Modeling of mineral-melt interfaces: an atomic scale view on partially molten rocks

Abstract

Partial melting is an important geological process in the deep Earth that affects physical, chemical and rheological properties of rocks. The effect of partial melting on mantle dynamics depends on both the amount of melt and how it is distributed within the crystalline matrix. A few percent of melt have potentially large effect on the physical properties of rocks. In this work, atomic scale simulations are used to study the structure and transport properties of ultrathin melt films between olivine grains, which is a simple model system of partially molten peridotite. The model system consists of 0.8 to 7.0 nm thick layers of magnesium silicate melt with a composition close to MgSiO3 (enstatite) confined between Mg2SiO4 forsterite crystals. We examine how the atomic structure, the chemistry and the self-diffusion coefficients vary across the interface and investigate their dependence on the thickness of the melt layer and the crystal orientation. The particle interactions are represented by an advanced ionic model. From the particle trajectories, we derive various properties, like charge densities, cation coordinations, chemical compositions, and self-diffusion coefficients. Interfacial layers of up to 2~nm thickness show distinctly different physical behavior than the bulk melt and the bulk mineral. The simulation results indicate that for crystal orientations with higher surface energy, the self-diffusion coefficients of all ionic species in the melt decrease at constant melt layer thickness. By increasing the melt layer thickness between the crystals, the average mobility of ions in the melt is increased. On the interfacial part the charge mobility of all species decreases due to solid-like ordering between atoms. For modeling the petrophysical behavior of partially molten rocks, the effective diameter for the conducting channels is reduced by up to two nanometers, which effects the rheological and transport properties of partially molten rocks, especially in the presence of ultra-thin melt films in well-wetted systems. In the latter case, the electrical conductivity of the confined melt in a partially molten rock could be reduced up to a factor of two due to interfacial effects. A slight difference is observed in the interfacial properties due to change in chemical composition, pressure and temperature conditions. When calcium is added to the system, the self-diffusion coefficients of all species slightly change. At different pressure and temperature, a huge difference is observed in the self-diffusion coefficients. Freezing of the system and confinement effect is clearly observed at 2000 K with pressure of 10 GPa, and at 2400 K with 10 GPa pressure. Non-equilibrium molecular dynamics simulations with constant shear rate are performed on this system showing complex rheological behavior in the vicinity of interfaces. A dependence of the viscosity on shear rate is observed which constitutes non- Newtonian behavior of the melt at the high shear rates accessible to molecular dynamics. The viscosity calculated from non-equilibrium molecular dynamics simulations is found to be somewhat higher then the viscosity calculated from equilibrium molecular dynamics simulations. The viscosity at the lowest modeled shear rate is in good agreement with the experimental viscosity.

Das partielle Aufschmelzen von Gestein ist ein wichtiger geologischer Prozess in der tiefen Erde, der seine physikalischen, chemischen und rheologischen Eigenschaften beeinflusst. Die Wirkung von partiell geschmolzenem Gestein auf die Manteldynamik hängt sowohl von der Menge der Schmelze als auch von ihrer Verteilung in der kristallinen Matrix ab. Einige wenige Prozent Schmelzanteil können einen großen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften des Gesteins haben. In dieser Arbeit werden Simulationen auf atomarer Ebene durchgeführt, um die Struktur und Transporteigenschaften ultradünner Schmelzfilme zwischen Olivinkörnern zu untersuchen, die ein einfaches Modellsystem für partiell geschmolzenen Peridotit darstellen. Das Modellsystem besteht aus 0.8 bis 7.0 nm dicken Schichten von Magnesiumsilikatschmelze mit einer Zusammensetzung in der Nähe von MgSiO3 (Enstatit), die seitlich von Forsterit-Kristallen (Mg2SiO4) begrenzt werden. Wir untersuchen die Änderung der atomaren Struktur, der chemischen Zusammensetzung und der Selbstdiffusionskoeffizienten entlang eines Profils senkrecht zur Grenzfläche sowie ihre Abhängigkeit von der Dicke der Schmelzschicht und der Orientierung der Kristalle. Die Wechselwirkung zwischen den Atomen wird durch ein erweitertes ionisches Modell beschrieben. Aus den atomaren Trajektorien erhalten wir verschiedene Eigenschaften wie die Ladungsdichte, Koordinationszahlen der Kationen, die chemische Zusammensetzung und Selbstdiffusionskoeffizienten. Grenzflächenschichten von bis zu 2 nm Dicke weisen ein deutlich anderes physikalischen Verhalten auf als ausgedehnte Schmelzen und Mineralien. Die Ergebnisse der Simulationen zeigen, dass für Kristallorientierungen mit höherer Oberflächenenergie die Selbstdiffusionskoeffizienten aller Ionen in der Schmelze bei konstanter Dicke der Schmelzschicht niedriger sind. Mit wachsender Dicke der Schmelzschicht zwischen den Kristallen erhöht sich die durchschnittliche Mobilität der Ionen in der Schmelze. Nahe der Grenzfläche ist die Ladungsmobilität niedriger, da sich dort eine festkörperartige Anordnung der Atome ausbildet. Für die Modellierung des gesteinsphysikalischen Verhaltens von partiell geschmolzenem Gestein ergibt sich, dass der effektive Durchmesser von leitenden Kanälen um bis zu 2 nm verringert ist, was sich auf die Rheologie und die Transporteigenschaften von partiell geschmolzenem Gestein auswirkt, besonders in Anwesenheit von ultradünnen Schmelzfilmen in gut benetzten Systemen. In diesem Fall könnte sich die elektrische Leitfähigkeit der seitlich eingeschlossenen Schmelze in partiell geschmolzenem Gestein aufgrund von Grenzflächeneffekten um einen Faktor von bis zu 2 verringern. Bei den Grenzflächeneigenschaften werden bei Änderung der chemischen Zusammensetzung, des Drucks und der Temperatur kleine Unterschiede beobachtet. Wird Calcium zum System hinzugefügt, ändern sich die Selbstdiffusionskoeffizienten aller Ionen leicht. Bei unterschiedlichen Druck- und Temperaturbedingungen werden stark veränderte Selbstdiffusionskoeffizienten beobachtet. Ein Einfrieren des Systems und ein Einschließungseffekt sind deutlich sichtbar bei 2000 K und einem Druck von 10 GPa, ebenso bei 2400 K und 10 GPa. Auch Nicht- Gleichgewichts-Molekulardynamik mit einer konstanten Scherrate wurde mit diesem System durchgeführt. Sie zeigt ein kompliziertes rheologisches Verhalten in der Nähe der Grenzflächen an. Es wird eine Abhängigkeit der Viskosität von der Scherrate beobachtet, was ein nicht-Newtonsches Verhalten der Schmelze bei den hohen Scherraten darstellt, die mit molekulardynamischen Simulationen erreicht werden können. Die mit Hilfe von Nicht-Gleichgewichts- Molekulardynamik berechnete Viskosität ist etwas größer als die mit Hilfe von Gleichgewichts-Molekulardynamik bestimmte. Die Viskosität, die sich mit der niedrigsten modellierten Scherrate ergibt, stimmt gut mit der experimentell bestimmten Viskosität überein.