Silicon and Oxygen volume diffusion in Wadsleyite and implications to mantle transition zone rheology

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Druzhbin, Dmitry:
Silicon and Oxygen volume diffusion in Wadsleyite and implications to mantle transition zone rheology.
Bayreuth , 2020 . - VI, 174 S.
( Dissertation, 2019 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Silicon is the slowest diffusing species in the majority of mantle minerals, and therefore provide the rate-limiting step for plastic deformation at high temperatures (Costa & Chakraborty, 2008; Dohmen, 2002; H. Fei et al., 2012; H. Fei, Wiedenbeck, Yamazaki, & Katsura, 2013; Shimojuku et al., 2009). Wadsleyite is one of the most abundant minerals in Earth’s mantle upper transition zone (MTZ) and the main constituent mineral of subducting slabs in this region. Robust evaluation of the effect of H2O content on diffusion properties in wadsleyite has not been considered (Shimojuku, Kubo, Ohtani, Nakamura, & Okazaki, 2010; Shimojuku et al., 2009; Shimojuku, Kubo, Ohtani, & Yurimoto, 2004). As observed for olivine in silicon diffusion experiments (H. Fei et al., 2012) water has a less significant effect on its rheological properties than proposed based on deformation experiments (G. Hirth & Kohlstedt, 2003). However, this may not be the case for wadsleyite since it has a different structure and defect chemistry. Furthermore, previous experiments have showen that wadsleyite can accommodate a significant amount of water (1 – 3 wt.%) (Jacobsen, Demouchy, Frost, Ballaran, & Kung, 2005; Kohlstedt, Keppler, & Rubie, 1996) in comparison to olivine (Bali, Bolfan-Casanova, & Koga, 2008; Smyth & Jacobsen, 2006). So far there is no study of anisotropy of silicon and oxygen self-diffusion in wadsleyite. Its orthorhombic structure raises the possibility that diffusion rates may be anisotropic (Holl, Smyth, Jacobsen, & Frost, 2008). In this project, I focused on measuring the volume diffusion coefficients of silicon and oxygen in Mg2SiO4 wadsleyite single crystals as a function of temperature, and water content, and investigated the upper MTZ rheology based on silicon and oxygen diffusivities. Silicon volume diffusion activation enthalpy was obtained from to kJ/mol, with average kJ/mol. This activation enthalpy is a half of that obtained by Shimojuku et al., 2010 of 342(143) kJ/mol using polycrystalline samples. A possible explanation of this disagreement may be two orders of magnitude difference in the water content in the samples between this study and Shimojuku et al., 2010. The present study shows, that Si is the slowest atomic species in wadsleyite along a mantle geotherm at water contents lower than 1500 wt. ppm. Si diffusivity is strongly water content dependent and anisotropic. The water dependence of Si volume self-diffusivity along the a-direction is , b-direction: , and c-direction: . The water-content exponents obtained in this study in b- and c- directions are significantly different from that r = 0.6 reported by Shimojuku et al., 2010 from polycrystalline samples. The large water content dependence implies that not only Mg-sites are substituted by protons (Smyth, 1987) but the Si-sites are also substitute by protons. Si diffusion in wadsleyite occurs by a vacancy mechanism. Moreover, water exponents suggest that Si-site and O-site vacancies are associated, given that O vacancies produce corridors for Si migration. The large water dependence in the c-direction implies Si migration through the Mg-site vacancies in M3 octahedra. The obtained activation enthalpy for oxygen diffusion ranges from kJ/mol to kJ/mol, which are smaller than those obtained for Fe-bearing wadsleyite by (Shimojuku et al., 2009) with . The effect of oxygen fugacity on diffusion rates in wadsleyite, however, was not studied so far. O diffusion in Mg2SiO4 wadsleyite is found in this study to be strongly anisotropic and water dependent in b- and c-directions. The water dependence of O volume self-diffusivity along main crystallographic directions is , , . At water content higher than 1500 wt. ppm O diffusivity is the lowest in Mg2SiO4 wadsleyite at all MTZ temperatures. O diffusion in wadsleyite occurs by a vacancy mechanism. The large water dependence in the c-direction implies O, like Si, migrates through Mg-site vacancies in the M3 octahedra. The estimated strain rates for Mg2SiO4 wadsleyite demonstrate three regions with different water exponents indicated by the superscript: (1) dry wadsleyite with less than 1000 wt. ppm H2O has where the water exponent is strongly affected by diffusion along the a-direction of the Si atom, (2) intermediate 1000 – 5000 wt. ppm with and (3) hydrous wadsleyite at more than 5000 wt.ppm H2O where is mainly determined by O diffusion along the c-direction. Based on Si and O diffusivities in wadsleyite, deformation maps at different water contents and grain sizes were constructed. Additionally, viscosity as a function of temperature for both diffusion and dislocation creep regimes were estimated. According to this study, previous MTZ stress estimations of 1 – 10 MPa (Shimojuku et al., 2009; Vassiliou, Hager, & Raefsky, 1984) together with geophysical observations of its viscosity of 1019.5 to 1021.5 Pa s (Peltier, 1998; Soldati, Boschi, Deschamps, & Giardini, 2009) indicate that the MTZ should be drier then tens wt. ppm H2O. A hydrous MTZ of 1 wt.% H2O, however, is proposed at lower stresses from 0.05 to 0.1 MPa, in order to match the observed viscosity range in the MTZ.

Abstract in weiterer Sprache

Silizium ist das am langsamsten diffundierende Element in Mantelmineralen und ist deshalb limitierend für die plastische Verformung unter hoher Temperatur. (Costa & Chakraborty, 2008; Dohmen, 2002; H. Fei et al., 2012; H. Fei, Wiedenbeck, Yamazaki, & Katsura, 2013; Shimojuku et al., 2009). Wadsleyit ist eines der am häufigsten vorkommenden Mineralen in der oberen Übergangszone des Erdmantels und Hauptbestandteil von subduzierenden Platten unter diesen Bedingungen. Es gibt noch keine umfassende Untersuchung zum Einfluss des H2O-Gehaltes auf die Diffusionseigenschaften in Wadsleyit statt (Shimojuku, Kubo, Ohtani, Nakamura, & Okazaki, 2010; Shimojuku et al., 2009; Shimojuku, Kubo, Ohtani, & Yurimoto, 2004). Wie bereits bei Olivin in Silizium-Diffusions Experimenten beobachtet (H. Fei et al., 2012), hat Wasser eine weniger starke Auswirkung auf die rheologischen Eigenschaften als bisher in Deformationsexperimenten angenommen wurde (G. Hirth & Kohlstedt, 2003). Möglicherweise verhalt sich Wadsleyit anders aufgrund der unterschiedlichen Struktur und Defektchemie. Desweiteren zeigten bisherige Experimente, dass Wadsleyit eine signifikantere Menge an Wasser aufnehmen kann (1 – 3 wt.%) (Jacobsen, Demouchy, Frost, Ballaran, & Kung, 2005; Kohlstedt, Keppler, & Rubie, 1996) im Vergleich zu Olivin (Bali, Bolfan-Casanova, & Koga, 2008; Smyth & Jacobsen, 2006). Bislang gibt es noch keine Untersuchung zur Anisotropie von Silizium und Eigendiffusion in Wadsleyite. Dessen orthorhombische Struktur wirft die Frage auf, ob auch die Diffusionsrate anisotrop ist (Holl, Smyth, Jacobsen, & Frost, 2008). In diesem Projekt lege ich das Hauptaugenmerk auf das Messen der Volumendiffusionskoeffizienten von Silizium und Sauerstoff in Mg2SiO4 Wadsleyit-Einkristallen als Funktion von Temperatur und Wassergehalt. Außerdem untersuche ich die Rheologie der oberen Mantelschicht basierend auf dem Diffusionsvermögen von dieser Elemente. Die Aktivierungsenthalpie der Volumendiffusion von Silizium ist von bis kJ/mol, mit Durchschnittlich kJ/mol. Diese Aktivierungsenthalpie ist lediglich die Hälfte, der (Shimojuku et al., 2010) 342(143) kJ/mol für polykristalline Proben. Eine mögliche Erklärung für diese Unstimmigkeit mag die unterschiedliche Größenordnung der Differenz im Wassergehalt der Proben zwischen dieser Studie und (Shimojuku et al., 2010) sein. Die vorliegende Studie zeigt, dass Si dass sich am langsamsten diffundierende Atom entlang eines geothermischen Gradienten in Wadsleyit mit einem Wassergehalt von weniger als 1500 wt. ppm ist. Die Si Diffusionsrate hängt stark vom Wassergehalt ab und ist anisotrop. Die Wasserabhängigkeit der Si Volumen Eigendiffusion entlang a-Richtung ist , b-Richtung: , and c-Richtung: . Die Wassergehaltsexponenten die in dieser Studie von b- und c- Richtungen stammen, sind signifikant unterschiedlich zu denen von r = 0.6, wie sie von (Shimojuku et al., 2010) für polykristallinen Proben bestimmt wurden. Die starke Abhängigkeit vom Wassergehalt legt nahe, dass nicht nur Mg-Plätze durch Protonen substituiert werden (Smyth, 1987), sondern auch Si-Plätze. Si Diffusion in Wadsleyit findet mittels eines Leerstellenmechanismus statt. Ferner suggerieren die Wasserexponenten, dass Si- Plätze und O-Plätze assoziiert sind, vorausgesetzt, dass O-Leerstellen Korridore für Si-Migration erzeugen. Starke Wasserabhängigkeit in c-Richtung legt nahe, dass Si durch Mg Leerstellen in M3 Oktaeder migriert. Die so erhaltene Aktivierungsenthalpie der Volumendiffusion von O reicht von kJ/mol bis kJ/mol, welche sich als kleiner als die im von (Shimojuku et al., 2009) Fe-enthaltenden Wadsleyite herausstellt. Jedoch wurde die Auswirkung der Sauerstoff-Flüchtigkeit auf die Diffusionsrate in Wadsleyite bislang noch nicht untersucht. Die O Diffusion in Mg2SiO4 Wadsleyite ist wie in dieser Studie beschrieben stark anisotrop und Wasserabhängig in b- und c-Richtung. Die Wasserabhängigkeit von O Volumen-Eigendiffusion entlang der Kristallographischen Hauptrichtungen ist , , . Ab einem Wassergehalt von mehr als 1500 wt. ppm, ist die O Diffusionsrate die langsamste in Mg2SiO4 Wadsleyit über den gesamten Temperaturbereich im MTZ. O-Diffusion in Wadsleyit findet mittels eines Leerstellenmechanismus statt. Die starke Wasserabhängigkeit in c-Richtung impliziert, dass O, wie Si, durch Mg-Platzleerstellen durch M3 Oktaeder migriert. Die erhaltenen Verformungsraten für Mg2SiO4 Wadsleyite weisen drei Regionen mit unterschiedlichen Wasserexponenten auf: (1) Trockener Wadsleyit mit weniger als 1000 wt. ppm H2O mit , in der der Wasser Exponent stark von der Diffusion von Si entlang der a-Richtung beeinflusst wird, (2) dazwischen liegende 1000-5000 wt. ppm mit und (3) wasserreicher Wadsleyit mit mehr als 5000 wt. ppm H2O mit , der hauptsächlich durch die Diffusion von O entlang der c-Richtung bestimmt ist. Basierend auf der Diffusion von Si und O in Wadsleyite wurden Deformationskarten für unterschiedliche Wasseranteile und Korngrößen erstellt. Zusätzlich ist die Viskosität als eine Funktion der Temperatur sowohl bei Diffusions-, als auch bei Deformationskriechen bestimmt worden. Dieser Studie nach sollten bisherige Stressschätzungen in der MTZ mit 1-10 MPa (Shimojuku et al., 2009; Vassiliou, Hager, & Raefsky, 1984) in Verbindung mit geophysikalisch beobachteten Viskositäten von 1019.5 bis 1021.5 (Peltier, 1998; Soldati, Boschi, Deschamps, & Giardini, 2009) ergeben dass die MTZ mit zehn wt. ppm trocken ist. Einer wasserreiche MTZ mit 1 wt.% H2O sollte, jedoch, eine niedriger in Stressreichweite von 0.05 bis 0.1 MPa aufweisen um den beobachteten Viskositätsbereich in der MTZ zu erhalten.