Experimental deformation of forsterite, wadsleyite and ringwoodite: Implications for seismic anisotropy of the Earth’s mantle

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Couvy, Hélène:
Experimental deformation of forsterite, wadsleyite and ringwoodite: Implications for seismic anisotropy of the Earth’s mantle.
Bayreuth , 2004
( Dissertation, 2005 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The rheological properties of the major minerals of the Earth’s mantle are still not well constrained. However, these properties are crucial for the understanding of a wide range of processes in the Earth’s interior such as mantle convection. The purpose of this work is to address the issue of the rheology of the lowermost upper mantle and of the transition zone through the mechanical properties at high pressure of olivine (with forsterite composition Mg2SiO4) and of its high-pressure polymorphs wadsleyite and ringwoodite. Indeed, the properties of the Earth’s mantle can be inferred as a first approximation from the mechanical properties of those polymorphs which volumetrically dominate the mineralogy of the region of concern. Deformation experiments have been performed on hot-pressed forsterite samples and on pre-synthesized wadsleyite and ringwoodite samples under pressure conditions of the Earth’s mantle and at 1300-1400°C. The possible influence of the phase transformation from forsterite to wadsleyite on rheology has been also investigated. Deformation has been achieved by shear using the Kawai-type multianvil apparatus. Complementary experiments on forsterite have been performed in the newly developed Deformation-DIA. Some of them have been carried out on a synchrotron beam line to perform in-situ stress and strain measurements. In order to gain a maximum of information on the deformation mechanisms and on the Crystallographic Preferred Orientation (CPO), a special attention has been devoted to the microstructural characterisation of the samples. Electron BackScattering Diffraction (ESBD) and Transmission Electron Microscope (TEM) have been mainly used. An important pressure-induced change in deformation mechanism is shown in forsterite. The deformation of forsterite at high pressure and temperature is dominated by the [001]{hk0} slip system rather than the [100](010) glide which is extensively observed at low pressure and high temperature.. Concerning the high-pressure polymorphs, their plastic behaviour has been studied with a strong emphasis on the formation of CPO. ViscoPlastic Self Consistent (VPSC) modelling is used to link the CPO with known elementary deformation mechanisms of these phases. The main features of the CPO of wadsleyite are characterized by the alignment of the [100] axes parallel to the shear direction and the alignment of the [001] axes toward the normal to the shear plane. Too many uncertainties remain on the ringwoodite CPO for them being used to interpret seismic anisotropy. Finally, we suggest that strain-induced CPO might be responsible for the seismic anisotropy observed in the lowermost upper mantle and in the upper part of the transition zone. The low seismic anisotropy of the lowermost upper mantle can be explained from the slip system change in forsterite and the CPO of wadsleyite point toward a dominant tangential flow in the upper part of the transition zone.

Abstract in weiterer Sprache

Die rheologischen Eigenschaften der Hauptminerale des Erdmantels sind derzeit nahezu unbekannt. Die Kenntnis dieser Eigenschaften ist aber entscheidend für das Verständnis vieler Prozesse und Eigenschaften des Erdmantels wie Konvektion, Entwicklung seismischer Anisotropien oder Festigkeit subduzierter Lithosphäre. Ziel dieser Arbeit ist es, die Rheologie des unteren Bereichs des oberen Erdmantels und der Übergangszone über die mechanischen Eigenschaften von Olivin und seiner Hochdruckpolymorphe Wadsleyit und Ringwoodit (Mg2SiO4) – die volumenmäßig wichtigsten Phasen dieses Regimes – abzuleiten. Die Eigenschaften des Erdmantels können nämlich in erster Näherung aus den mechanischen Eigenschaften dieser Polymorphe berechnet werden. Deformationsexperimente wurden bei Drucken des Erdmantels und bei Temperaturen von 1300-1400°C an gesintertem Forsterit und zuvor synthetisierten Wadsleyit- und Ringwoodit-Proben durchgeführt. Der mögliche Einfluß der Phasenumwandlung von Olivin in Wadsleyit auf das rheolohische Verhalten wurde ebenso untersucht. Die Deformation wurde durch Scherung der Proben in einer Vielstempelpresse vom Typ Kawai erreicht. Komplementäre in-situ Experimente wurden mit einer neu entwickelten Deformations-DIA-Apparatur an Forsterit durchgeführt. Der thermomechanische Verlauf der Deformation wurde erstmals in den Hochdruckpressen durch zeitaufgelöste Experimente dokumentiert. Um ein Maximum an Information über die Deformationsmechanismen und die kristallographische Vorzugsorientierung (CPO) zu erhalten, wurde auf die Charakterisierung der zurückgewonnenen Proben besonders Wert gelegt. Beugung rückgestreuter Elektronen (EBSD) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) kamen hierbei zum Einsatz. Die Hochdruckexperimente an Forsterit belegen eine druckinduzierte Änderung des Deformationsmechanismus. Die Deformation von Forsterit ist bei hohen Drucken und Temperaturen durch das [001]{hk0} Gleitsystem geprägt, während bei niedrigen Drucken und Temperaturen üblicherweise [100]-Gleitung vorherrscht. Bei den Hochdruckpolymorphen wurde die plastische Deformation im wesentlichen über die Ausbildung von kristallographischen Vorzugsorientierungen (CPO) erfasst. Viskoplastische eigen-konsistente Modellierung (VPSC) wurde genutzt, um die kristallographische Vorzugsorientierung (CPO) durch bekannte elementare Deformationsmechanismen zu erklären. Die Hauptmerkmale der kristallographischen Vorzugsrichtungen von Wadsleyit sind die Ausrichtung der [100]-Achsen parallel zur Scherrichtung und die Ausrichtung der [001]-Achsen senkrecht zur Scherebene. Im Gegensatz dazu entwickelte sich in Experimenten mit Ringwoodit keine deutliche kristallographische Vorzugsrichtung (CPO). Die deformationsbedingten kristallographischen Vorzugsrichtungen (CPO) liefern schließlich eine Erklärung für die beobachteten seismischen Anisotropien im unteren Teil des oberen Erdmantels und in der Übergangszone. Die geringe seismische Anisotropie des unteren Teils des oberen Erdmantels kann durch eine Änderung des Gleitsystems in Forsterit erklärt werden, während die kristallographische Vorzugsrichtung von Wadsleyit auf tangentiales Fließen im oberen Teil der Übergangszone hindeutet.