A Combined Study on Earth's Deep Water Cycle using Numerical Modelling and Laboratory Experiments

Titelangaben

Marzotto, Enrico:
A Combined Study on Earth's Deep Water Cycle using Numerical Modelling and Laboratory Experiments.
Bayreuth , 2022 . - XXVI, 322 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005963

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Abstract

A Combined Study on Earth's Deep Water Cycle using Numerical Modelling and Laboratory Experiments. The distinctive feature of Earth’s surface compared to other known planets is the abundance of liquid water. This water was delivered during the accretion stage of the planet by rocky asteroids, with minor contributions from comets and protosolar nebular gas. Experimental evidence shows that water can be incorporated into many of the minerals that make up Earth’s interior. When water is hosted in the crystalline structures, it alters the physical properties of minerals, thereby enhancing deformation processes. Therefore, water-bearing rocks are less dense and weaker compared to their dry counterparts. Geophysical observations and natural samples reveal that water is indeed present in Earth’s mantle, mostly concentrated in the mantle transition zone. The region is bounded by two seismic discontinuities, at 410 km and 660 km depth, and is characterized by the presence of two minerals with high water solubility: wadsleyite and ringwoodite. Water is carried into Earth’s interior by the subduction of oceanic lithosphere, i.e. slabs. This water-delivery mechanism is also known as the ‘deep water cycle,’ and might represent the key element for the onset of plate tectonics on Earth.
One essential tool to explore the role of water in plate tectonics is numerical modelling. With this technique, it is possible to reproduce many physical phenomena occurring on Earth by self-consistently simulating mantle convection. This is achieved by solving the governing equations of mass, momentum and energy conservation, also known as Stokes equations. The complexity of these equations requires the use of approximation methods, like Finite Difference (FD), to solve the derivatives over time and space. The feedback loop between mineral physics constraints, numerical modelling and geophysical observations represents the best strategy to unravel Earth’s interior. However, despite the efforts of geoscientists, many questions regarding the deep Earth water cycle remain so far unanswered.
This thesis focuses on the hydration state of the MTZ, with three aims addressing different aspects of the topic: (1) provide mineral physics measurements on the effect of water on ringwoodite thermal conductivity; (2) produce a model featuring an Earth-like mobile lid while minimizing the effects of numerical parameters; and (3) analyse the parameters that allow for the stagnation of a slab in the MTZ, which may lead to the water enrichment in this region
In project (1), hydrous ringwoodite crystals were synthesized with multi-anvil experiments and characterized by X-ray diffraction, electron-microprobe analysis, and infrared spectroscopy. The samples were loaded into a diamond anvil cell to perform measurements at the high-pressure conditions of the MTZ. The thermal conductivity of ringwoodite, Λ(Rw) was measured with the time-domain thermo-reflectance method. It was found that the presence of 1.73 wt% water reduces Λ(Rw) by 40%. From this analysis, it was possible to derive a parameterized equation to extrapolate Λ(Rw) as a function of pressure and water content. With this tool, the large-scale thermal evolution of a slab was studied. The calculations were performed by assuming a slab stagnating in the MTZ, then being progressively heated by the warm ambient mantle. A 1D FD numerical code was designed to solve the heat diffusion equation, and the derived equation for Λ(Rw) was included into the physical model of the slab. The results reveal that hydrous ringwoodite hinders the heating of the slab, thus promoting the survival of water-bearing minerals.
In project (2), a global-scale model to reproduce self-consistently plate-like behaviour was designed. The models were computed with StagYY in a 2D spherical annulus geometry. The tectonic regime of a planet is controlled by the yield strength of the lithosphere τy. Four main tectonic regimes can be identified in nature: micro-plate dripping, plate-like, episodic resurfacing, and stagnant lid. It was found that the tectonic regime in the models is heavily influenced by the grid resolution used for the discretization. The modelled lithosphere is weakened by reducing the horizontal grid spacing ∆w, while it becomes stronger when reducing the vertical grid spacing ∆r. These effects are numerical in nature, and are the consequence of the interpolation of the Stokes equations. It was found that the best results are achieved by accurately resolving the lithosphere, i.e. ∆w ≤40 km and ∆r ≤15 km.
In project (3), the interactions between the cold descending slab and the 660 km discontinuity were analysed. The models were computed with StagYY in a 2D spherical annulus geometry. From the models it can be inferred that the stagnation of a slab in the MTZ is controlled by three parameters: (i) the density jump ∆ρ, which enhances the slab pull, and affects the latent heat absorbed by the post-spinel reaction; (ii) the negative Clapeyron slope Υ, which causes a downward deflection of the phase transition; and (iii) the viscosity jump ∆η, which decelerates the descent of the slab.

Abstract in weiterer Sprache

Eine kombinierte Studie über den tiefen Wasserkreislauf der Erde mittels numerischer Modellierung und Laborexperimenten. Die Besonderheit der Erdoberfläche gegenüber anderen Planeten ist der Reichtum an flüssigem Wasser an der Oberfläche. Dieses Wasser wurde während der Akkretionsphase des Planeten von felsigen Asteroiden sowie einem geringen Beitrag von Kometen und protosolarem Nebelgas eingetragen. Experimentelle Beweise zeigen, dass Wasser in viele der das Erdinnere bildenden Mineralien eingebunden werden kann und dass, wenn Wasser in den kristallinen Strukturen enthalten ist, es die physikalischen Eigenschaften von Mineralien verändert und so Deformationsprozesse fördert. Daher sind wasserführende Gesteine im Vergleich zu ihren trockenen Gegenstücken weniger dicht und schwächer. Geophysikalische Beobachtungen und natürliche Proben zeigen, dass Wasser tatsächlich im Erdmantel, hauptsächlich in der Mantelübergangszone (MTZ) konzentriert, vorhanden ist. Diese Region wird von zwei seismischen Diskontinuitäten in 410 und 660 km Tiefe begrenzt und ist durch das Vorkommen von zwei Mineralien mit hoher Wasserlöslichkeit gekennzeichnet: Wadsleyit und Ringwoodit. Durch die Subduktion der ozeanischen Lithosphäre (ozeanischer Platten), wird Wasser ins Erdinnere transportiert. Dieser Wasserabgabemechanismus ist auch als „Tiefer Wasserkreislauf“ bekannt und könnte das Schlüsselelement für den Beginn der Plattentektonik auf der Erde darstellen.
Ein wesentliches Werkzeug zur Erforschung der Rolle von Wasser für der Plattentektonik ist die numerische Modellierung. Mit dieser Technik ist es möglich, viele physikalische Phänomene, die auf der Erde auftreten, durch die selbstkonsistente Simulation der Mantelkonvektion zu reproduzieren. Dies wird durch die Lösung der maßgebenden Gleichungen der Massen-, Impuls- und Energieerhaltung, auch bekannt als Stokes-Gleichungen, erreicht. Die Komplexität dieser Gleichungen erfordert die Verwendung von Näherungsverfahren wie der Finite Differenzen (FD), um die Ableitungen über Zeit und Raum zu lösen. Die Rückkopplungsschleife zwischen mineralphysikalischen Einschränkungen, numerischer Modellierung und geophysikalischen Beobachtungen stellt die beste Strategie dar, um das Erdinnere zu enträtseln. Dennoch bleiben trotz anhaltender Bemühungen der Geowissenschaft viele Fragen zum tiefen Wasserkreislauf der Erde unbeantwortet.
Diese Arbeit konzentriert sich auf den Hydratationszustand der MTZ. Ihr Ziel ist die Behandlung dreier verschiedener Aspekte des Themas, nämlich: (1) Mineralphysikalische Messungen zur Ermittlung des Einflusses von Wasser auf die Wärmeleitfähigkeit von Ringwoodit; (2) Erstellung eines Modells mit erdähnlichen beweglichen Platten unter Minimierung der Auswirkungen numerischer Parameter; und (3) Analyse der Parameter, die eine Stagnation der abtauchenden Platte in der MTZ, welche zur Wasseranreicherung in dieser Region führen kann, ermöglichen.
In Projekt (1) wurden wasserhaltige Ringwoodit-Kristalle mit Multi-Amboss-Experimenten synthetisiert und durch Röntgenbeugung, Elektronenmikrosondenanalyse und Infrarotspektroskopie charakterisiert. Die Proben wurden in eine Diamantambosszelle geladen, um Messungen unter den Hochdruckbedingungen der MTZ durchzuführen. Die Wärmeleitfähigkeit von Ringwoodit, Λ(Rw), wurde mit der Zeitbereichs-Thermoreflexionsmethode gemessen. Es wurde festgestellt, dass die Anwesenheit von 1.73 wt% Wasser Λ(Rw) um 40% reduziert. Aus dieser Analyse konnte eine parametrisierte Gleichung abgeleitet werden, um Λ(Rw) als Funktion von Druck und Wassergehalt zu extrapolieren. Mit diesem Werkzeug wurde die großräumige thermische Entwicklung einer Platte untersucht. Die Berechnungen wurden unter der Annahme einer in der MTZ stagnierenden Platte durchgeführt, die durch den warmen Umgebungsmantel zunehmend erwärmt wird. Ein numerischer 1D-FD-Code wurde entwickelt, um die Wärmediffusionsgleichung zu lösen. Die abgeleitete Gleichung für Λ(Rw) wurde in das physikalische Modell der Platte aufgenommen. Die Ergebnisse zeigen, dass wasserhaltiges Ringwoodit die Erwärmung der Platte behindert und so die Erhaltung wasserführender Mineralien fördert.
Im Projekt (2) wurde ein globales Modell zur Reproduktion von selbstkonsistentem plattenähnlichem Verhalten entworfen. Die Modelle wurden mit StagYY in einer 2D-Kugelringgeometrie berechnet. Das tektonische Regime eines Planeten wird durch die Bruchfestigkeit der Lithosphäre τy bestimmt. In der Natur können vier tektonische Regime identifiziert werden: Mikroplattentropfen, plattenartige und episodische Oberflächenerneuerung und Einzelplatte. Es zeigte sich, dass das tektonische Regime in den Modellen stark von der für die Diskretisierung verwendeten Gitterauflösung beeinflusst wird. Die modellierte Lithosphäre wird durch die Verringerung des horizontalen Gitterabstands ∆w geschwächt, während sie durch die Verringerung des vertikalen Gitterabstands ∆r stärker wird. Diese Effekte sind rein numerisch und resultieren aus der Interpolation der Stokes-Gleichungen. Es zeigte sich, dass die besten Ergebnisse durch eine genaue Auflösung der Lithosphäre erzielt werden, i.e. ∆w ≤40 km und ∆r ≤15 km.
Im Projekt (3) wurden die Wechselwirkungen zwischen kalter, absinkender Platte und der 660 km Diskontinuität analysiert. Die Modelle wurden mit StagYY in einer 2D-Kugelringgeometrie berechnet. Aus den Modellen kann abgeleitet werden, dass die Stagnation der Platte in der MTZ durch drei Parameter gesteuert wird: (i) den Dichtesprung ∆ρ, der den Plattenzug verstärkt und die latente Wärme beeinflusst, die durch die Post-Spinell-Reaktion absorbiert wird; (ii) die negative Clapeyron-Steigung Υ, die eine Ablenkung des Phasenübergangs nach unten bewirkt; (iii) den Viskositätssprung ∆η, der das Absinken der Platte verlangsamt.