Single-crystal elastic properties of geomaterials

Abstract

The major part of this experimental work is dedicated to the pressure-, temperature-, and compositional-dependence of the elasticity of single-crystal (Mg,Fe)O ferropericlase, the second most abundant mineral of Earth’s lower mantle. The elastic tensor of (Mg0.9Fe0.1)O was determined up to a pressure of 81 GPa by using Brillouin spectroscopy and synchrotron based x-ray diffraction. Based on the experimental data, I report the effect of the pressure-induced spin transition of iron on the elastic properties of ferropericlase and discuss the implications for the interpretation of both one-dimensional and three-dimensional seismic models. The spin-transition lowers compressional wave velocities, but does not affect shear velocities. This leads to significant perturbations of the velocity ratios and their dependence on pressure, temperature, and iron content with important implications for the interpretation of seismological observables. I also discuss the significance of (Mg,Fe)O for the interpretation of seismic anisotropy observations in the lowermost mantle. Here, the main conclusion is that (Mg,Fe)O likely dominates seismic anisotropy in the lower mantle, even though it composes only ~20 Vol.% of this region. This implies that seismic anisotropy could also be present above the D’’ discontinuity, where seismologists depict it, in regions where deformation is dominated by dislocation creep at very high strain levels. Furthermore, the effect of chemical substitution on the elastic tensor of both synthetic and natural garnet solid solution series are discussed. Silicate garnets are major components in Earth’s crust and upper mantle, especially in the transition zone. Moreover, members of the garnet group are important compounds in materials science, because they are well suited for a variety of technological applications, such as solid state lasers. The data, which were derived both experimentally with Brillouin spectroscopy and by computational methods, show that the substitution of yttrium by the smaller and heavier ytterbium in the garnet solid solution series Y3Al5O12-Yb3Al5O12 makes the material stiffer (the bulk modulus increases), but does not affect its elastic shear properties. These results can help to better understand elasticity-composition systematics in isostructural natural garnet solid-solution series and, furthermore, to elucidate the potentials and limitations of computational approaches. I also discuss the elastic properties of natural garnets and relates them to the systematics observed for the synthetic solid solution series. The main outcome is that cation substitution in the studied natural garnet solid solution series produces effects that are comparable to the observations for the synthetic one, where the incompressibility varies, but the shear properties remain unchanged.

Der größte Teil dieser experimentellen Arbeit beschäftigt sich mit der Druck-, Temperatur- und Zusammensetzungsabhängigkeit der elastischen Eigenschaften von einkristallinem (Mg,Fe)O Ferroperiklas, dem zweithäufigsten Mineral des unteren Erdmantels. Der elastische Tensor von (Mg0.9Fe0.1)O wurde bis zu einem Druck von 81 GPa mittels Brillouin Spektroskopie und Synchrotron Rötgenbeugung bestimmt. Basierend auf den experimetnllen Daten, diskutiere ich den Effekt des druck-induzierten Spin-Übergangs des Eisens auf die elastischen Eigenschaften von Ferroperiklas und die Bedeutung für die Interpretation von sowohl eindimensionalen als auch dreidimensionalen seismologischen Modellen. Der Spin-Übergang führt zu einer starken Verringerung der Geschwindigkeiten der Kompressionswellen, hat aber keinen sichtbaren Einfluss auf die Scherwellen. Das führt zu einer ausgeprägten Veränderung der Geschwindigkeitsverhältnisse und deren Abhängigkeit von Druck, Temperatur und Eisengehalt und ist von großer Bedeutung für die Interpretation von seismischen Beobachtungen. Ich diskutiere auch die Bedeutung von (Mg,Fe)O für die Interpretation von seismischen Anisotropie-Beobachtungen im tiefen unteren Mantel. Das wichtigste Resultat ist, dass (Mg,Fe)O Ferroperiklas wahrscheinlich die elastische Anisotropie im unteren Mantel dominiert, obwohl es nur etwa 20 Vol. % dieser Region ausmacht. Diese Daten implizieren, dass seismische Anisotropie auch oberhalb der D’’ Diskontinuität, wo Seismologen sie beobachten, vorhanden sein könnte - in Regionen, in denen die Deformation durch Dislokationskriechen bei sehr hohen Verformungsraten gekennzeichnet ist. Außerdem beschäftigt sich die Arbeit mit dem Einfluss von chemischer Substitution auf den elastischen Tensor von synthetischen und natürlichen Granatmischreihen. Silikatgranate sind Hauptbestandteile in der Erdkruste und dem oberen Erdmantel, vor allem in der Übergangszone. Außerdem sind Kristalle der Granatgruppe wichtige Verbindungen in die Materialwissenschaften, da sie für eine Reihe von technischen Anwendungen geeignet sind, beispielsweise als Festkörperlaser. Die Daten, welche ich sowohl experimentell mittels Brillouin Streuung als auch mit Computersimulationen bestimmt habe, zeigen, dass die Substitution von Yttrium mit dem kleineren und schwereren Ytterbium das Material steifer macht (die Inkompressibilität nimmt zu), aber keinen Effekt auf die Schereigenschaften hat. Diese Erkenntnisse können zu einem besseren Verständnis von Elastizitäts-Zusammensetzungs-Systematiken in natürlichen Granaten und den Potentialen und Grenzen von Computersimulationen beitragen. Ich diskutiere außerdem die elastischen Eigenschaften von natürlichen Granaten und vergleiche sie mit der Systematik, die für die synthetischen Mischkristallreihen beobachtet wurde. Das Hauptergebnis ist, dass die untersuchten natürlichen Granate analog auf die Substitution von Kationen reagieren – die Inkompressibilität ändert sich, aber die Schereigenschaften bleiben unverändert.