Dissertation/Thesis Abstract

Silicon and Oxygen Self-Diffusion in Forsterite and Implications to Upper-Mantle Rheology
by Fei, Hongzhan, Dr.Nat., Universitaet Bayreuth (Germany), 2013, ; 10693240
Abstract (Summary)

(1) Gitterdiffusionskoeffizient von Silizium in wasserfreiem Forsterit Die Eigendiffusion gilt als kontrollierender Faktor des Hochtemperatur-Kriechens von Olivin. Jedoch liegen die experimentell bestimmten Silizium-Diffusionskoeffizienten (DSi) [Dohmen et al., 2002; Jaoul et al., 1981] um ca. 2-3 Größenordnungen niedriger als jene, die auf Abschätzungen auf der Basis von Versetzungskriechraten aus Verformungsexperimenten beruhen (Durham and Goetze, 1977a; Goetze and Kohlstedt, 1973). Zur Klärung dieser Diskrepanz wurde von uns DSi in einem wasserfreiem Forsterit-Einkristall bei 1600-1800 K und bei Drücken von 1 atm – 13 GPa bestimmt. Dafür wurden ein Hochtemperaturofen (Umgebungsdruck) und eine Multianvil-Presse (Kawai-Typ) eingesetzt. Der Wassergehalt der Proben wurde sehr sorgfältig auf weniger als 1 ppm (Gewicht) eingestellt. Die Ergebnisse für DSi zeigen eine kleine negative Abhängigkeit vom Druck, mit einem Aktivierungsvolumen von 1,7±0,4 cm3/mol. Für die Aktivierungsenergie wurde ein Wert von 410±30 kJ/mol ermittelt. Die logDSi-Werte bei 1600 und 1800 K unter Umgebungsdruck sind damit -19,7±0,4 beziehungsweise -18,1±0,3 (DSi in m2/s); sie liegen damit um ~2,4 Größenordnungen über denen, die von Jaoul et al. (1981) bestimmt wurden. Deren niedriger DSi-Wert könnte den Einfluss einer horizontalen Migration der auf der Probe aufgebrachten dünnen, mit Isotopen angereicherten Oberflächenfilme widerspiegeln, wodurch eine Diffusion in das Substrat bei der Abkühlung verhindert wird. Mit unseren Ergebnissen konnte die Diskrepanz der DSi-Werte aus Diffusionsexperimenten und der daraus abgeleiteten Kriechraten mit Messungen aus Verformungsexperimenten, geklärt werden. (2) Der Einfluss von Wasser auf den Silizium-Eigendiffusionskoeffizienten in Forsterit Geodynamische Prozesse im Erdinneren werden in großem Umfang durch Wasser beeinflusst. Insbesondere haben Verformungsexperimente darauf hingewiesen, dass Wasser bereits im ppm-Bereich Kriechprozesse in Olivin um einige Größenordnungen verstärkt. Diese Ergebnisse zur Kristallverformung sind jedoch aufgrund der experimentellen Gegebenheiten nicht gesichert; zum Beispiel wird hier bezüglich des Wassergehalts ein enger Bereich betrachtet und die Proben unterlagen sehr hohen Spannungen. Da das Hochtemperatur-Kriechverhalten von Silikatmineralen durch die Eigendiffusion von Silizium bestimmt wird, haben wir systematisch DSi in eisenfreiem Forsterit bei 8 GPa, 1600 - 1800 K und einem Wassergehalt (CH2O) von <1 bis ~800 ppm, gemessen. Es ergab sich folgende Beziehung: DSi ∝ (CH2O)0,32±0,07. Dieser CH2O –Exponent ist signifikant niedriger als in Verformungsexperimenten, mit einem Wert von 1,2 (Hirth and Kohlstedt, 2003). Die hohen nominalen Kriechraten in den Verformungsexperimenten unter wasserhaltigen Bedingungen könnten ihre Ursache in einem Überschuss an Wasser an Korngrenzen haben. Somit ist der Einfluss von Wasser auf die Olivinrheologie viel geringer als bisher angenommen; zahlreiche geodynamische Fragestellungen sollten im Licht dieser Erkenntnisse neu überdacht werden. Die mit Hilfe von DSi berechneten Viskositäten im oberen Erdmantel nehmen mit zunehmender Tiefe kontinuierlich ab, ohne dass eine Zone mit einem Minimum aufgrund von Wasser erkennbar wird. Daher spielt Wasser für die Aufweichung der Asthenosphäre sicherlich keine Rolle. Die CH2O-Differenz zwischen der Ursprungsregion von Hotspots und dem normalen Mantel verursacht lediglich einen Kontrast in den Viskositäten mit einem Faktor 2, der relativ klein ist im Vergleich zu dem, der durch Temperaturunterschiede hervorgerufen wird. Daher können CH2O-Differenzen nicht als Hauptgrund für das Verharren von Hotspots auf ihrer Position herangezogen werden. (3) Der Einfluss von Wasser auf den Sauerstoff-Eigendiffusionskoeffizienten in Forsterit Sauerstoff ist das die zweitlangsamste Diffusionsspezies in Olivin mit ähnlichen Diffusionskoeffizienten wie Silizium. Daher spielt die Sauerstoffdiffusion neben der Siliziumdiffusion eine wesentliche Rolle in der Gesteinsverformung. Zur Untersuchung der Auswirkung von Wasser auf das Kriechen, das nach Experimenten zur Gesteinsverformung beschrieben wurde, haben wir auch den Eigendiffusionskoeffizienten für Sauerstoff (DO) in Forsterit bei einem Druck von 8 GPa und Temperaturen von 1600 – 1800 K als Funktion von CH2O von <1 bis ~800 ppm (Gewicht) untersucht. Das experimentell ermittelte Ergebnis lautet DO ∝ (CH2O)0,06±0,1 ≈ (CH2O)0. Wasser hat damit keinen Einfluss auf DO. Im Zusammenhang mit der geringen Auswirkung von Wasser auf den Eigendiffusions-Koeffizienten von Silizium lässt sich daraus schließen, dass Wasser für die Rheologie des oberen Erdmantels eine unbedeutende Rolle spielt. (4) Korngrenzen-Diffusionskoeffizient für Silizium in Forsterit Versetzungskriechen bewirkt nicht-Newton’sche Viskosität und seismische Anisotropien, was dagegen bei Diffusionskriechen nicht der Fall ist. Die Bestimmung von Verformungsmechanismen im Erdinneren ist daher für das Verständnis der Dynamik im Erdmantel sehr wichtig. Von uns wurde der Korngrenzen-Diffusionskoeffizient für Silizium in Forsterit in Abhängigkeit von Druck, Temperatur und Wassergehalt bestimmt. Als Werte für Aktivierungsvolumen, Aktivierungsenergie sowie des Exponenten für die Abhängigkeit vom Wassergehalt ergaben sich 1,8±0,2 cm3/mol, 245±12 kJ/mol sowie 0,22±0,05. Wir haben die Kriechgeschwindigkeiten dreier verschiedener Arten von Kriechen verglichen: Versetzungskriechen, Coble-Diffusionskriechen und Nabarro-Herring-Diffusionskriechen; in allen Fällen wurde die Geschwindigkeit aus Gitter- und Korngrenzen-Diffusionskoeffizienten für Silizium berechnet. Die Ergebnisse deuten auf eine Dominanz des Diffusionskriechen in kühlen Mantelregionen und Mantelkeilen hin. In der Asthenosphäre dominiert aufgrund hoher Temperaturen stets Versetzungskriechen; es treten keine Übergänge in den Verformungsmechnismen auf. In der Lithosphäre dominiert in geringer Tiefe das Diffusionskriechen, in tieferen Bereichen überwiegt Dislokationskriechen. Da in Mantelkeilen Olivin keine Vorzugsrichtung im Kristallgitter ausbildet, wird die starke elastische Anisotropie in diesen Zonen wohl nicht durch Olivin sondern durch Serpentin verursacht. Eine Newton’sche Rheologie, die aufgrund der postglazialen Hebung angenommen wird, sowie die beobachtete seismische Diskontinuität im Zentrum der Lithosphäre sollte der kühlen kontinentalen Lithosphäre mit dominierendem Diffusionskriechen zugeschrieben werden.

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Advisor:
Commitee:
School: Universitaet Bayreuth (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 81/1(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Geochemistry, Geology, Geophysics
Keywords: Mantle rheology, Forsterite
Publication Number: 10693240
ISBN: 9781392605738
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