Al-Si interdiffusion under lower mantle conditions : Analytical TEM study of Al-bearing bridgmanite.

Titelangaben

Czekay, Laura:
Al-Si interdiffusion under lower mantle conditions : Analytical TEM study of Al-bearing bridgmanite.
Bayreuth , 2025 . - VIII, 177 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Experimental investigation of diffusion in minerals is a fundamental tool for understanding the rheological properties of the Earth's mantle. Bridgmanite is the major component in the Earth's lower mantle (Irifune, 1994). Previous theoretical studies on deformation rates show that the crucial mechanism for the deformation of bridgmanite (Brg) is the diffusion-driven creep of the slowest element, silicon (Si) (Reali et al., 2019 a). Bridgmanite is a magnesium silicate which crystallises in a perovskite structure with end-member formula MgSiO3 and can contain significant amounts of iron (Fe) and aluminium (Al) (Irifune, 1994). Al can be incorporated by substitution of Si, with charge balancing occurring through the formation of oxygen vacancies (OV) or charge-coupled (CC) substitution of magnesium (Mg) and Si by 2 Al (Navrotsky, 1999). Understanding the interdiffusion of Al and Si in bridgmanite is, therefore, essential for understanding the geodynamics of the mantle. This study aimed to investigate Al-Si interdiffusion in Brg experimentally. Therefore, Brg diffusion couples were synthesised from 0 – 5 mol % Al2O3-bearing MgSiO3 enstatite and glass samples and from Mg-excess glass with 2.7 wt. % Al2O3 at 24 GPa and 1,750 – 2,000 °C using conventional high-pressure and high-temperature multi-anvil presses. The synthesised samples could be further made into diffusion couples with a total volume of 1 mm3 by careful sample preparation and well-polished diffusion surfaces. The diffusion couples were run in a conventional multi-anvil press under the same pressure and temperature conditions as during synthesis (24 GPa and 1,750 – 2,100 °C). The diffusion couples were analysed after the experiments with a scanning transmission electron microscope (STEM) and an energy-dispersive X-ray spectrometer (EDXS). STEM-EDXS was used to evaluate elemental composition at the nanometer scale and to determine Al concentrations. During chemical analysis, the element concentration was measured along a line perpendicular to the diffusion interface determined from two-dimensional elemental distribution maps. The resulting ASCII data were converted into diffusion profiles and used to determine the diffusion rate using the semi-infinite diffusion model (Crank, 1975).   The diffusion coefficients were determined from ten of the 15 diffusion experiments that were carried out at different temperatures and for different annealing times. The number of experiments may appear to be small, but they include a large investment in analytical effort to establish a high degree of confidence in the dataset. The Al-Si interdiffusion was calculated to be DAl-Si = 4.2 ± 0.9 × 10-11 exp[-400 [kJ mol-1]/RT] m2/s . Results differ profoundly from previous measurements, indicating a 1 to 2 orders of magnitude slower diffusion rate in bridgmanite than previously experimentally determined Si and Mg self-diffusion measured at similar pressures and temperatures(Yamazaki et al., 2000; Dobson et al.,2008; Xu et al., 2011) as well as Fe-Mg interdiffusion in bridgmanite (Holzapfel, 2004). Potential factors leading to differences with previous data are discussed, as well as the effect of sample surface preparation, diffusing species, and mineral structure. Following models that suggest diffusion-controlled creep can be assumed in magnesium silicate bridgmanite (Yamazaki et al., 2000), the obtained diffusion rates provide insight into deformation rates of bridgmanite in the lower mantle. For this purpose, the temperature dependence of the Al-Si diffusion rate of bridgmanite was examined. This enabled rheology of the lower mantle to be approximated and implications for mantle rheology to be considered.

Abstract in weiterer Sprache

Die Berechnung der Diffusion in Mineralien ist ein grundlegendes Instrument zum Verständnis der rheologischen Eigenschaften des Erdmantels. Bridgmanit ist der Hauptbestandteil des unteren Erdmantels (Irifune, 1994). Frühere theoretische Studien über Verformungsraten zeigen, dass der entscheidende Mechanismus für die Verformung von Bridgmanit (Brg) das diffusionsgetriebene Kriechen des langsamsten Elements, Silizium (Si), ist (Reali et al., 2019 a). Bridgmanit ist ein Magnesiumsilikat, das in einer Perowskitstruktur mit der Endgliedformel MgSiO3 kristallisiert und erhebliche Mengen an Eisen (Fe) und Aluminium (Al) enthalten kann (Irifune, 1994). Al kann durch Substitution von Si eingebaut werden, wobei der Ladungsausgleich durch die Bildung von Sauerstoffleerstellen (OV) oder durch ladungsgekoppelte (CC) Substitution von Magnesium (Mg) und Si durch 2 Al erfolgt (Navrotsky, 1999). Das Verständnis der Interdiffusion von Al und Si in Bridgmanit ist daher für das Verständnis der Geodynamik des Mantels unerlässlich. Diese Studie zielte darauf ab, die Interdiffusion von Al und Si in Brg experimentell zu untersuchen. Die Brg-Diffusionspaare für die Interdiffusionsexperimente wurden aus 0 – 5 mol % Al2O3-haltigem MgSiO3-Enstatit und Glasproben bei 24 GPa und 1.750 – 2.000 °C unter Verwendung konventioneller Hochdruck- und Hochtemperatur-Vielstempel-Pressen synthetisiert. Die synthestisierten Proben konnten durch sorgfältige Probenvorbereitung und gut polierte Diffusionsoberflächen zu Diffusionsexperimente mit einem Gesamtvolumen von 1 mm3 weiterverarbeitet werden und in einer konventionellen Vielstempel-Presse bei den selben Druck- und Temperaturbedingnungen wie während der Synthese (24 GPa und 1.750 – 2.000 °C) durchgeführt werden. Der 7/3-Versuchsaufbau für die Diffusionsexperimente wurde hierfür noch weiterentwickelt und die Temperaturmessung stabilisiert. Die gewonnenen Diffusionsproben wurden mit einem Rastertransmissionselektronenmikroskop (RTEM) und einem energiedispersiven Röntgenspektrometer (EDXS) analysiert. Mit dem RTEM-EDXS wurden Element-Zusammensetzungen im Nanometerbereich bewertet und zur Untersuchung der Al-Konzentrationen entlang einer Linie senkrecht zur Diffusionsgrenzfläche verwendet. Die Elementkonzentration wurde während der chemischen Analysen aus zweidimensionalen Elementverteilungskarten abgelesen. Die daraus resultierenden ASCII-Daten wurden in Diffusionsprofile umgewandelt und zur Bestimmung der Diffusionsrate mit Hilfe der Crank-Gleichung (Crank & Gupta, 1975) verwendet. Die Diffusionskoeffizienten wurden aus zehn der 15 Diffusionsexperimente ermittelt, die bei verschiedenen Temperaturen und für unterschiedliche Glühzeiten durchgeführt wurden. Die Anzahl der Experimente mag gering erscheinen, aber sie beinhalten einen hohen analytischen Aufwand, um ein hohes Maß an Vertrauen in den Datensatz zu schaffen. Die analytischen Ergebnisse ergaben eine Al-Si - Interdiffusion von DAl-Si = 4,2 ± 0,9 × 10-11 exp[- 400 [kJ mol- 1]/RT] m2/s. Die Ergebnisse unterscheiden sich erheblich von früheren Messungen und weisen auf eine um 1 bis 2 Größenordnungen langsamere Diffusionsrate in Bridgmanit hin, als die zuvor experimentell ermittelte Si- und Mg-Selbstdiffusion, die bei ähnlichen Drücken und Temperaturen gemessen wurden (Dobson et al., 2008; Xu et al., 2011; Yamazaki et al., 2000), sowie die Fe-Mg-Interdiffusion in Bridgmanit (Holzapfel, 2004). Mögliche Faktoren, die zu Unterschieden zu früheren Daten führen können, werden ebenso diskutiert wie die Auswirkungen der Probenvorbereitung, der diffundierenden Spezies und der Mineralstruktur. In Anlehnung an Modelle, die ein diffusionsgesteuertes Kriechen in Magnesiumsilikat-Bridgmanit vermuten lassen (Yamazaki et al., 2000), geben die erhaltenen Diffusionsraten Aufschluss über die Verformungsraten von Bridgmanit im unteren Erdmantel. Zu diesem Zweck wurde die Temperaturabhängigkeit der diffusionsgesteuerten Kriechrate von Bridgmanit bestimmt. Dies ermöglichte eine Annäherung an die Viskosität des unteren Erdmantels und eine Betrachtung der Auswirkungen auf die Rheologie des Erdmantels.