Hydration in the Transition Zone : Elasticity Studies on Ringwoodite and Phase Egg

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Schulze, Kirsten:
Hydration in the Transition Zone : Elasticity Studies on Ringwoodite and Phase Egg.
Bayreuth , 2018 . - XX, 142 S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

Der Wassergehalt und der Transport von Wasser in die tiefe Erde sind in vielen Disziplinen der Geowissenschaften von Interesse. Der Wassergehalt verändert die physikalischen Eigenschaften vieler Minerale wie die elektrische Leitfähigkeit, die elastischen Eigenschaften oder die Schmelz- und Ausfrierbedingungen. Um die Verteilung und die Transportwege von Wasser in der tiefen Erde zu bestimmen, muss der Effekt von Wasser auf die elastischen Eigenschaften von nominell wasserfreien und wasserhaltigen Hochdruckphasen bestimmt werden. Die elastischen Eigenschaften sind mit den Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Minerale korreliert, welche durch seismologische Techniken wie seismischer Tomographie verwendet werden. Geophysikalische Messtechniken können die physikalischen Eigenschaften der tiefen Erde abbilden und numerische Modelle versuchen, die Prozesse innerhalb der Erde zu reproduzieren. Um Rückschlüsse über den Wassergehalt in dem Untersuchungsgebiet zu ziehen müssen Laborexperiment und geophysikalische Messungen gemeinsam interpretiert werden. Ringwoodit und Phase Egg sind zwei Hochdruckphasen, die unter den Bedingungen der unteren Übergangszone stabil sind und im Fall von Phase Egg sogar im oberen unteren Mantel. Diamanteinschlüsse haben gezeigt, dass zumindest in einigen Regionen wasserhaltiger Ringwoodit in der tiefen Erde vorkommt. Es wurden ebenfalls Einschlüsse gefunden die der chemischen Zusammensetzung von Phase Egg entsprechen. In dieser Arbeit wurden zwei Projekte durchgeführt, um die elastischen Eigenschaften dieser beiden Phasen zu messen. (Mg,Fe)2SiO4 Ringwoodit ist ein nominell wasserfreies Mineral, allerdings haben Experimente gezeigt, dass es 2-3 gew.%H2O als Defekte in seine Struktur einbauen kann. Aus diesem Grund wird Ringwoodit als Kandidat für einen Wasserspeicher in der tiefen Erde angesehen. Bei niedrigem Druck wurde in früheren Studien mittels Einkristall Brillouinspektroskopie eine Verringerung der Ausbreitungsgeschwindigkeiten mit zunehmendem Wassergehalt gemessen. Dies lies den Schluss zu, dass der Wassergehalt der unteren Übergangszone aus seismologischen Beobachtungen ermittelt werden könnte. Die Interpretationen waren weder miteinander noch mit Leitfähigkeitsstudien konsistent. Der Vergleich verschiedener Brillouin Studien aus der Literatur wird durch unterschiedliche chemische Zusammensetzungen, deren Charakterisierung, unterschiedlichen Versuchsaufbauten und unterschiedlichen Hochdruck- und Hochtemperaturbedingungen erschwert. Wir haben eine Technik entwickelt, um Einkristallproben mithilfe eines fokussierten Ionen Strahls als Teilkreise zu zuschneiden, um insgesamt vier chemisch verschiedene Ringwoodit Proben in die Druckkammer einer Diamantstempelzelle zu laden. Mit dieser Technik konnten wir den vollständigen elastischen Tensor für drei Proben mit Fo89 ((Mg0.89,Fe0.11)2SiO4) Zusammensetzung und mit einem Wassergehalt von 0,21 - 1,71 gew.%H2O plus eine Probe Mg-Endglied Fo100 Ringwoodit mit 0,42 gew.%H2O messen. Erstmals konnte ein konsistenter Datensatz bis zu einem maximalen Druck von 22,08 GPa erstellt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass der Wassergehalt die Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Ringwoodit bei niedrigen Drücken senkt, allerdings nicht so stark wie in früheren Studien angenommen. Zusätzlich zeigt die Studie, dass dieser Effekt mit steigendem Druck weiter abnimmt und dass bei Drücken der unteren Übergangszone die Geschwindigkeiten ununterscheidbar werden. Aus den Fo89 Proben konnten zwei einfache Gleichungen abgeleitet werden, die die Wasser- und Druckabhängigkeit der Scher- und Transversalgeschwindigkeiten beschreiben. Der Vergleich zwischen der Fo100 Probe dieser Studie und Literaturdaten zeigt, dass diese Gleichungen auch für das Mg-Endglied anwendbar sind. Eine zusätzliche Brillouinspektroskopie Messung bei gleichzeitig Hochdruck- und Temperaturbedingungen von 500 K und 19,9 GPa ergab keinen Hinweis auf eine Veränderung der Wasserabhängigkeit bei dieser erhöhten Temperatur. Die Anwendung dieser Ergebnisse auf ein pyrolytisches Mantelmodell zeigte, dass die Variation der Ausbreitungsgeschwindigkeiten bei Drücken der Übergangszone sehr gering ist. Die Auflösung der seismischen Untersuchungen ist heute vermutlich nicht hoch genug, um den Wassergehalt der Übergangszone allein aus den Ausbreitungsgeschwindigkeiten aufzulösen. Für den Transport von Wasser in die tiefe Erde sind die Subduktionszonen von höchster Bedeutung. Es hat sich gezeigt, dass aluminiumhaltige Phasen im Vergleich zu ihren Magnesiumäquivalenten auch noch bei höheren Drücken stabil sind. Phase Egg hat eine Stöchiometrie von AlSiO3OH. Eine frühere Strukturverfeinerung bei Umgebungsbedingungen aus einer Pulverbeugungsstudie ergab eine monokline P2_1/n-Struktur. Das Bulkmodul und seine Druckableitung wurden ebenfalls aus einer Hochdruck-Pulverbeugungsstudie ermittelt. In dieser Arbeit wird die erste Röntgenbeugungsstudie an einem Phase Egg Einkristall beschrieben. In einem Synchrotronexperiment wurden Beugungsmuster bis zu einem maximalen Druck von 23 GPa gesammelt und Strukturverfeinerungen bei Raumbedingungen und acht Hochdruckpunkten durchgeführt. Die Kompressionsdaten zeigen ein ähnliches Kompressionsmodul bei Raumbedingungen, aber eine höhere Druckableitung, als in früheren Studien berichtet. Wir konnten bestätigen, dass die höchste Kompressibilität entlang der b-Achse vorliegt, obwohl diese Achse die kürzeste ist. Bisher wurde angenommen, dass der vorrangige Kompressionsmechanismus auf Sauerstoff-Sauerstoff-Bindungen zurückzuführen ist. Aus den hier vorgestellten Daten gehen wir davon aus, dass die Verzerrung im Siliziumoktaeder, die bereits bei Raumdruck beobachtet wurde, ein Hauptmechanismus der Kompression unter 15 GPa ist. Mit zunehmendem Druck nimmt die Si-O4 Bindungslänge ab, bis bei Drücken über 15 GPa eine regelmäßige sechsfach Koordinierung wiederhergestellt ist. Die Regularisierung der Siliziumkoordination geht einher mit einer Reduzierung des beta-Winkels, der bei 97,8° bei 15 GPa stagniert. Diese Stagnation stimmt mit Literaturdaten überein, wurde aber bisher nie diskutiert.

Abstract in weiterer Sprache

The hydration state and transport of water into the deep Earth is of interest in many disciplines of the geoscientific community. The hydration state changes the physical properties of many minerals like the electrical conductivity, the elastic properties or the melting and solidification conditions. To determine the distribution and transport mechanisms of water in the deep Earth, the effect of hydrogen on the elastic properties of nominally anhydrous minerals and the elasticity of hydrated phases at high-pressure and -temperature conditions are important factors. The elastic properties of a phase are correlated to the aggregate velocities which are evaluated by seismic techniques as tomographic imaging. Geophysical remote sensing techniques can map the physical properties of the deep Earth and numerical modelling tries to reproduce the processes within the Earth. To draw conclusions, concerning the hydration state of the investigated area, from these data, results from laboratory experiments and geophysical observations have to be evaluated together. Ringwoodite and Phase Egg are two high-pressure phases that are stable under conditions of the lower transition zone and for Phase Egg even the upper lower mantle. Ringwoodite is associated with a possible large water storage capacity and Phase Egg is a hydrated phase that could be relevant for water transport into the deep mantle. Diamond inclusions have shown that, at least in some regions, hydrous ringwoodite occurs in the deep Earth. As well as the chemical compositions associated with Phase Egg. In this thesis, two projects have been conducted to evaluate the elastic behaviour of these two phases. (Mg,Fe)2SiO4 ringwoodite is a nominally anhydrous mineral but experiments have shown that it can incorporate up to 2-3 wt%H2O as defects into its structure. For this reason, ringwoodite is considered to be a candidate for deep Earth water storage. At low pressure, a reduction of the aggregate velocities with increasing hydration state has been found by single-crystal Brillouin spectroscopy studies. This implied the idea that the hydration state of the lower transition zone could be determined from seismological observations. These attempts are often not consistent with one another and neither with studies using electro-magnetic sensing techniques. The comparison of different studies from the literature is hampered by different chemical compositions, chemical characterisation, different experimental setups and high-pressure and high-temperature conditions. We developed a technique to focused ion beam tailor the shape of single-crystal samples to semicircles to load a total of four chemically diverse ringwoodite samples in the pressure chamber of one diamond anvil cell. With this technique we were able to measure the full elastic tensor for three samples of Fo89 (Mg0.89,Fe0.11)2SiO4 composition with a water content ranging from 0.21 - 1.71 wt%H2O plus one sample of the Mg-endmember Fo100 ringwoodite with 0.42 wt%H2O. For the first time, a consistent dataset could be produced to a maximum pressure of 22.08 GPa. The results show that hydration lowers the aggregate velocities of ringwoodite at low pressures but not as much as assumed from earlier studies. Additionally, the study shows that this effect further reduces with increasing pressure and that at pressures of the lower transition zone the velocities become inseparable. From the Fo89 samples, two simple equations describing the hydration and pressure dependency of the shear and longitudinal aggregate velocities could be derived. Comparison between the Fo100 sample of this study and literature data showed that these equations are also applicable to the Mg-endmember. One Brillouin spectroscopy measurement at simultaneous high-pressure and -temperature conditions of 500 K and 19.9 GPa did not indicate a change in the hydration dependency at this elevated temperature. Applying these findings to a pyrolitic model showed that the hydration induced variation in the aggregate velocities at transition zone pressures is very small. The resolution of seismic studies today might not be high enough to resolve the hydration state of the transition zone from aggregate velocities alone. The subduction zones are of uppermost importance for the transport of hydrogen into the deep Earth. It has been shown that aluminium containing phases are stable to higher pressures compared to their magnesium equivalents. Phase Egg has a chemical stoichiometry of AlSiO3OH. Earlier a structure refinement at ambient conditions from a powder diffraction study revealed a monoclinic P2_1/n structure. The bulk modulus and its pressure derivative are also reported from a high-pressure powder diffraction study. In this thesis, the first single-crystal x-ray diffraction study on Phase Egg is presented. In a synchrotron single-crystal experiment diffraction patterns to a maximum pressure of 23 GPa were collected and structure refinements were performed at ambient conditions and eight high-pressure points. The compression data revealed a similar bulk modulus at ambient conditions but a higher pressure derivative as reported in earlier studies. We could confirm that the highest compression is along the b-lattice despite this lattice being the shortest. The main compression mechanism was so far assumed to be due to oxygen-oxygen bonds. From the here presented data we assume that the distortion in the silicon octahedron, which was already observed at room pressures, is an important compression mechanism below 15 GPa. The Si-O4 bond decreases with increasing pressure until a regular six-fold coordination is restored at pressures above 15 GPa. The regularization of the silicon coordination goes along with a reduction in the unique beta angle which stagnates at 97.8° at 15 GPa. This stagnation is in agreement with the literature but has never been discussed before.