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Single-crystal elasticity of Al-rich phases in the Earth’s transition zone and lower mantle

URN to cite this document: urn:nbn:de:bvb:703-epub-2082-7

Title data

Pamato, Martha Giovanna:
Single-crystal elasticity of Al-rich phases in the Earth’s transition zone and lower mantle.
Bayreuth , 2014 . - IV, 186 P.
( Doctoral thesis, 2014 , University of Bayreuth, Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences)

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Project financing: This project was also supported by ERC grant no. 227893 "DEEP" funded through the EU 7th Framework Programme


Understanding the Earth’s internal convection process is one of the major frontiers in Earth sciences. The subduction of oceanic lithosphere must produce chemical heterogeneities in the mantle, which may explain some instances of lateral heterogeneity in seismic wave velocities. Seismic observations of the Earth’s interior provide the only method to investigate the mantle at the depth and scale required to understand its chemistry and structure and for tracing the chemical anomalies potentially caused by subduction. The velocities of seismic waves through the Earth depend on the elastic properties of the minerals through which they travel. By comparing observations of seismic wave velocities with estimates for what these velocities should be given particular mineral models and mineral elastic properties, it is possible to relate these observations to the chemical and thermal state of the interior. The P-V-T equation of state and shear (Vs) and longitudinal (Vp) sound velocities of single crystals of minerals that form at conditions compatible with the Earth’s transition zone and lower mantle have been determined in this study by combining X-ray diffraction and Brillouin scattering. In particular majoritic-garnet solid solutions and the NAL (new aluminium phase) phase have been studied. The combination of these techniques makes it possible to determine the full elastic tensor of these minerals at high pressures and temperatures which allows us to accurately determine the pressures of these measurements without the use of calibrant materials and to build mineral models that describe the seismic velocity and density of different rock lithologies within the transition zone and lower mantle. Single-crystal elastic properties of two majoritic garnets (Mg3.24Al1.53Si3.23O12 and Mg3.01Fe0.17Al1.68Si3.15O12), synthesized at 1900 °C and 17 GPa, were determined as a function of density, temperature and composition under hydrostatic conditions by combining single-crystal Brillouin scattering with X-ray diffraction. Experiments were performed up to ~30 GPa and ~600 K in an externally heated diamond anvil cell. In comparison to studies performed on the pyrope garnet end member, substitution of the majorite component is found to lower both the bulk (Ks) and shear modulus (G) of garnet. The substitution of Fe for Mg affects the compression mechanism and therefore the elastic properties of majoritic garnets. The Ks and G values of both samples are similar at room pressure, however, at pressures of the transition zone, Fe-bearing majoritic garnet (Fe-Mj) becomes more compressible due to its smaller (∂K / ∂P) T value. High pressure crystal structure refinements demonstrate that this behaviour is related to the high-pressure response of the tetrahedral site of the garnet structure, which appears slightly more compressible in Fe-Mj with respect to Mj. This effect is unlikely to be linear with garnet Fe content. Single-crystals of the Na0.41[Na0.125Mg0.79Al0.085]2[Al0.79 Si0.21]6O12 (NAL) phase were synthesized at 2260 °C and 20 GPa. The single-crystal structure refinement of NAL, which is consistent with the space group P63/m, reveals dynamic disorder of Na atoms along channels within the structure, which likely influences transport properties of this phase such as electrical conductivity. The complete elastic tensor was experimentally determined for the first time at ambient conditions and at high pressures by Brillouin scattering spectroscopy. The elastic moduli obtained from the Voigt-Reuss-Hill approximation using the elastic constants determined here are KS = 206 GPa and G = 129 GPa, while the isotropic compressional and shear sound velocities are VP = 9.9 km/s and VS = 5.8 km/s. At ~ 1000 km, NAL is expected to transform to the calcium ferrite type aluminum phase (CF). This transformation has been proposed to cause a seismic discontinuity observed at this depth, however, the experimental data imply that the velocity change upon this transformation would be too small to be seismically observed. The NAL phase is elastically anisotropic, displaying 13.9 % compressional and shear wave anisotropy. The anisotropy of NAL decreases as a function of pressure showing 10.9 % compressional (AVp) and 12.71 % shear wave anisotropy (AVs) at 19.93 GPa. However, upon transformation to the CF phase a significant change in the seismic wave anisotropy would occur, which could lead to a seismically detectable discontinuity if the crystallographic preferred orientation were favourable. The elastic properties of majoritic garnets and the NAL phase were used along with literature data to invert the seismic velocities for pyrolite, harzburgite and MORB (mid-ocean ridge basalt) bulk compositions in the depth range between 480 and 780 km. In the transition zone, the mineralogy of these lithologies mostly differs in terms of the proportion and chemistry of garnet. Using the garnet experimental results, elastic properties of majorite and almandine end members were refined using a thermo-elastic model. By refining end member properties using solid solution data instead of the end member data, the compositional range of the refinement remains closer to that over which the model will be employed. This enabled velocities and densities of garnet compositions in the system Fe-CMAS (CaO-MgO-Al2O3-SiO2) to be calculated at mantle conditions. An extrapolation of this model to mantle temperatures was found to reproduce ultrasonic Vs measurements on complex garnet compositions, although not Vp. A similar model was refined to the NAL experimental data. A thermodynamic model was used to estimate mineral modes and compositions in different lithologies. Along an adiabat with a potential temperature of 1673 K, the Vs predicted for a pyrolite mantle bulk composition is 0.2 km/s slower than global seismic models between 500 and 660 km. Vp is closer but still lower than PREM although consistent with AK135. Temperatures would have to be approximately 600 K lower at this depth for the Vs model to be in agreement with seismic observations. The low Vs of majoritic garnet is chiefly responsible for this difference. Consequently models for a MORB bulk composition are also over ~0.3 km/s slower in Vs over the same depth interval. A harzburgite model with 80 % by volume of (Mg,Fe)2SiO4 phases is very close to seismic observations but is still ~0.1 km/s slower in Vs, a difference which would require temperatures to be lower by 200 K for a perfect match to be obtained. The models for all three lithologies, however, match velocities for the top of the lower mantle. The best explanation for these observations would be that average temperatures in the lower transition zone deviated globally from a normal adiabat. This may reflect the occurrence of large lateral cold anomalies at the base of the transition zone that result from the stagnation of subducting slabs. Additionally, lower temperatures in the harzburgitic layer could stabilize akimotoite at the expenses of garnet. Higher velocities expected for akimotoite would further help to explain the mismatch in calculated and observed Vs. Subducted MORB material is estimated to be intrinsically denser than pyrolite or harzburgite at the base of the transition zone even at ambient mantle temperatures. However, neither harzburgite nor MORB are denser than pyrolite or global reference model densities at the top of the lower mantle. This may act to focus these subduction related chemical heterogeneities, even at ambient mantle temperatures, at the base of the transition zone. Below 1000 km, however, the phase transformation of NAL to the CF phase likely renders MORB compositions to be as dense as the surrounding mantle.

Abstract in another language

Das Verständnis des Konvektionsprozesses im Inneren der Erde ist eine der zentralen Probleme in den Geowissenschaften. Die Subduktion ozeanischer Lithosphäre erzeugt chemische Heterogenitäten im Erdmantel, die in einigen Fällen die laterale Heterogenität von seismischen Wellengeschwindigkeiten erklären können. Seismische Beobachtungen des Erdinneren liefern die einzige Methode zur Erforschung des Mantels mit der erforderlichen Auflösung und Tiefe, um seinen Chemismus und seine Struktur zu verstehen und eventuell durch Subduktion verursachte chemische Anomalien zu erkennen. Die Geschwindigkeiten seismischer Wellen durch die Erde hängen von den elastischen Eigenschaften der Minerale ab, die sie durchqueren. Durch den Vergleich der beobachteten seismischen Wellengeschwindigkeiten mit Abschätzungen, die aus Mineralmodellen und mineralelastischen Eigenschaften gewonnen werden, ist es möglich, diese Beobachtungen mit dem chemischen und thermischen Zustand des Erdinneren in Beziehung zu setzen. Die P-V-T Zustandsgleichung und die Scher- (Vs) und Longitudinal- (Vp) Wellengeschwindigkeiten von Einkristallen der Minerale, die sich unter den Bedingungen der Übegangszone und des unteren Erdmantels der Erde bilden, wurden in der vorliegenden Arbeit durch eine Kombination von Röntgenbeugung und Brillouinspektroskopie bestimmt. Im Detail wurden Majorit-Granat Mischkristalle und die NAL (‘neue Aluminium Phase’) Phase untersucht. Die Kombination der beiden Untersuchungsmethoden ermöglicht es, den kompletten elastischen Tensor dieser Minerale bei hohen Drücken und Temperaturen zu bestimmen, die Umgebungsdrücke der Messungen ohne den Einsatz von Kalibrierungsmaterialienb genau zu bestimmen, und Mineralmodelle zu konstruieren, die die seismische Geschwindigkeit und Dichte verschiedener Gesteinslithologien in der Übegangszone und dem unteren Erdmantel beschreiben. Die elastischen Eigenschaften von Einkristallen zweier majoritischer Granate (Mg3.24Al1.53Si3.23O12 and Mg3.01Fe0.17Al1.68Si3.15O12), die bei 1900°C und 17 GPa synthetisiert wurden, wurden als Funktion der Dichte, Temperatur und Zusammensetzung unter hydrostatischen Bedingungen bestimmt, indem Einkristall-Brillouinspektroskopie mit Röntgenbeugung kombiniert wurde. Die Experimente wurden bei bis zu ~30 GPa und ~600 K in einer extern geheizten Diamantstempelpresse durchgeführt. Im Vergleich zu am Pyrop-Endglied durchgeführten Untersuchungen führt die Substitution durch die Majorit-Komponente zu einer Erniedrigung des Kompressions- (Ks) und des Schermoduls (G). Die Substitution von Mg durch Fe beeinflusst den Kompressionsmechanismus und daher auch die elastischen Eigenschaften der Majorit-Granate. Die Ks and G Werte beider Proben sind unter Raumdruck ähnlich, bei den Drücken der Übergangszone jedoch wird der Fe-haltige Majorit-Granat (Fe-Mj) durch seinen geringeren (∂K / ∂P) T Wert deutlich komprimierbarer. Strukturverfeinerungen der Hochdruckkristalle zeigen, dass dieses Verhalten durch das Hochdruckverhalten des Tetraederplatzes in der granatstruktur verursacht wird, der im Fe-Mj relative zum Mj etwas starker komprimierbar erscheint. Es ist aber unwahrscheinlich, dass dieser Effekt linear mit dem Fe-Gehalt des Granats korreliert ist. Einkristalle der Na0.41[Na0.125Mg0.79Al0.085]2[Al0.79 Si0.21]6O12 (NAL) Phase wurden bei 2260 °C and 20 GPa synthetisiert. Die Einkristall-Struktuverfeinerung von NAL, die mit der Raumgruppe P63/m konsistent ist, zeigt eine dynamische Unordnung der Na-Atome entlang von Kanälen in der NAL Struktur, die wahrscheinlich einen Einfluss auf die Transporteigenschaften dieser Phase wie z.B. elektrische Leitfähigkeit hat. Der komplette elastische Tensor wurde zum ersten Mal unter Raumbedingungen und hohen Drücken experimentell mit Brillouinspektroskopie bestimmt. Die elastischen Module, die durch eine Voigt-Reuss-Hill Approximierung der elastischen Konstanten erhalten wurden, sind KS = 206 GPa und G = 129 GPa, während sich für die Kompressions- und Scherwellengeschwindigkeiten Vp = 9.9 km/s und Vs = 5.8 km/s ergaben. In ~ 1000 km Tiefe ist die Umwandlung von NAL in eine Aluminium-Phase mit der Calcium-Ferrit-Struktur (CF) zu erwarten. Es wurde vermutet, dass diese Umwandlung die Ursache für eine beobachtete seismische Diskontinuität in dieser Tiefe sein könnte, jedoch die experimentellen Daten deuten darauf hin, dass der Geschwindigkeitsunterschied durch diese Umwandlung zu klein ist, um seismisch detektierbar zu sein. Die NAL Phase ist elastisch anisotrop, mit einer Anisotropie von 13.9% sowohl für Longitudinal- als auch für Scherwellen. Die Anisotropie verringert sich mit zunehmendem Druck auf 10.9% Longitudinal- (AVp) und 12.71% Scherwellenanisotropie (AVs) bei 19.93 GPa. Bei der Umwandlung in die CF-Struktur würde jedoch eine signifikante Änderung in der Anisotropie auftreten, die zu einer seismisch detektierbaren Diskontinuität führen könnte, wenn die kristallographischen Vorzugsorientierungen entsprechend günstig vorhanden wären. Die elastischen Eigenschaften von majoritischen Granaten und der NAL Phase wurden zusammen mit Literaturdaten benutzt, um die seismischen Geschwindigkeiten für typische Zusammensetzungen von Pyrolit, Harzburgit und MORB (mid-ocean ridge basalt) für den Tiefenbereich von 480 bis 780 km zu errechnen. In der Übergangszone unterscheidet sich die Mineralogie dieser Lithologien hauptsächlich im Anteil und Chemismus von Granat. Mithilfe der experimentellen Resultate für die Granate wurden die elastischen Eigenschaften der Majorit- und Almandin-Endglieder durch ein thermo-elastisches Modell verfeinert. Indem die Eigenschaften der Endglieder mithilfe der Mischkristall- anstatt der Endglieddaten verfeinert wurden, blieb der Zusammensetzungsbereich der Verfeinerung näher an dem Bereich, über den das Modell angewendet wird. Das machte es möglich, Geschwindigkeiten und Dichten von Granatzusammensetzungen im System Fe-CMAS (CaO-MgO-Al2O3-SiO2) bei Mantelbedingungen zu berechnen. Eine Extrapolation dieses Modells zu Manteltemperaturen reproduzierte Ultraschallmessungen von Scherwellengeschwindigkeiten Vs in komplex zusammengesetzten Granaten, aber nicht deren Longitudinalwellengeschwindigkeiten Vp. Ein ähnliches Modell wurde auch für die experimentellen Daten der NAL Phase verfeinert. Ein thermodynamisches Modell wurde benutzt, um die Mineralanteile und –zusammensetzungen in den verschiedenen Lithologien abzuschätzen. Entlang der Adiabate mit einer Potentialtemperatur von 1673 K ist die vorhergesagte Vs für eine Pyrolit-Mantelzusammensetzung 0.2 km/s langsamer als globale seismische Modelle für die Tiefe zwischen 500 and 660 km. Vp ist etwas näher, aber immer noch niedriger als PREM, jedoch konsistent mit AK135. Die Temperaturen müssten danach in dieser Tiefe annähernd 600 K niedriger sein, um das Vs Model in Übereinstimmung mit den seismischen Beobachtungen zu bringen. Die niedrigen Vs des majoritischen Granats sind hauptsächlich für diesen Unterschied verantwortlich. Entsprechend sind auch die Modelle für die MORB-Zusammensetzung mehr als 0.3 km/s langsamer in Vs über das gleiche Tiefenintervall. Ein Harzburgit-Modell mit 80 vol% (Mg,Fe)2SiO4 Phasen ist näher an den seismischen Beobachtungen mit nur 0.1 km/s geringerer Vs, würde aber immer noch 200 K niedrigere Temperaturen für einen perfekte Übereinstimmung erfordern. Die Modelle für alle drei Lithologien stimmen jedoch mit den Geschwindigkeiten im oberen unteren Erdmantel überein. Die beste Erklärung für diese Beobachtungen ist, dass die durchschnittlichen Temperaturen in der unteren Übergangszone global von der normalen Adiabate abweichen. Dieses könnte das Auftreten grosser lateraler und kalter Anomalien an der Basis der Übergangszone widerspiegeln, die durch die Stagnation subduzierter Platten erzeugt werden. Ausserdem würden niedrigere Temperaturen in der Harzburgit-Schicht zur Bildung von Akimotoit auf Kosten von Granat führen. Höhere Geschwindigkeiten, die für Akimotoit erwartet würden, könnten zusätzlich die Diskrepanz zwischen berechneten und beobachteten Vs erklären. An der Basis der Übergangszone ist das subduzierte MORB Material abgeschätzt sogar bei normaler Umgebungstemperatur des Mantels dichter als Pyrolit und Harzburgit. Weder Harzburgit noch MORB haben jedoch eine höhere Dichte als Pyrolit oder die Dichten der globalen Referenzmodelle im oberen Bereich des unteren Erdmantels. Das kann dazu führen, dass durch Subduktion erzeugte chemische Heterogenitäten, sogar bei normalen Umgebungstemperaturen des Erdmantels, an der Basis der Übergangszone konzentriert auftreten. Unterhalb von 1000 km wird jedoch der Phasenübergang von NAL nach CF Phase dafür sorgen, dass MORB Zusammensetzungen dieselbe Dichte haben wie der umgebende Erdmantel.

Further data

Item Type: Doctoral thesis (No information)
Keywords: Single-crystal, elasticity, Al-rich phases, subduction, heterogeneities
DDC Subjects: 500 Science > 500 Natural sciences
500 Science > 550 Earth sciences, geology
Institutions of the University: Faculties
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences > Department of Earth Sciences
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences > Department of Earth Sciences > Chair Experimental Geosciences
Research Institutions
Research Institutions > Central research institutes
Research Institutions > Central research institutes > Bavarian Research Institute of Experimental Geochemistry and Geophysics - BGI
Graduate Schools
Graduate Schools > Bayreuth Graduate School of Mathematical and Natural Sciences (BayNAT)
Graduate Schools > Bayreuth Graduate School of Mathematical and Natural Sciences (BayNAT) > Experimental Geosciences
Language: English
Originates at UBT: Yes
URN: urn:nbn:de:bvb:703-epub-2082-7
Date Deposited: 29 Jun 2015 08:48
Last Modified: 29 Jun 2015 08:48


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