten wurden dazu benutzt, die Spannungen in den Proben abzuschätzen und ergaben eine gute Korrelation mit den Deformationsraten. Experimente mit trockenen Proben bei 8.5 GPa und 1500 ° C ergaben keine LPO, was möglicherweise den Übergang zur Verformung durch Diffusions-gestütztes Korngrenzgleiten bei diesen Bedingungen anzeigt. Im Gegensatz zu früheren Studien gab es keinen Hinweis darauf, dass Druck das dominante Gleitsystem in Olivin beeinflusst. Die in diesen Arbeiten postulierte Druckabhängigkeit der Gleitsysteme im Olivin könnte daher in Wirklichkeit durch die höheren Spannungen bei den höheren experiementellen Drücken verursacht sein. Texturen in H2O-haltigen Olivinproben, die bei ähnlichen Bedingungen wie die trockenen Proben deformiert wurden, offenbart die Dominanz des Texturtyps C, charakterisiert durch die Einregelung des (100) [001] Gleitsystems. Änderungen von Parametern wie Druck, Temperatur und Deformationsrate hatte dabei nur sehr geringen Einfluss auf diese Texturentwicklung. TEM Beobachtungen bestätigten das Vorhandensein von Versetzungen der jeweiligen Gleitsysteme, die mit der Entwicklung der makroskopischen Texturen in Einklang stehen. Modellierungen der Texturentwicklung mithilfe eines viskoplastisch-selbskonsistenten Deformationsmodells wurden benutzt, um die Textur der Proben zu verstehen und die anteiligen Beiträge der verschiedenen Gleitsysteme zu ihrer Entwicklung abzuschätzen. Diese Ergebnisse werden verwendet, um eine Olivintexturkarte zu erstellen, die mit den vorherigen Deformationsstudien von Olivin bei niedrigerem Druck im Einklang steht. Es wird argumentiert, dass der Rückgang der seismischen Anisotropie, der in den obersten 300 km des oberen Mantels beobachtet wird, nicht durch eine druckinduzierte Änderung des dominanten Gleitsystems in Olivin verursacht wird. Stattdessen wird vorgeschlagen, dass Änderungen im H2O-Gehalt in Olivin mit der Tiefe eine Verschiebung der Textur von Typ A nach Typ C, mit einer möglichen Umweg über die textur des Typs E der durch das Gleitsystem (001) [100] charaketerisiert ist, in dieser Studie jedoch nicht beobachtet wurde. Modellierung wird verwendet, um zu zeigen, dass diese Änderung im dominanten Gleitsystem die Verringerung der seismischen Anisotropie mit der Tiefe im oberen Erdmantel verursachen kann. Der H2O-Gehalt von Olivin wächst von unter 100 ppm bei 50 km Tiefe auf 250 ppm bei 300 Kilometern Tiefe an. Allerdings wird nicht argumentiert, dass der H2O-Gehalt des Mantels mit der Tiefe ansteigt, sonder dass diese Änderung im H2O-Gehalt des Olivins durch die Änderung des Verteilungskoeffizienten von H2O zwischen Olivin und Pyroxen mit der Tiefe bei einem konstanten H2O Konzentration von 200 ppm im oberen Erdmantel verursacht werden kann. Ähnliche Verformungsexperimente wurden mit einer Probe peridotitischer Zusammensetzung bei 8.5 GPa und 1300 ° C durchgeführt und ergaben identische Olivintexturen wie die monomineralischen Experimente. Texturen für Diopsid und Enstatit in diesen Experimenten sind ähnlich zu solchen, die zuvor in Experimenten bei niedrigerem Druck produziert wurden. Experimente mit einem piezoelektrischen Einkristall aus GaPO4 wurden in der D-DIA und der 6-Ram MAVO Presse bei hohen Drücken durchgeführt, um die elektrische Ladungen zu messen, die durch die deviatorischen Spannungen erzeugt werden. Die elektrische Ladung des Kristalls wurde mithilfe eines Operationsverstärkers gemessen. In Experimenten bei Raumtemperatur wurden unter Verwendung der kubischen Zelle erfolgreich quantifizierbare elektrische Ladungen gemessen, die bei absoluten Bewegungen der Deformationsstempel von weniger als 0,5 µm erzeugt wurden. Obwohl die piezoelektrische Konstante für GaPO4 bei hohen Drücken noch nicht kalibriert ist, konnten aus den gemessenen elektrischen Ladungen mechanische Spannungen im Bereich von 4-350 MPa abgeschätzt werden.