Dissertation/Thesis Abstract

The Origins of Olivine Fabric Transitions and Their Effects on Seismic Anisotropy in the Upper Mantle
by Shekhar, Sushant, Dr.Nat., Universitaet Bayreuth (Germany), 2012, 183; 10692430
Abstract (Summary)

Mantelkonvektion spielt eine zentrale Rolle in der thermischen und geochemischen Entwicklung der Erde. Sie stellt die Hauptenergiequelle für die Bildung von geologischen Grossstrukturen wie Gebirgsketten und Ozeanbecken dar. Die Plattentektonik und ihre gewalttätigen Folgen wie Erdbeben und Vulkane sind alle Manifestationen der Dynamik des konvektiven Erdmantels. Von Mantelkonvektion generierte Scherkräfte führen zu kristallographischer Vorzugsrientierung (lattice preferred orientation, LPO) der mineralogischen Hauptphasen des oberen Erdmantels. Auf diese Weise gebildete LPO wird als Hauptursache für seismische Anisotropie des oberen Erdmantel angesehen, und kann daher zur Kartierung der Fliessrichtungen, verwendet werden. Starke Änderungen in der seismischen Anisotropieereignen sich in den oberen 300 km des oberen Mantels, wo Olivin das wichtigste Mineral ist. In der vorliegenden Studie wurde eine Hochdruck-Verformungspresse, genannt Deformation-DIA (D-DIA), eingesetzt, um Aggregate von San Carlos Olivin in einfacher Schergeometrie bei Drücken zwischen 3 und 8,5 GPa und Temperaturen von 1300-1500 ° C zu deformieren. Um diese experimente durchführen zu können, wurde als Teil dieses Projektes eine kubische Hochdruck und-temperaturzelle entwickelt, die in einem Winkel von 45° geschnittene, feste Al2O3 Stempel benutzt, um die Probe zu scheren, aber die Kaltverformung während des Druckaufbaus minimiert, indem poröses Aluminiumoxid eingesetzt wird. Nachdem stabil hohe Drücke und Temperaturen während eines Expeiments erreicht wurden, wurde die kubische Zelle durch Komprimierung der zwei vertikal ausgerichteten Stempel der D-DIA verformt, während die vier horizontal ausgerichteten Stempel bei konstanter Kraft gehalten wurden. Diese Verkürzung der gesamten Zelle führt zu einer Scherdeformation der Olivinprobe. Die deformierten Proben wurden für im Hinblick auf eine Texturentwicklung mithilfe von rückgestrahlter Elektronenbeugung (EBSD) analysiert und die Mikrostruktur wurde mit Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Bei jedem Druck und Temperatur wurden Experimente in Abhängigkeit von Deformationsrate und Wassergehalt durchgeführt. In Verformungsexperimenten mit trockenem Olivin entwickelte sich bei niedriger Deformationsrate (niedrige Spannung) eine LPO des Typs A bei allen experimentellen Drücken und Temperaturen, was auf ein dominantes Gleitsystem (010) [100] hindeutet. Bei höherer Deformationsraten (höheren Spannungen) entwickelten sich LPOs des Typs B, was auf eine erhöhte Aktivität des (010) [001] Gleitsystems hindeutet. Die rekristallisierte Korngrösse und die Versetzungsdichten wurden dazu benutzt, die Spannungen in den Proben abzuschätzen und ergaben eine gute Korrelation mit den Deformationsraten. Experimente mit trockenen Proben bei 8.5 GPa und 1500 ° C ergaben keine LPO, was möglicherweise den Übergang zur Verformung durch Diffusions-gestütztes Korngrenzgleiten bei diesen Bedingungen anzeigt. Im Gegensatz zu früheren Studien gab es keinen Hinweis darauf, dass Druck das dominante Gleitsystem in Olivin beeinflusst. Die in diesen Arbeiten postulierte Druckabhängigkeit der Gleitsysteme im Olivin könnte daher in Wirklichkeit durch die höheren Spannungen bei den höheren experiementellen Drücken verursacht sein. Texturen in H2O-haltigen Olivinproben, die bei ähnlichen Bedingungen wie die trockenen Proben deformiert wurden, offenbart die Dominanz des Texturtyps C, charakterisiert durch die Einregelung des (100) [001] Gleitsystems. Änderungen von Parametern wie Druck, Temperatur und Deformationsrate hatte dabei nur sehr geringen Einfluss auf diese Texturentwicklung. TEM Beobachtungen bestätigten das Vorhandensein von Versetzungen der jeweiligen Gleitsysteme, die mit der Entwicklung der makroskopischen Texturen in Einklang stehen. Modellierungen der Texturentwicklung mithilfe eines viskoplastisch-selbskonsistenten Deformationsmodells wurden benutzt, um die Textur der Proben zu verstehen und die anteiligen Beiträge der verschiedenen Gleitsysteme zu ihrer Entwicklung abzuschätzen. Diese Ergebnisse werden verwendet, um eine Olivintexturkarte zu erstellen, die mit den vorherigen Deformationsstudien von Olivin bei niedrigerem Druck im Einklang steht. Es wird argumentiert, dass der Rückgang der seismischen Anisotropie, der in den obersten 300 km des oberen Mantels beobachtet wird, nicht durch eine druckinduzierte Änderung des dominanten Gleitsystems in Olivin verursacht wird. Stattdessen wird vorgeschlagen, dass Änderungen im H2O-Gehalt in Olivin mit der Tiefe eine Verschiebung der Textur von Typ A nach Typ C, mit einer möglichen Umweg über die textur des Typs E der durch das Gleitsystem (001) [100] charaketerisiert ist, in dieser Studie jedoch nicht beobachtet wurde. Modellierung wird verwendet, um zu zeigen, dass diese Änderung im dominanten Gleitsystem die Verringerung der seismischen Anisotropie mit der Tiefe im oberen Erdmantel verursachen kann. Der H2O-Gehalt von Olivin wächst von unter 100 ppm bei 50 km Tiefe auf 250 ppm bei 300 Kilometern Tiefe an. Allerdings wird nicht argumentiert, dass der H2O-Gehalt des Mantels mit der Tiefe ansteigt, sonder dass diese Änderung im H2O-Gehalt des Olivins durch die Änderung des Verteilungskoeffizienten von H2O zwischen Olivin und Pyroxen mit der Tiefe bei einem konstanten H2O Konzentration von 200 ppm im oberen Erdmantel verursacht werden kann. Ähnliche Verformungsexperimente wurden mit einer Probe peridotitischer Zusammensetzung bei 8.5 GPa und 1300 ° C durchgeführt und ergaben identische Olivintexturen wie die monomineralischen Experimente. Texturen für Diopsid und Enstatit in diesen Experimenten sind ähnlich zu solchen, die zuvor in Experimenten bei niedrigerem Druck produziert wurden. Experimente mit einem piezoelektrischen Einkristall aus GaPO4 wurden in der D-DIA und der 6-Ram MAVO Presse bei hohen Drücken durchgeführt, um die elektrische Ladungen zu messen, die durch die deviatorischen Spannungen erzeugt werden. Die elektrische Ladung des Kristalls wurde mithilfe eines Operationsverstärkers gemessen. In Experimenten bei Raumtemperatur wurden unter Verwendung der kubischen Zelle erfolgreich quantifizierbare elektrische Ladungen gemessen, die bei absoluten Bewegungen der Deformationsstempel von weniger als 0,5 µm erzeugt wurden. Obwohl die piezoelektrische Konstante für GaPO4 bei hohen Drücken noch nicht kalibriert ist, konnten aus den gemessenen elektrischen Ladungen mechanische Spannungen im Bereich von 4-350 MPa abgeschätzt werden.

Indexing (document details)
Advisor:
Commitee:
School: Universitaet Bayreuth (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 81/1(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Geology, Geophysics
Keywords: Mantle convection
Publication Number: 10692430
ISBN: 9781392507063
Copyright © 2020 ProQuest LLC. All rights reserved. Terms and Conditions Privacy Policy Cookie Policy
ProQuest