Measurement of elastic properties of silicates at realistic mantle pressures

Titelangaben

Chantel, Julien:
Measurement of elastic properties of silicates at realistic mantle pressures.
Bayreuth , 2014
( Dissertation, 2013 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Measurements of seismic wave travel times through the Earth’s interior provide one of the few sources of information on the properties of deep mantle rocks. These travel times can be interpreted in terms of their implications for the mineralogy, chemistry and temperature of the mantle if they can be compared with models determined from laboratory measurements for the elastic properties of mantle minerals at high pressures and temperatures. In this study MHz ultrasonic measurements have been used to determine the velocities of P and S acoustic waves in mantle minerals at mantle conditions. These results are used to constrain the properties of the mantle through comparison with seismic data. Subduction zones exhibit faster seismic wave velocities compared to the surrounding mantle due to the recycling of relatively cold oceanic lithosphere. In certain subduction zones, however, a 5-10 km thick low velocity layer (LVL) has been inferred to exist along the top surface of the subducting slab at depths of up to 250 km. Shear-wave velocities, in particular, within these layers have been estimated as up to 10% slower than in the surrounding mantle. High-pressure ultrasonic interferometric measurements were performed to gain insight into the elastic properties of lawsonite [CaAl2(Si2O7)(OH)2.H2O], a hydrous mineral phase stabilized under cold subduction zone conditions. It was found that lawsonite has an unusually low shear modulus at high pressure and its formation in subducted oceanic crust can explain some seismic evidence for LVL at depths exceeding 100 km. To approach estimated LVL velocities requires lawsonite to form in the subducting crust as a result of a fluid influx due to the breakdown of other hydrous minerals such as serpentine. The formation of lawsonite additionally lowers seismic velocities because it forms at the expense of garnet, a mineral with relatively fast seismic velocities. LVL observations may therefore be used to place constraints on the amount of H2O subducted into the deep mantle. Chemical heterogeneities in the transition zone are potentially developed through the subduction of basaltic oceanic crust and lithospheric ultramafic mantle. The mineralogy of these lithologies in the transition zone will mainly differ in terms of the proportion and chemistry of garnet. Garnets formed from originally basaltic and ultramafic compositions will differ in the proportions of Ca, Fe and majoritic component, with the former being richer in all components except majorite. Most models use partial derivatives of elastic properties with respect to composition to determine the elastic properties of complex garnet compositions in the mantle. In this study the effect of chemical variations on seismic wave velocities of garnets up to transition zone conditions have been intensively studied by examining the effects of Ca, Fe and majoritic substitutions on the elasticity of pyrope. In addition, complex multicomponent garnet compositions, expected to form from both subducted basaltic material and typical ultramafic mantle at transition zone conditions, have been studied. The results indicate that elastic properties of multicomponent garnets can be quite reliably interpolated from the end member properties, with an accuracy that is generally within the experimental uncertainties. No evidence was found that large excess properties exist that cause non-linear contributions to multicomponent elastic properties for the mineral garnet. Deviation between the two calculated mantle models, pyrolitic and MORB, is about 3% for both VP and VS, with the modelled slab composition being slower. Within the uncertainties of the seismic data therefore a pyrolite mantle composition is quite consistent with velocities at the base of the transition zone. Relatively low temperatures and olivine-rich nature of the stagnant slab support that there would be few grounds to argue that significant accumulation of MORB composition material may occur at the base of the transition zone. Ultrasonic interferometry measurements in conjunction with in situ X-ray techniques have been used to measure compressional and shear wave velocities and densities of MgSiO3 perovskite (Mg-Pv) and perovskite ((Mg, Fe)-Pv) in the multianvil at pressures up to 25 GPa and temperatures to 1200 K. Data for Mg-Pv are consistent with previous studies and the (Mg, Fe)-Pv sample has almost identical shear properties to Mg-Pv. The adiabatic bulk modulus, Ks, for (Mg, Fe)-Pv, however, is found to be substantially lower than Mg-Pv, with a refined value of 236 GPa and a pressure derivative of 4.7. It is proposed that this low KS value results from a change in the elasticity of Fe-bearing perovskite at low pressures <30 GPa. High temperatures measurements of VP and VS of and perovskite samples lead to the conclusion that the substitution of Mg by Fe seems to have a consistent effect on Ks, strongly lowering it in both Al and Al-free perovskites while it does not have any noticeable effect on the shear elastic properties. By substituting Al into the Si octahedral site, the rigidity of this framework is being reduced which clearly has an influence on the shear modulus G. G of the Al-bearing perovskites is obviously controlled by the Al content in the structure. Seismic observations indicate low visibility of underside PP reflections from the 660 km discontinuity. Seismologists have used this in the past to argue that the P velocity contrast at the discontinuity is much lower than would be expected from seismic reference models. The data collected on Fe-Al perovskite in this study provide excellent support for this argument as model calculations based on these data show very little contrast in Vp at 660 km depth. Instead, the model derived in this study indicates that much of the change in P velocity between the transition zone and lower mantle occurs over a much broader depth, 200km, interval and is mainly attributed to the transformation of garnet to perovskite. A major conclusion therefore is that a sharp 660 km discontinuity reflection should be visible in S but not P wave seismic data. The model calculation for VS is in a good agreement with the seismic reference models up to depths as great as 1071 km, while VP remains 3 to 4% lower at lower mantle conditions. The extrapolations of pressure and temperature dependences significantly out of the ranges over that they were measured may well explain this discrepancy however.

Abstract in weiterer Sprache

Das Messen der Ausbreitungsgeschwindigkeit von seismischen Wellen durch das Erdinnere ist eine der wenigen Möglichkeiten Information über Gesteine des unteren Erdmantels zu erhalten. Diese Ausbreitungsgeschwindigkeit hat einen direkten Bezug auf die Mineralogie, Chemismus und Temperatur des Erdmantels und kann mit Modellen, die auf experimentellen Messungen der elastischen Eigenschaften von Mantelmineralien bei hohen Druck und Temperatur beruhen, verglichen werden. Während dieser Studie wurde mit Hilfe von MHz-Ultraschallmessungen die akustische Ausbreitungsgeschwindigkeit von Primär- (P-) und Sekundär- (S-) Wellen in Mantelmineralien unter Mantelbedingungen untersucht. Die gewonnenen Daten wurden mit seismischen Daten verglichen, um Aussagen über die Eigenschaften des Erdmantels treffen zu können. Subduktionszonen weisen schnellere Ausbreitungsgeschwindigkeiten seismischer Wellen im Vergleich zum umgebenden Mantel auf. Dies ist auf die Anwesenheit von relativ kalter ozeanischer Kruste zurückzuführen. In bestimmten Subduktionszonen sind 5 – 10 km mächtige low velocity layer (LVL) entlang des oberen Teils der subduzierenden Kruste in Tiefen bis zu 250 km zu beobachten. Scherwellengeschwindigkeiten innerhalb dieser LVL sind in etwa 10 % geringer als im umgebenden Mantel. Hochdruck Utraschallinferometrie wurde angewendet um Information über elastische Eigenschaften von Lawsonit [CaAl2(Si2O7)(OH)2.H2O] zu gewinnen, welches ein wasserführendes Mineral ist, das in den kalten Bereichen von Subduktionszonen stabil ist. Es war möglich nachzuweisen, dass Lawsonit ein ungewöhnlich geringes Schermodul G bei hohen Drücken besitzt und dass die Bildung von Lawsonit eine Erklärung für diese LVL ab Tiefen von 100 km sein kann. Um die angenommenen LVL-Geschwindigkeiten zu beobachten, muss Lawsonit innerhalb der subduzierten Kruste als ein Resultat von Fluiden gebildet werden, die aufgrund des instabil Werdens von anderen hydratisierten Mineralien (z.B. Serpentinit) auftreten. Die Bildung von Lawsonit erniedrigt zusätzlich die seismische Geschwindigkeit, weil Lawsonit auf Kosten von Granat entsteht, welcher ein Mineral mit relative hoher seismischer Wellengeschwindigkeit ist. Die Beobachtung von LVL kann daher Rückschlüsse auf die in den unteren Mantel subduzierende Menge an H2O geben. Chemische Heterogenitäten in der Übergangszone (transition zone) sind vermutlich auf subduzierte basaltische, ozeanische Kruste und lithosphärischen, ultrabasischen Mantel zurückzuführen. Die Mineralogie in der Übergangszone ist vor Allem vom Gehalt und Chemismus von Granat abhängig. Granat, welcher sich aus basaltischen oder ultramafischen Protolithen gebildet hat, unterscheidet sich im Gehalt von Ca, Fe und der Majoritkomponente, wobei jener mit basaltischem Ursprung reicher an Ca und Fe und ärmer an der Majoritkomponente ist. Die meisten Modelle basieren auf partiellen Ableitungen der elastischen Eigenschaften abhängig vom Chemismus, um die elastischen Eigenschaften von komplexen Granatzusammensetzungen im Mantel zu bestimmen. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von verschiedenen chemischen Zusammensetzung auf seismische Wellengeschwindigkeiten von Granat bis zu Bedingungen der Übergangszone untersucht. Hierzu wurde der Einfluss von Ca, Fe und Majoritsubstitution auf die Elastizität von Pyrop beobachtet. Zusätzlich wurden komplexe Granatmischkristalle untersucht, von welchen angenommen wird, dass sie sich sowohl aus basaltischen sowie aus ultramafischen Material unter Bedingungen der Übergangszone bilden können. Die Ergebnisse lassen annehmen, dass sich die elastischen Eigenschaften von Granatmischkristallen ausgehend von den Eigenschaften der Endglieder interpolieren lassen. Die damit verbundenen Abweichungen liegen innerhalb der Unsicherheiten der Experimente. Des Weiteren konnte kein Anzeichen gefunden werden, dass ein Einfluss der Exzessenergie besteht, welche einen nicht-linearen Einfluss auf die elastischen Eigenschaften von Granatmischkristallen hat. Abweichungen zwischen den beiden berechneten Mantelmodellen, pyrolitisch und MORB, ist ca. 3 % für jeweils VP und VS, wobei die Ausbreitunsgeschwindigkeit des Mantel-slabs als langsamer angenommen wurde. Innerhalb der Fehler von seismischen Daten ist eine pyrolitische Mantelzusammensetzung übereinstimmend mit Geschwindigkeiten im unteren Bereich der Übergangszone. Die relativ geringe Temperatur und der hohe Anteil an Olivin des absinkenden slab lässt ein gewisses Argumentationspotential bezüglich einer bedeutenden Akkumulation von Material mit MORB-Zusammensetzung an der Basis der Übergangszone zu. Utraschallinferometrie in Verbindung mit in situ Röntgenmethoden wurden bei 25 GPa und 1200 K in einer Multianvilpresse für die Messung von Dichte und Kompressions- und Scherwellengeschwindigkeiten von MgSiO3 Perovskit und Perovskit benutzt. Die Daten für Mg-Pv stimmen mit früheren Studien überein und (Mg, Fe)-Pv hat nahezu identische Schereigenschaften wie Mg-Pv. Allerdings ist das adiabatische Kompressionsmodul, Ks, von (Mg, Fe)-Pv deutlich geringer als von (Mg)-Pv, mit einem verfeinerten Wert von 236 GPa und einer Druckableitung von 4,7. Es wird vorgeschlagen, dass dieser geringe Ks Wert durch eine Veränderung der Elastizität von Fe-haltigem Perovskit bei kleineren Drücken <30 GPa zustande kommt. Hochtemperaturmessungen von Vp und Vs an und Perovskitproben legen den Schluss nahe, dass die Substitution von Mg durch Fe einen systematischen Effekt auf Ks hat, der dadurch sowohl in Al-haltigen als auch in Al-freien Perovskiten stark verringert wird, während kein Effekt auf die Schereigenschaften festzustellen ist. Durch die Substitution von Al auf den Si-Oktaederplatz wird die Steifheit des Gitters verändert, was einen deutlichen Einfluss auf das Schermodul G hat. Wir beobachten, dass das G der Al-haltigen Perovskite offensichtlich durch den Al Gehalt der Struktur kontrolliert wird. Seismische Beobachtungen ergaben eine geringe Sichtbarkeit von unterseitigen PP Reflektionen an der 660 km Diskontinuität. Seismologen argumentieren in der Vergangenheit aufgrund dieser Beobachtung, dass der P-Wellenkontrast der Diskontinuität viel geringer ist als in seismischen Referenzmodellen angenommen wird. Die im Rahmen dieser Studie an Fe-Al Perovskit gesammelten Daten bieten eine exzellente Unterstützung für dieses Argument, da Modellrechnungen mit den Ergebnissen nur einen sehr geringen Vp Kontrast in 660 km Tiefe ergeben. Stattdessen ergibt das Modell dieser Studie, dass ein großer Teil der Veränderung der P-Wellen Geschwindigkeit zwischen der Übergangszone und dem unteren Mantel über ein breiteres Intervall von 200 km stattfindet und hauptsächlich durch den Übergang von Granat zu Perovskit zustande kommt. Eine Hauptfolgerung ist somit, dass nur in den seismischen S-Wellen Daten eine scharfe 660 km Diskontinuität sichtbar sein sollte und nicht in den Daten der P-Wellen. Die Vs Modellrechnungen stimmen bis zu Tiefen von 1071 km gut mit den seismischen Referenzmodellen überein, während Vp unter Bedingungen des unteren Mantels 3-4% geringer bleibt. Eine Extrapolation der Druck- und Temperaturabhängigkeiten deutlich außerhalb der Messbedingungen könnte diese Diskrepanz allerdings sehr gut erklären.