Experimental deformation of mantle minerals at simultaneous high pressure and high temperature

Titelangaben

Immoor, Julia:
Experimental deformation of mantle minerals at simultaneous high pressure and high temperature.
Bayreuth , 2023 . - X, 106 S.
( Dissertation, 2022 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Understanding the dynamics of the solid Earth and their relation to plate tectonics requires an understanding of the processes that occur in Earth’s lower mantle. For example, seismic anisotropy observations can be used to map mantle flow patterns. However, not all these observations could be interpreted until now, such as the observed anisotropies at the edges of the Large Low Shear Velocity Provinces (LLSVP), where the origin of the shear wave splitting is unclear. Crystallographic preferred orientation of minerals can produce shear wave splitting and might help to understand the source. For this, the deformation behaviour of the mineral phases of the lower mantle need to be studied at simultaneous high pressure and high temperature. For generating these conditions, a setup for radial diffraction experiments was used and further developed at the Extreme Conditions Beamline (ECB) P02.2 at PETRA III, DESY in Hamburg, Germany. A resistive heated diamond anvil cell provides the possibility to heat the sample evenly up to pressures and temperatures of mantle conditions. In combination with a newly developed water-cooled vacuum chamber, temperatures up to 1900 K have been reached in this thesis, while simultaneously performing in-situ x-ray diffraction measurements with synchrotron radiation in radial geometry. During the experiment the pressure in the DAC can be increased with a gas membrane device. The new setup was used on four different materials: (1) ferropericlase, (2) CaSiO3 perovskite (synthesized from wollastonite), (3) a two-phase mixture of ferropericlase and bridgmanite, and (4) tantalum carbide. In the framework of this thesis, I addressed several questions on the deformation behaviour of ferropericlase and cubic calcium perovskite. The experiments were carried out with graphite-heated diamond anvil cells. In-situ deformation experiments were done on ferropericlase and calcium perovskite at mantle conditions. The generated diffraction images were analysed with the software MAUD to obtain texture, inverse pole figures, cell parameters and lattice strains. Modelling of the experimental results was done using an Elasto-Viscoplastic Self Consistent code to simulate the texture development and lattice strain evolution in ferropericlase and calcium perovskite. Four experiments with ferropericlase at different temperatures were examined. With the increase of pressure a texture development in the sample was observed. By combining the experimental data and modelling, data slip system activities were extracted. A change of slip systems with an increase in pressure and, above all, in temperature takes place in ferropericlase. At low temperatures the slip system {110}<11 ̅0> is fully active. With an increase in temperature, there is an increase of {100}<011> slip system. This means, slip can occur along <110> directions on either the {100} or the {110} planes, i.e. the slip systems {100}<011> and {110}<11 ̅0> are likely both active at high temperatures. This change in slip system behaviour might explain shear wave splitting in the lower mantle. Calcium perovskite forms a tetragonal structure at ambient conditions, whereas it is cubic at high pressures and high temperatures in the lower mantle. Considering this fact, a successful in-situ synthesis of cubic calcium perovskite is the basis of all further investigations. We were able to synthesize the cubic phase at 1150 K and pressures of the mantle. Crystallographic preferred orientation development with rising pressure was observed, suggesting that plastic deformation occurred in the sample. The plastic strength of CaSiO3 perovskite has been derived from the experimental data. The results show a remarkable difference in strength between the tetragonal phase at room temperature and the cubic high-pressure, high-temperature phase. Compared to the other mantle minerals ferropericlase and bridgmanite, calcium perovskite is the weakest phase showing the lowest plastic strength. The transformation from garnet to calcium perovskite in a slab could therefore have an impact on the deformation behaviour of a subducting slab and influence the fate of oceanic crust subducted into the lower mantle.

Abstract in weiterer Sprache

Um die Dynamik der festen Erde und ihre Beziehung zur Plattentektonik zu verstehen, müssen die Prozesse im unteren Erdmantel verstanden werden. So können beispielsweise seismische Anisotropiebeobachtungen genutzt werden, um Strömungsmuster im Erdmantel zu kartieren. Allerdings konnten bisher nicht alle dieser Beobachtungen interpretiert werden, wie z. B. die beobachteten Anisotropien an den Rändern der Gebiete mit niedriger Scherwellengeschwindigkeit (Large Low Shear Velocity Provinces, LLSVP), in welchen der Ursprung der Scherwellenaufspaltung unklar ist. Die kristallographische Vorzugsorientierung von Mineralen kann zu einer Aufspaltung der Scherwellen führen und könnte dazu beitragen den Ursprung der Schwerwellenaufspaltung zu verstehen. Dazu muss das Verformungsverhalten der Mineralphasen des unteren Erdmantels bei gleichzeitig hohem Druck und hoher Temperatur untersucht werden. Um diese Bedingungen zu erzeugen, wurde ein Aufbau für radiale Beugungsexperimente verwendet und an der Extreme Conditions Beamline (ECB) P02.2 bei PETRA III, DESY in Hamburg, Deutschland, weiterentwickelt. Eine widerstandsbeheizte Diamantstempelzelle bietet die Möglichkeit, die Probe gleichmäßig bis zu Drücken und Temperaturen von Mantelbedingungen zu erhitzen. In Kombination mit einer neu entwickelten wassergekühlten Vakuumkammer wurden in dieser Arbeit Temperaturen bis zu 1900 K erreicht. Gleichzeitig wurden in-situ Röntgenbeugungsmessungen mit Synchrotronstrahlung in radialer Geometrie durchgeführt. Während des Experiments kann der Druck in der Diamantstempelzelle mit einer Gasmembranvorrichtung erhöht werden. Der neue Aufbau wurde für vier verschiedene Materialien verwendet: Ferroperiklas, CaSiO3-Perowskit (synthetisiert aus Wollastonit), ein Zweiphasengemisch aus Ferroperiklas und Bridgmanit sowie Tantalkarbid. Im Rahmen dieser Arbeit befasste ich mich mit Fragen zum Verformungsverhalten von Ferroperiklas und kubischem Calcium-Perowskit. Dazu wurden Experimente mit graphitbeheizten Diamantstempelzellen durchgeführt. In-situ-Verformungsexperimente wurden an Ferroperiklas und Calcium-Perowskit unter Mantelbedingungen durchgeführt. Die erzeugten Beugungsbilder wurden mit der Software MAUD analysiert, um Texturinformationen, inverse Polfiguren, Zellparameter und Gitterdehnungen zu erhalten. Die Modellierung der experimentellen Ergebnisse erfolgte mit Hilfe eines Elasto-Viscoplastic Self Consistent Codes, um die Texturentwicklung und die Entwicklung der Gitterdehnung in Ferroperiklas und Calcium-Perowskit zu simulieren. Es wurden vier Experimente mit Ferroperiklas bei verschiedenen Temperaturen untersucht. Mit der Erhöhung des Drucks wurde eine Texturentwicklung in der Probe beobachtet. Mit Hilfe der Kombination von experimentellen Daten und Modellierung wurden die Aktivitäten der Gleitsysteme extrahiert. Bei Ferroperiklas findet ein Wechsel der Gleitsysteme mit einer Erhöhung des Drucks und vor allem mit einer Erhöhung der Temperatur statt. Bei niedrigen Temperaturen ist nur das Gleitsystem {110}<11 ̅0> aktiv. Bei einer Temperaturerhöhung kommt es zu einer Zunahme des {100}<011> Gleitsystems. Das bedeutet, dass Gleiten entlang der <110>-Richtung entweder auf der {100}- oder der {110}-Ebene auftreten kann, d. h. die Gleitsysteme {100}<011> und {110}<11 ̅0> sind bei hohen Temperaturen wahrscheinlich beide aktiv. Diese Änderung im Verhalten der Gleitsysteme könnte die Aufspaltung der Scherwellen im unteren Erdmantel erklären. Calcium-Perowskit bildet bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck eine tetragonale Struktur, während es im unteren Mantel bei hohem Druck und hohen Temperaturen kubisch ist. Eine erfolgreiche in-situ-Synthese von kubischem Calcium-Perowskit ist daher die Grundlage für alle weiteren Untersuchungen. Es ist uns gelungen, die kubische Phase bei 1150 K und Drücken des Erdmantels zu synthetisieren. Eine Zunahme der Textur mit steigendem Druck wurde beobachtet, was darauf hindeutet, dass die Probe plastisch verformt wurde. Die plastische Festigkeit des CaSiO3 - Perowskits wurde aus den experimentellen Daten abgeleitet. Die Ergebnisse zeigen einen bemerkenswerten Unterschied in der Festigkeit zwischen der tetragonalen Phase bei Raumtemperatur und der kubischen Phase bei hohem Druck und hoher Temperatur. Im Vergleich zu den anderen Mantelmineralen Ferroperiklas und Bridgmanit weist Calcium-Perowskit die geringste plastische Festigkeit auf. Die Umwandlung von Granat zu Calcium-Perowskit bei hohen Temperaturen und Drücken könnte sich daher auf das Verformungsverhalten einer subduzierenden Platte und auf die weitere Entwicklung der in den unteren Erdmantel subduzierten ozeanischen Kruste auswirken.