Water-content dependence of dislocation mobility of olivine in the [100](010) slip system

Titelangaben

Blaha, Stephan:
Water-content dependence of dislocation mobility of olivine in the [100](010) slip system.
Bayreuth , 2018 . - VII, 165 S.
( Dissertation, 2017 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

The aim of this project is to study the water-content dependence of dislocation mobility in the [100](010) slip-system of olivine under upper-mantle conditions, namely at a pressure of 2.75 GPa and a temperature of 1500, using a multi-anvil apparatus. Since olivine is the most abundant mineral of the Earth’s upper mantle, it is considered to control upper mantle rheology. Olivine is therefore targeted in this study. Plastic deformation of olivine is controlled by the motion of defects such as point defects, dislocations, and grain boundaries. In the upper mantle, dislocation creep is considered to be the dominant mechanism. Therefore, understanding of dislocation mobility in olivine is essential to investigate mantle dynamics.
Many deformation experiments demonstrated that creep rates dramatically increase by incorporation of water. However, deviatoric stresses and strain rates in deformation experiments are by far higher than those in the upper mantle, and therefore those results should be examined by an independent technique from deformation experiments. Since the dislocation creep rate should be proportional to the dislcation mobility, water-content dependence of dislocation mobility of olivine is estimated by means of the dislocation-recovery technique in this study. In this technique, water-doped olivine crystals are deformed to form dislocations and then annealed under quasi-hydrostatic conditions. The dislocation annihilation rate is obtained by the following equation: k = (1/ρf -1/ρi)/t, where ρi is the dislocation density before the annealing, ρf is the dislocation density after the annealing, k is the dislocation annihilation rate, and t is the duration of the annealing. The water-content dependence of the dislocation mobility is assumed identical to that of the dislocation annihilation rate. For these purposes the experimental setups were developed, which make it possible to dope water in an olivine single crystal, increase the dislocation density of a certain slip-system without the formation of sub-grains, and anneal the samples at quasi-hydrostatic conditions.
By hydration experiment, up to 380 wt. ppm of water was successfully doped into olivine single crystals. The water doped olivine crystals were deformed in the [100] direction on the (010) slip plane to produce dislocations with density from 4×1011 to 14×1011 m−2. The deformed olivine crystals were annealed for 1 to 5 hours to decrease the dislocation density by 8 ∼ 50 %. These data gave the dislocation annihilation rates of 10−16.7 to 10−15.6 m2/s. The water-content exponent is found to be 0.17±0.43. Thus, the enhancement of the dislocation mobility by water incorporation is very small, or actually zero within the uncertainty. By examining the FT-IR spectra, it is found that the dislocation mobility is correlated with the intensity ratios of the peaks at 3612 and 3565 cm−1 to those at 3170, 3320 and 3598 cm−1. rather than the total water content. Since the former and latter peaks are considered to be related to the hydration of Si and Mg sites, respectively, the dislocation mobility seems to be enhanced by the hydration of the Si sites, but suppressed by that of the Mg sites. The present results are in striking contrast with the results of deformation experiment, which gave the water-content exponent of 1.2. Although it has been believed that presence of water should strongly enhance dynamic motion in the upper mantle, this paradigm is questioned by the present study together with the water-content dependence of the Si self-diffusion coefficients.

Abstract in weiterer Sprache

Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses von Wasser auf die Mobilität von Versetzungen des [100](010) Gleitsystems von Olivin unter Bedingungen des Erdmantels bei einem Druck von 2.75 GPa und einer Temperatur von 1500 K. Hierfür wird eine Viel-Stempel Presse verwendet. Olivin ist das häufigste Mineral des oberen Erdmantels und daher wird angenommen, dass Olivin die rheologischen Eigenschaften in diesem Bereich des Mantels bestimmt. Aus diesem Grund wurde Olivin für diese Studie ausgewählt. Fehlstellen, Versetzungen und Korngrenzen haben einen großen Einfluss auf die plastische Deformation von Olivin. Unter den Bedingungen, die im oberen Erdmantel herrschen, wird angenommen, dass Versetzungskriechen den größten Einfluss hat. Daher, um geologische Prozesse im oberen Erdmantel, wie Konvektion, besser verstehen zu können, ist es notwendig Versetzungskriechen von Olivin besser zu untersuchen.
In zahlreichen Deformationsexperimenten wurde festgestellt, dass durch die Anwesenheit von Wasser in Olivin-Aggregaten Versetzungskriechen stark zunimmt. Aufgrund dessen, dass Schubspannungen und Deformationsraten in Deformationsexperimenten um ein vielfaches höher sind als im Erdmantel, sollten Resultate von Deformationsexperimenten mit einer unabhängigen Methode untersucht werden. In dieser Studie wird die Methode des Temperns angewendet, um die Mobilität von Versetzungen und den Einfluss von Wasser auf diese in Olivin zu untersuchen. Hierbei werden mit Wasser angereicherte Olivinkristalle deformiert um Versetzungen zu erzeugen, welche in einem weiteren Experiment unter quasi hydrostatischen Bedingungen getempert werden. Die Rate der Versetzungsauflösung wurde auf folgende Weise berechnet: k = (1/ρf -1/ρi)/t, wobei ρi die Versetzungsdichte vor und ρf die Versetzungsdichte nach dem Tempern ist. Die Zeit des Temperns ist t und k die Rate der Versetzungsauflösung. Es wird angenommen, dass die Abhängigkeit der Mobilität von Versetzungen vom Wassergehalt gleich der Rate von Versetzungsauflösung ist. Aus diesem Grund wurde ein experimenteller Aufbau entwickelt, der es ermöglicht den Wassergehalt in einem Olivin-Einkristall zu erhöhen, die Versetzungsdichte eines bestimmten Gleitsystems ohne das Ausbilden von Subkorngrenzen zu steigern und Proben unter quasi-hydrostatischen Bedingungen zu tempern. Hydratationsexperimente ermöglichen es den Wassergehalt in Olivin-Einkristallen bis zu 380 ppm zu erhöhen. Diese Kristalle wurden in einem weiteren Schritt in [100]-Gleitrichtung und in der (010)-Gleitebene deformiert. Dabei wurden Versetzungsdichten von 4×1011 bis zu 14×1011 m−2 erreicht. Die deformierten Kristalle wurden zwischen 1 bis 5 h getempert, wobei sich die Versetzungsdichte um 8 bis 50 % erniedrigt. Diese Daten ergeben Raten für Versetzungsauflösung von 10−16.7 bis 10−15.6 m2/s. Der daraus resultierende Exponent des Wassergehaltes ist 0.17±0.43. Dies zeigt, dass die Zunahme der Mobilität von Versetzungen durch die Zugabe von Wasser nur sehr gering ausfällt, oder dass es sogar im Rahmen des Fehlers zu gar keiner Zunahme kommt. Untersuchungen durch FTIR-Spektroskopie ergeben, dass die Mobilität der Versetzungen mit dem Verhältnissen der Intensitäten der Banden bei 3612 und 3565 cm−1 und denen bei 3170, 3320 und 3598 cm−1 und nicht mit dem totalen Wassergehalt in Verbindung steht. Es wird angenommen, dass diese Gruppen von Banden mit der Hydratation von Si und Mg Fehlstellen korrelieren. Die Mobilität der Versetzungen scheint durch die Hydratation von Si-Fehlstellen zuzunehmen und durch die Hydratation von Mg-Fehlstellen gedämpft zu werden. Die Resultate dieser Studie stehen in einem großen Kontrast zu denjenigen von Deformationsexperimente, welche einen Exponenten für den Wassergehalt von 1.2 ergeben. Obwohl generell angenommen wird, dass Wasser die dynamische Bewegung im Erdmantel stark fördert, muss diese Annahme aufgrund der Resultate dieser Studie in Verbindung mit Studien, die sich mit der Abhängigkeit der Diffusivität von Si in Olivin und dem Einfluss von Wasser darauf beschäftigen, überdacht werden.