Authors:	Sachau, Till
Title:	Computer simulations of microstructures related to the olivine spinel transition
Online publication date:	19-Aug-2008
Year of first publication:	2008
Language:	english
Abstract:	Tiefherd-Beben, die im oberen Erdmantel in einer Tiefe von ca. 400 km auftreten, werden gewöhnlich mit dem in gleicher Tiefe auftretenden druckabhängigen, polymorphen Phasenübergang von Olivine (α-Phase) zu Spinel (β-Phase) in Verbindung gebracht. Es ist jedoch nach wie vor unklar, wie der Phasenübergang mit dem mechanischen Versagen des Mantelmaterials zusammenhängt. Zur Zeit werden im Wesentlichen zwei Modelle diskutiert, die entweder Mikrostrukturen, die durch den Phasenübergang 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 Numerische Simulationen beschränkt. Das zentrale Thema dieser Dissertation war es, ein funktionierendes Computermodell zur Simulation der Mikrostrukturen zu entwickeln, die durch den Phasenübergang entstehen. Des Weiteren wurde das Computer Modell angewandt um die mikrostrukturelle Entwicklung von Spinelkörnern 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 Computer 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 Federnetzwerk 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 Reaktion, 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 Entwicklung 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 untersucht. Der entsprechende Mechanismus konnte dabei nicht bestätigt werden. Stattdessen können Oberflächenstrukturen, die Ähnlichkeiten zu Anticracks aufweisen, durch Unreinheiten des Materials erklärt werden (Kap. 4). Eine Reihe von Simulationen wurde der Herleitung der wichtigsten Kontrollparameter der Reaktion in monomineralischem Olivin gewidmet (Kap. 5 and Kap. 6). Als wichtigste Einflüsse auf die Kornform von Spinel stellten sich dabei die Hauptnormalspannungen auf dem System sowie Heterogenitäten im Wirtsminerals und die Viskosität heraus. Im weiteren Verlauf wurden die Nukleierung und das Wachstum von Spinel in polymineralischen Mineralparagenesen untersucht (Kap. 7). Die Reaktionsgeschwindigkeit der Olivine→Spinel Umwandlung und die Entwicklung von Spinelnetzwerken und Clustern wird durch die Gegenwart nicht-reaktiver Minerale wie Granat oder Pyroxen erheblich beschleunigt. Die Bildung von Spinelnetzwerken hat das Potential, die mechanischen Eigenschaften von Mantelgestein erheblich zu beeinflussen, sei es durch die Bildung potentieller Scherzonen oder durch Gerüstbildung. Dieser Lokalisierungprozess des Spinelwachstums in Mantelgesteinen kann daher ein neues Erklärungsmuster für Tiefbeben darstellen. The polymorphic, high pressure induced transition of olivine (α-phase) to spinel (β-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 how exactly the phase transition is related to the brittle failure of mantle material. Two important models have been lately proposed, which relate either the microstructural evolution of the olivine/spinel interface or the change of the rheology of mantle material 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 evolution 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 agreement 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. The so-called ’anticrack theory of faulting’ was reviewed, which suggests a runaway of 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 inherent disorder on elastic parameters of the host phase and the development of related surface structures (Chap. 4). Several simulations are dedicated to the derivation of the control parameters of spinel 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 assemblages 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. The formation of throughgoing spinel networks has the potential to significantly alter 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.
DDC:	550 Geowissenschaften 550 Earth sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2186
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-17064
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen