The role of grain boundaries for the deformation and grain growth of olivine at upper mantle conditions

Titelangaben

Ferreira, Filippe:
The role of grain boundaries for the deformation and grain growth of olivine at upper mantle conditions.
Bayreuth , 2021 . - XVII, 240 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005805

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Abstract

Crystal defects such as vacancies, dislocations and grain boundaries are central in controlling the rheology of the Earth’s upper mantle. Their presence influences element diffusion, plastic deformation and grain growth, which are the main microphysical processes controlling mass transfer in the Earth’s lithosphere and asthenosphere. Although substantial information exists on these processes, there is a general lack of data on how these defects interact at conditions found in the Earth’s interior. A better understanding of processes occurring at the grain scale is necessary for increased confidence in extrapolating from laboratory length and time scales to those of the Earth. This would improve our knowledge of large-scale geodynamic processes and interpretations of geophysical observations such as electrical conductivity and seismic anisotropy.
In this work, I examined the evolution of olivine grain boundaries during experimental deformation and their impact on deformation in the dislocation-accommodated grain-boundary sliding (disGBS) regime. Previous studies suggest that disGBS may be the main deformation mechanism for olivine in most of Earth’s upper mantle. I used electron backscattered diffraction and transmission electron microscopy data to investigate the micromechanics involved in disGBS, with a focus on the interactions between dislocations and grain boundaries. These interactions are to date only poorly understood and not yet quantitatively investigated in olivine. The results presented here suggest that grain boundaries play a major role in moderating deformation in the disGBS regime. I present observational evidence that the rate of deformation is controlled by assimilation of dislocations into grain boundaries. I also demonstrate that the ability for dislocations to transmit across olivine grain boundaries evolves with increasing deformation. Finally, I show that dynamic recrystallization of olivine creates specific grain boundaries, which are modified as deformation progresses.
The effective contribution of grain-boundary processes on the rheology of the upper mantle is correlated to the amount of grain boundaries in upper mantle rocks, that is, their grain-size distribution and evolution. The grain-size distribution in the Earth’s mantle is controlled by the balance between damage (recrystallization under a stress field) and healing (grain growth) processes. However, grain growth, one of the main processes controlling grain size, is still poorly constrained for olivine at conditions of the upper mantle. Experimental data on grain growth kinetics of olivine is to date restricted to pressures of up to 1.2 GPa. To evaluate the effects of pressure on grain growth of olivine, I performed grain growth experiments at pressures ranging from 1 to 12 GPa using piston-cylinder and multi-anvil apparatuses. I found that the olivine grain-growth rate is reduced as pressure increases. The results presented here suggest that grain-boundary diffusion is the main process of grain growth at high pressure. Based on the experimental results, I present an equation which includes the effect of an activation volume on the grain growth of olivine. The results indicate that at deep upper mantle conditions (depths of 200 to 410 km), the effect of pressure on inhibiting grain growth counteracts the effect of increasing temperature. I present estimations of viscosity as a function of depth considering the grain-size evolution predicted here. They indicate that the viscosity is approximately constant at the deep upper mantle conditions.

Abstract in weiterer Sprache

Kristalldefekte wie Leerstellen, Versetzungen und Korngrenzen beeinflussen die rheologischen Eigenschaften des oberen Erdmantels entscheidend. Sie bestimmen die Diffusion von Elementen in Mineralen, deren plastische Verformung und deren Kornwachstum, welche die wichtigsten mikrophysikalischen Prozesse des Massentransfers in der Lithosphäre und Asthenosphäre der Erde darstellen. Obwohl es umfangreiche Informationen zu diesen Prozessen gibt, sind die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Kristalldefekten bei Bedingungen des Erdinneren weitgehend unbekannt. Ein besseres Verständnis der auf Korn-Maßstab ablaufenden Prozesse ist erforderlich, um die im Labor untersuchten Parameter und Prozesse mit größerer Sicherheit auf die Erde zu extrapolieren. So verbessert sich auch das Verständnis geodynamischer Prozesse auf großem Maßstab sowie die Interpretation geophysikalischer Beobachtungen, wie zum Beispiel elektrische Leitfähigkeit und seismische Anisotropie.
In dieser Arbeit habe ich die Entwicklung der Olivinkorngrenzen während der experimentellen Deformation und ihre Rolle bei der Deformation im disGBS-Regime (dislocation-accommodated grain-boundary sliding, versetzungsbedingtes Korngrenzgleiten) untersucht. Frühere Studien legen nahe, dass disGBS der Hauptverformungsmechanismus für Olivin im überwiegenden Teil des oberen Erdmantels sein könnte. Um die Mikromechanik von disGBS zu untersuchen, habe ich Elektronenrückstreubeugung und Transmissionselektronenmikroskopie verwendet. Der Schwerpunkt lag dabei auf den Wechselwirkungen zwischen Versetzungen und Korngrenzen. Diese Wechselwirkungen sind bisher nur wenig verstanden und in Olivin noch nicht quantitativ untersucht worden. Die hier vorgestellten Ergebnisse deuten darauf hin, dass Korngrenzen eine wichtige Rolle bei der Deformation im disGBS-Regime spielen. Ich präsentiere den ersten Beobachtungsnachweis, dass die Verformungsrate durch Assimilation von Versetzungen in Korngrenzen gesteuert wird. Ich präsentiere auch zum ersten Mal, dass sich die Fähigkeit von Versetzungen sich über Olivinkorngrenzen hinweg fortzusetzen mit zunehmender Verformung weiterentwickelt. Schließlich zeige ich, dass die dynamische Rekristallisation von Olivin spezifische Korngrenzen erzeugt, die sich mit fortschreitender Deformation verändern.
Der effektive Beitrag der Korngrenzen zur Rheologie des oberen Mantels korreliert mit ihrem Anteil in den Gesteinen des oberen Mantels. Dieser Anteil wird durch die Korngrößenverteilung bestimmt. Die Korngrößenverteilung im Erdmantel wird durch das Gleichgewicht zwischen Verkleinerungsprozessen (Rekristallisation in einem Spannungsfeld) und Ausheilungsprozessen (Kornwachstum) gesteuert. Das Kornwachstum ist jedoch für Olivin unter Bedingungen des oberen Mantels immer noch wenig erforscht. Experimentelle Daten zur Kinetik von Olivin-Kornwachstum sind bisher auf Drücke von bis zu 1.2 GPa beschränkt. Um die Auswirkungen des Drucks auf das Kornwachstum von Olivin zu bewerten, habe ich Experimente bei Drücken im Bereich von 1 bis 12 GPa unter Verwendung von Stempel-Zylinder-Pressen und Vielstempel-Pressen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wachstumsrate von Olivinkristallen mit zunehmendem Druck abnimmt. Außerdem weisen die Ergebnisse darauf hin, dass die Korngrenzendiffusion der Hauptprozess für Kornwachstum bei hohem Druck ist. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen präsentiere ich eine Gleichung, die die Auswirkung eines Aktivierungsvolumens auf das Kornwachstum von Olivin berücksichtigt. Die Ergebnisse zeigen, dass unter Bedingungen des tiefen oberen Mantels (Tiefen von 200 bis 400 km) die Auswirkung des Drucks auf die Hemmung des Kornwachstums der Auswirkung einer Temperaturerhöhung mit zunehmender Tiefe entgegenwirkt. In dieser Arbeit zeige ich Abschätzungen der Viskosität als Funktion der Tiefe unter Berücksichtigung der hier vorhergesagten Korngrößenentwicklung. Die Abschätzungen zeigen an, dass die Viskosität unter den Bedingungen des tiefen oberen Mantels ungefähr konstant ist.