Silicon and oxygen self-diffusion in forsterite and implications to upper-mantle rheology

Titelangaben

Fei, Hongzhan:
Silicon and oxygen self-diffusion in forsterite and implications to upper-mantle rheology.
Bayreuth , 2013
( Dissertation, 2013 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

(1) Silicon lattice diffusion coefficient in dry forsterite The high temperature creep of olivine is believed to be controlled by self-diffusion of olivine. However, the experimentally measured silicon diffusion coefficients (DSi) [Dohmen et al., 2002; Jaoul et al., 1981] were about 2-3 orders of magnitude lower than those estimated from dislocation creep rates by deformation experiments [Durham and Goetze, 1977a; Goetze and Kohlstedt, 1973]. In order to resolve this discrepancy, we measured DSi in a dry forsterite single crystal at 1600-1800 K, 1 atm -13 GPa using an ambient pressure furnace and Kawai-type multi-anvil apparatus. The water contents in the samples were carefully controlled at <1 wt. ppm. The results of DSi showed small negative pressure dependence with an activation volume of 1.7±0.4 cm3/mol. The activation energy is found to be 410±30 kJ/mol. LogDSi at 1600 and 1800 K at ambient pressure are -19.7±0.4 and -18.1±0.3 (DSi in m2/s), respectively, which are ~2.4 orders of magnitude higher than those reported by Jaoul et al. [1981]. Their low DSi might reflect the effects of a horizontal migration of the isotopically enriched thin films applied on the sample surfaces, which may inhibit diffusion into the substrate during annealing. Our results resolved the discrepancy of DSi measured in diffusion experiments with those deduced from creep rates measured in deformation experiments. (2) Effect of water on silicon self-diffusion coefficient in forsterite Water has been considered to largely affect geodynamical processes in the Earth’s interior. In particular, experimental deformation studies suggested that even several tens wt. ppm of water can enhanced creep in olivine by several orders of magnitude. However, those deformation results are doubtful because of the experimental limitations, e.g., considering only a limited range of water content and very high stresses applied to the samples. Because the high temperature creep of silicate minerals is controlled by silicon self-diffusion, we systematically measured DSi in iron-free forsterite at 8 GPa, 1600 - 1800 K, and water content (CH2O) from <1 up to ~800 wt. ppm, showing a relationship, DSi ∝ (CH2O)0.32±0.07. This CH2O exponent is strikingly lower than 1.2, which has been obtained by deformation experiments [Hirth and Kohlstedt, 2003]. The high nominal creep rates in the deformation studies under wet conditions may be caused by excess grain boundary water. Thus, the effect of water on olivine rheology is much smaller than that it has been considered before and many geodynamic problems should be reconsidered. The viscosity in the upper mantle calculated from DSi continuously decreases with increasing depth without appearing a minimum zone by mineral hydration, and therefore, the asthenosphere softening cannot be caused by water effect. The CH2O differences between the source of hotspots and their surrounding regions only causes a viscosity contrast by a factor of two, which is rather small in comparison with that caused by temperature differences. Therefore, CH2O differences cannot be the major reason that leads to the immobility of hotspots. (3) Effect of water on oxygen self-diffusion coefficient in forsterite Oxygen is the second slowest diffusion species in olivine with similar diffusion coefficients as silicon. Therefore, oxygen diffusion also plays essential role in rock deformation as well as silicon diffusion. In order to examine the effects of water on creep reported by rock deformation experiments, we also measured oxygen self-diffusion coefficient (DO) in forsterite at a pressure of 8 GPa and temperatures of 1600 - 1800 K as a function of CH2O from <1 up to ~800 wt. ppm. The experimental results showed DO ∝ (CH2O)0.06±0.1 ≈ (CH2O)0. Namely, water has no effect on DO. Together with the small effect of water on silicon self-diffusion coefficient, we conclude that the role of water on upper mantle rheology is insignificant. (4) Silicon grain boundary diffusion coefficient in forstetrite Dislocation creep causes non-Newtonian viscosity and seismic anisotropy whereas diffusion creep doesn’t. Determination of deformation mechanism in Earth’s interior is thus essential to understand mantle dynamics. We have measured silicon grain-boundary diffusion coefficient in forsterite as a function of pressure, temperature, and water content. The activation volume, activation energy, and water exponent are found to be 1.8±0.2 cm3/mol, 245±12 kJ/mol, and 0.22±0.05, respectively. The rates of dislocation creep, Coble diffusion creep, and Nabarro-Herring diffusion creep calculated from silicon lattice and grain-boundary diffusion coefficients suggest dominant diffusion creep in cold mantles and mantle wedges. In the asthenosphere, dislocation creep always dominates because of the high temperature. The deformation mechanism transition does not occur in the asthenosphere. In the lithosphere, diffusion creep dominates in shallow regions and dislocation creep dominates in lower regions. In mantle wedges, diffusion creep dominates and therefore olivine does not form lattice-preferred orientation: their strong anisotropy is caused not by olivine but by serpentine. The Newtonian rheology suggested by postglacial rebound and the seismically observed mid-lithospheric discontinuity should be attributed to the diffusion creep dominated cold continental lithosphere.

Abstract in weiterer Sprache

(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.