Computer simulations of microstructures related to the olivine→spinel transition [Elektronische Ressource] / Till Sachau

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• Publié par: johannes_gutenberg-universitat_mainz
• Publié le: 01 janvier 2008
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• Langue: Deutsch
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Extrait

Computer simulations of microstructures related
to the olivine!spinel transition
Dissertation zur Erlangung des Grades
„Doktor der Naturwissenschaften “
am Fachbereich Geowissenschaften
der Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Till Sachau
geboren in Bernkastel-Kues
Mainz, 24. Mai 2008Erklärung
Hiermit versichere ich, die vorliegende Arbeit selbstständig und nur unter Verwendung
der angegebenen Quellen und Hilfsmittel verfasst zu haben.
Mainz, 24. Mai 2008Zusammenfassung
Tiefherd-Beben, die im oberen Erdmantel in einer Tiefe von ca. 400 km auftreten,
werden gewöhnlich mit dem in gleicher Tiefe auftretenden druckabhängigen, polymor-
phen Phasenübergang von Olivine (-Phase) zu Spinel (-Phase) in Verbindung ge-
bracht. Es ist jedoch nach wie vor unklar, wie der Phasenübergang mit dem mecha-
nischen Versagen des Mantelmaterials zusammenhängt. Zur Zeit werden im Wesent-
lichen zwei Modelle diskutiert, die entweder Mikrostrukturen, die durch den Phasen-
übergang entstehen, oder aber die rheologischen Veränderungen des Mantelgesteins
durch den Phasenübergang dafür verantwortlich machen. Dabei sind Untersuchungen
der Olivin!Spinel Umwandlung durch die Unzugänglichkeit des natürlichen Materials
vollständig auf theoretische Überlegungen sowie Hochdruck-Experimente und Numeri-
sche Simulationen beschränkt.
Das zentrale Thema dieser Dissertation war es, ein funktionierendes Computermo-
dell zur Simulation der Mikrostrukturen zu entwickeln, die durch den Phasenübergang
entstehen. Des Weiteren wurde das Computer Modell angewandt um die mikrostruk-
turelle Entwicklung von Spinel Körnern und die Kontrollparameter zu untersuchen.
Die Arbeit ist daher in zwei Teile unterteilt: Der erste Teil (Kap. 2 und 3) behandelt
die physikalischen Gesetzmäßigkeiten und die prinzipielle Funktionsweise des Compu-
ter Modells, das auf der Kombination von Gleichungen zur Errechnung der kinetischen
Reaktionsgeschwindigkeit mit Gesetzen der Nichtgleichgewichtsthermodynamik unter
nicht-hydostatischen Bedingungen beruht. Das Computermodell erweitert ein Feder-
netzwerk der Software latte aus dem Programmpaket elle.
Der wichtigste Parameter ist dabei die Normalspannung auf der Kornoberfläche von
Spinel. Darüber hinaus berücksichtigt das Programm die Latenzwärme der Reakti-
on, die Oberflächenenergie und die geringe Viskosität von Mantelmaterial als weitere
wesentliche Parameter in der Berechnung der Reaktionskinetic.
Das Wachstumsverhalten und die fraktale Dimension von errechneten Spinelkörnern
ist dabei in guter Übereinstimmung mit Spinelstrukturen aus Hochdruckexperimenten.
Im zweiten Teil der Arbeit wird das Computermodell angewandt, um die Entwick-
lung der Oberflächenstruktur von Spinelkörnern unter verschiedenen Bedigungen zu
eruieren.Die sogenannte ’anticrack theory of faulting’, die den katastrophalen Verlauf der
Olivine!Spinel Umwandlung in olivinhaltigem Material unter differentieller Spannung
durch Spannungskonzentrationen erklärt, wurde anhand des Computermodells unter-
sucht. Der entsprechende Mechanismus konnte dabei nicht bestätigt werden. Stattdes-
sen können Oberflächenstrukturen, die Ähnlichkeiten zu Anticracks aufweisen, durch
Unreinheiten des Materials erklärt werden (Kap. 4).
Eine Reihe von Simulationen wurde der Herleitung der wichtigsten Kontrollpara-
meter der Reaktion in monomineralischem Olivin gewidmet (Kap. 5 and Kap. 6).
Als wichtigste Einflüsse auf die Kornform von Spinel stellten sich dabei die Haupt-
normalspannungen auf dem System sowie Heterogenitäten im Wirtsminerals und die
Viskosität heraus.
Im weiteren Verlauf wurden die Nukleierung und das Wachstum von Spinel in poly-
mineralischen Mineralparagenesen untersucht (Kap. 7). Die Reaktionsgeschwindigkeit
der Olivine!Spinel Umwandlung und die Entwicklung von Spinelnetzwerken und Clu-
stern wird durch die Gegenwart nicht-reaktiver Minerale wie Granat oder Pyroxen
erheblich beschleunigt.
DieBildungvonSpinelnetzwerkenhatdasPotential,diemechanischenEigenschaften
vonMantelgesteinerheblichzubeeinflussen,seiesdurchdieBildungpotentiellerScher-
zonen oder durch Gerüstbildung. Dieser Lokalisierungprozess des Spinelwachstums in
Mantelgesteinen kann daher ein neues Erklärungsmuster für Tiefbeben darstellen.Abstract
The polymorphic, high pressure induced transition of olivine (-phase) to spinel (-
phase) is an important candidate mechanism to explain the occurence of deep seated
earthquakes at about 400 km depth in the upper mantle. It is yet still under debate
howexactlythephasetransitionisrelatedtothebrittlefailureofmantlematerial. Two
important models have been lately proposed, which relate either the microstructural
evolutionoftheolivine/spinelinterfaceorthechangeoftherheologyofmantlematerial
induced by the transition to the mechanical failure. The examination of the role of the
olivine!spinel transiton is completely dependent on theoretical kinetic considerations,
high pressure experiments and numerical simulations.
It was a central aim of this thesis to develop a working computer model which can be
applied in the simulation of microstructures formed by the olivine!spinel transition.
An additional aim was the examination of the microstructural development of spinel
grains and the controlling parameters of the transition.
The thesis is thus split into two major parts: In the first part (Chap. 2 and 3) the
basic principles of the computer model for the simulation of the microstructural evo-
lution of polymorphic solid-solid phase transitions is outlined, based on a combination
of kinetic rate laws and non-hydrostatic, non-equilibrium thermodynamics. The model
utilizes and extends an elastic normal spring network provided by the software latte,
which is part of the software package elle.
The main driving force considered in the model is the stress on the olivine/spinel
interface. In addition, the developed code considers other important parameters for
grain growth under mantle conditions. These parameters are the latent heat release of
the reaction, the surface energy on the olivine/spinel interface and the low viscosity of
mantle material into the calculation.
The structural features of spinel grains resulting from the model are in good agree-
ment with spinel structures observed in high pressure experiments. This applies to
microstructures as well as the fractal dimension of the spinel phase.
In the second part the computer model is used to examine the structural evolution
of spinel grains in olivine under varying conditions.Theso-called’anticracktheoryoffaulting’wasreviewed, whichsuggestsarunawayof
the olivine!spinel transition in olivine-bearing materials under differential stress due
to stress concentrations. The suggested mechanism can not be verified by the computer
simulations. Instead, structures resembling so-called anticracks are explained by the
inherentdisorderonelasticparametersofthehostphaseandthedevelopmentofrelated
surface structures (Chap. 4).
Severalsimulationsarededicatedtothederivationofthecontrolparametersofspinel
growth in monomineralic olivine (Chap. 5 and Chap. 6). The main influence on the
structure of spinel grains can be attributed to the principal normal stress which is
applied to the system, the heterogeneity of the host phase and the viscosity of the
host.
Further, nucleation and growth of spinel in polymineralic, olivine-bearing assem-
blages were examined (Chap. 7). The reaction rate of the olivine!spinel transition
and the formation of spinel clusters and throughgoing spinel networks is considerably
accelerated by the stress fields generated by the presence of non-reactive phases such
as garnet or pyroxene in the assemblage.
Theformationofthroughgoingspinelnetworkshasthepotentialtosignificantlyalter
the mechanical properties of mantle rocks, either by formation of potential shear zones
or the formation of a real spinel framework. Since the so-called anticrack mechanism
must be excluded as a possible reason for the mechanical failure related to deep seated
earth quakes, this could turn out as a new candidate mechanism.