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M2, 2011 David Mainprice Geosciences, Montpellier, France Structure et minéralogie du manteau 2011 M2 Dynamique de la Terre Interne
122

Structure et minéralogie du manteau

Jan 05, 2017

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Page 1: Structure et minéralogie du manteau

M2, 2011 David Mainprice Geosciences, Montpellier, France

Structure et minéralogie du manteau���2011 M2 Dynamique de la Terre Interne

Page 2: Structure et minéralogie du manteau

Documentation

ftp://www.gm.univ-montp2.fr/mainprice/ Dossier « Master Documents M2 »

Chemin : [www.gm.univ-montp2.fr][mainprice] [Master_M2_Documents]

Page 3: Structure et minéralogie du manteau

Plan 1.  Geodynamic motivation 2.  Seismic discontinuities 3.  Equation of state (P,T,volume) 4.  Mg2SiO4 - ‘low’ pressure (upper mantle) 5.  MgSiO3 - ‘high’ pressure (lower mantle) 6.  Phase transitions and thickness of the TZ 7.  300 km X discontinuity 8.  D” layer, perovskite and post-perovskite

Page 4: Structure et minéralogie du manteau

Geodynamic motivation -

Understanding the composition and dynamics of the Earth’s deep interior

Page 5: Structure et minéralogie du manteau

Multi-disciplinary approach ….

van der Hilst, 2004

Page 6: Structure et minéralogie du manteau
Page 7: Structure et minéralogie du manteau

Geodynamics

Page 8: Structure et minéralogie du manteau

Plume or Plate Tectonics ?

Page 9: Structure et minéralogie du manteau

Mantle Overview

Page 10: Structure et minéralogie du manteau

Exploring the deep Earth using Seismology

Page 11: Structure et minéralogie du manteau

Velocity discontinuities

Page 12: Structure et minéralogie du manteau

Structure interne de la Terre

Vitesse de propagation des ondes sismiques

dans la Terre

Discontinuité à 410 km Discontinuité à 660 km Changements minéralogiques (pression, température)

(Kennett, 1991)

CMB 2900 km

Graine, solide

Noyau externe, liquide

Page 13: Structure et minéralogie du manteau

Mantle Phase Transitions and Mineralogy

Page 14: Structure et minéralogie du manteau

Pyrolite - New experimental data

Hirose 2002

Page 15: Structure et minéralogie du manteau

MORB - New experimental data

Page 16: Structure et minéralogie du manteau

Most recent compilation

Page 17: Structure et minéralogie du manteau

Mantle & Core : petrology & seismic anisotropy

Panning & Romanowicz 06 Ono & Oganov 05 Perrillat et al. 06 Irifune et al. 94 modif. by Poli & Schmidt 02

Page 18: Structure et minéralogie du manteau

Mantle PT conditions

Page 19: Structure et minéralogie du manteau

Subduction zone & Phase Transitions

Page 20: Structure et minéralogie du manteau
Page 21: Structure et minéralogie du manteau
Page 22: Structure et minéralogie du manteau

Seismic discontinuities Seismic velocity jumps : phase transitions changes in composition

Page 23: Structure et minéralogie du manteau

- au dessus de 410 km : α-(Fe,Mg)2SiO4 ou alpha-(Fe,Mg)2SiO4 =OLIVINE - au dessous de 410 km : α--(Fe,Mg)2SiO4 --> beta β-(Fe,Mg)2SiO4 β-(Fe,Mg)2SiO4 beta modified spinel = WADSLEYITE Changement de structure cristalline - au dessous de 520 km : β-(Fe,Mg)2SiO4 --> gamma γ-(Fe,Mg)2SiO4 γ-(Fe,Mg)2SiO4 gamma spinel = RINGWOODITE Ces 3 (Fe,Mg)2SiO4 «olivines » sont formées de tétraèdres silicatés dont la structure cristalline se densifie...

Changement de la structure de (Fe,Mg)2SiO4 dans le manteau supérieur

Pv+Mv

Page 24: Structure et minéralogie du manteau

Equation of state (P,T,volume) EOS - Describes relations between P,T and crystal cell volume Seismic wave speed - function of elastic constants and density For the isotropic case: Compressional velocity Vp2 = (bulk modulus + 4 shear modulus/3) /density Vp2 = M/density (P-wave modulus , M = 4 shear modulus/3) or Vp=√(M/density) Bulk sound velocity Vb2 = bulk modulus/density or Vb=√(bulk modulus/density) Shear velocity Vs2 = shear modulus /density or Vp=√(shear modulus/density) Bulk modulus = 1/Compressibility = (module de incompressibility) = -dP/(dV/V)

Page 25: Structure et minéralogie du manteau
Page 26: Structure et minéralogie du manteau

Mg2SiO4 - ‘low’ pressure

60% of the volume fraction for Pyrolite • Olivine (orthorhombic) - Upper mantle • Wadsleyite (orthorhombic) - Upper Transition Zone • Ringwoodite (cubic) - Lower Transition Zone

Page 27: Structure et minéralogie du manteau

Pure Mg2SiO4

Page 28: Structure et minéralogie du manteau

Olivine -Wadsleyite - Ringwoodite

Page 29: Structure et minéralogie du manteau

Mg2SiO4 - Fe2SiO4

Page 30: Structure et minéralogie du manteau

Olivine-Ringwoodite Transition TEM

Page 31: Structure et minéralogie du manteau

Orientation Relationship

Page 32: Structure et minéralogie du manteau

Crystallographic relationships

Page 33: Structure et minéralogie du manteau
Page 34: Structure et minéralogie du manteau

Cij : Mg2SiO4 polymorphs

Page 35: Structure et minéralogie du manteau

Vp ,Vs & PREM : ���Mg2SiO4

polymorphs

Page 36: Structure et minéralogie du manteau

Anisotropy : ���Mg2SiO4

polymorphs

Page 37: Structure et minéralogie du manteau

Effect of temperature

olivine

Sinogeikin et al 03 PEPI

wadsleyite

ringwoodite

Page 38: Structure et minéralogie du manteau

Mantle Overview

Page 39: Structure et minéralogie du manteau

Mantle composition

Page 40: Structure et minéralogie du manteau

Saut de vitesse sismique (densité) assez brusque vers 670 km Saut = Passage de minéraux silicatés à structure tétraèdrique (α,β,γ) à un mélange de minéraux silicaté octaédrique (Perovskite) et oxyde (Ferropericlase) : la PEROVSKITE (Fe,Mg)SiO3 la MAGNESIOWUSTITE (Fe,Mg)O (Ferropericlase)

Plus simplement en prenant le pôle magnésien le

plus courant dans le manteau

Mg2SiO4 <--> MgSiO3 + MgO Rw <--> Pv + Mw

LIMITE MANTEAU SUP / MANTEAU INF. = DECOMPOSITION de la PHASE g

Page 41: Structure et minéralogie du manteau

MgO

•  MgO Periclase , reference material for physical properties.

•  Cubic space group Fm-3m , Halite structure, density 3.585 at room P & T.

•  In the lower mantle Ferropericlase-magnesowüstite (Mg,Fe)O is present (20% by volume).

Page 42: Structure et minéralogie du manteau

Wave velocities in MgO Hama & Suito (1999)

Page 43: Structure et minéralogie du manteau

Single Crystal MgO-FeO - Vp & Vs

MgO high velocity & anisotropic FeO low velocity & isotropic Hence varing Fe/Mg ratio changes the velocity and seismic anisotropy

Page 44: Structure et minéralogie du manteau

MgSiO3 - ‘high’ pressure

(Mg,Fe)SiO3 Perovskite (orthorhombic) - 80% of the lower mantle, the most abundant mineral in the Earth !

Page 45: Structure et minéralogie du manteau

MgSiO3

Page 46: Structure et minéralogie du manteau

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 50 100 150

MgSiO3 Perovskite elastic constants as a function of pressure

C11C22C33C12C13C23C44C55C66

C ij

Pressure (GPa)

Oganov et al. (2001)

C22C33

C11

C12

C23C13C22C66C55

Page 47: Structure et minéralogie du manteau

Mg-Perovskite Cij at lower mantle PT

Wentzcovitch_et_al 2004

Page 48: Structure et minéralogie du manteau

Lower Mantle phases: Vp & Vs

Page 49: Structure et minéralogie du manteau

Birch’s Law ���at high

pressure

Page 50: Structure et minéralogie du manteau

Seismic anisotropy versus Pressure : SiO2, MgO & MgSiO3 SiO2 - very anisotropic with strong variations with pressure due to phase transitions. MgO - moderately anisotropic and very pressure dependent, but NO phase transitions in this pressure range MgSiO3 - moderately anisotropic with no variation with pressure no phase transitions in this figure published in by Karki_et_al Rev.Geophys.2001, now a new phase ‘post-Pv’ discovered in 2004 at about 120 GPa.

Page 51: Structure et minéralogie du manteau

Perovskite Composition K0 ρ Vφ=√(Ko/ ρ)

(GPa) (Mg/m3) (km/s) MgSiO3 262 4.12 7.974 MgSiO3~10% FeO 262 4.25 7.851 MgSiO3 ~3.25% Al2O3 261 4.123 7.956 MgSiO3 ~3.25% Al2O3+H2O 256 4.088 7.913 K= incompressibility Hyp=liquid

Interpretation of Tomography: Compositional Variations

Page 52: Structure et minéralogie du manteau

Phase Transitions - Consequences

Seismic velocity changes (elastic moduli & density) Vs = √(G/ρ) Seismic anisotropy changes (symmetry & elastic moduli) Compositional changes Mg/Fe… Density changes Grain size changes (reduction or increase ?) Deformation mechanism changes

Page 53: Structure et minéralogie du manteau

Effect of temperature on Transition zone thickness

410 km depth : exothermic reaction : dP/dT = positive = +ve 660 km depth : endothermic reaction : dP/dT = negative = -ve

The form of the Clapeyron or Clausius-Clapeyron equation most often used is dP/dT = ΔS/ΔV The slope of an univariant equilibrium plotted on a P-T diagram is equal to the entropy change (ΔS) of the reaction divided by the volume change (ΔV) of the reaction

Page 54: Structure et minéralogie du manteau

Transition zone discontinuities

* discontinuities are caused by olivine phase changes thin transition zone in hotspot/plume regions

Page 55: Structure et minéralogie du manteau

Seismic Structure of TZ

• 410 km:P-vel. increase ΔVp 5-6% S-vel. increase ΔVs 4-7% first order discontinuity sharp: 2-4km beneath oceans 35 km beneath continents Α olivine to β wadselyite exothermic with positive Clapeyron slope 3MPa/K • 520 km:Controversial discussion of existence artefact? There in some regions, absent in others? few seismological observations contrasts ΔVp = 1% ΔVs=0.8-1.5% Δρ= 2.5-3%

• 670 km: barrier to convection? increase in velocity and density: 6-11% could be explained by phase change or change in chemical composition. if chemical: either: Fe content or Al content => discontinuity complex P’P’ observations => <4km but long period P-SV conversions: 20-30 km Clapeyron slope negative, endothermic, depression of 670 disc. may hinder convection

Page 56: Structure et minéralogie du manteau

Depth of phase transitions

Page 57: Structure et minéralogie du manteau

Discontinuities Deuss et al. 2005

* using SS precursors, only large scale structure

* thin transition zone, correlation with hotspots/plumes?

Page 58: Structure et minéralogie du manteau
Page 59: Structure et minéralogie du manteau
Page 60: Structure et minéralogie du manteau
Page 61: Structure et minéralogie du manteau

Subduction:��� cold

temperatures

Page 62: Structure et minéralogie du manteau

Regional Study - South Pacific ‘hot spot’

Niu et al. 2002 EPSL

Page 63: Structure et minéralogie du manteau

Reflections at 410 and 670 km

HotSpot ?

HotSpot ?

HotSpot ?

410 km

670 km

Page 64: Structure et minéralogie du manteau

Interpretation

Page 65: Structure et minéralogie du manteau

Global tomography Shear wave velocity model S20RTS: * body waves * surface waves * normal mode splitting functions

Ritsema, van Heijst & Woodhouse (1999)

Page 66: Structure et minéralogie du manteau

Global and Regional Study : reflections from S20RTS

Stack for North America (strong and weak)

(Deuss & Woodhouse, GRL, 2002)

220

800

1050

1150

410

520

660

Page 67: Structure et minéralogie du manteau

Global versus Regional data

Deuss and Woodhouse (2002) GRL

Page 68: Structure et minéralogie du manteau

Splitting of the Mid–Transition Zone Discontinuity

Varing chemical composition Mg/(Mg+Fe) changing olivine to wadselyite depth ?

Deuss and Woodhouse (2002) Science

Page 69: Structure et minéralogie du manteau

Regional Study : L & X discontinuities

Bagley and Revenaugh JGR 2008

Page 70: Structure et minéralogie du manteau

Pacific Plate

Bagley and Revenaugh JGR 2008

Page 71: Structure et minéralogie du manteau

X discontinuity – OEn -> HP Cen ?

Jacobsen et al. 2010 PEPI

Page 72: Structure et minéralogie du manteau

The 300 km (X) seismic discontinuity & Coesite to Stishovite SiO2 phase transition���

���

Page 73: Structure et minéralogie du manteau

Global distribution of 300 km (X) seismic discontinuity

Williams & Revenaugh Geology 2005

Page 74: Structure et minéralogie du manteau

Williams & Revenaugh Geology 2005

Page 75: Structure et minéralogie du manteau

Williams & Revenaugh Geology 2005

Page 76: Structure et minéralogie du manteau

The 1200 km seismic discontinuity & Stishovite to CaCl2 structure of SiO2 ���

���

Page 77: Structure et minéralogie du manteau

Si02 in the mantle

Multianvil apparatus 14 GPa - 1300°C - 10 hours

Crystal by Patrick Cordier (Lille)

Page 78: Structure et minéralogie du manteau

SiO2 Polymorphs : Cij theory

Page 79: Structure et minéralogie du manteau

Structure along c axis Stishovite - Tetragonal a=b CaCl2 type - Orthorhombic b>a

a

b

Page 80: Structure et minéralogie du manteau

Effect on a,b & c axes

3,7

3,8

3,9

4,0

4,1

4,2

0 20 40 60 80 100 120

a Landau theory b Landau theory a experimental datab experimental data

a a

nd b

cell

par

amat

ers

(ang

strom

s)

Pressure (GPa)

StishoviteP4

2/mnm

Tetragonal

CaCl2-type

PnnmOrthorhombic

b

a

a & b

2,45

2,50

2,55

2,60

2,65

2,70

0 20 40 60 80 100 120

c Landau theoryc experimental data

c ax

is ce

ll pa

ram

eter

(ang

strom

s)

Pressure (GPa)

StishoviteP4

2/mnm

Tetragonal

CaCl2-type

PnnmOrthorhombic

Page 81: Structure et minéralogie du manteau

36

38

40

42

44

46

0 20 40 60 80 100 120

Landau theory Experimental data

Unit

Cell

Volum

e (a

ngstr

oms3 )

Pressure (GPa)

CaCl2-type

PnnmOrthorhombic

StishoviteP4

2/mnm

Tetragonal

4,2

4,4

4,6

4,8

5,0

5,2

5,4

5,6

0 20 40 60 80 100 120

Landau theoryExperimental data

Dens

ity (g

/cm3 )

Pressure (GPa)

CaCl2-type

PnnmOrthorhombic

StishoviteP4

2/mnm

Tetragonal

Effect on volume & density

Page 82: Structure et minéralogie du manteau

Effect on single crystal elastic constants Cij using Landau theory

Carpenter et al. 2000

0

200

400

600

800

1000

1200

0 20 40 60 80 100 120

C ij (GPa

)

Pressure (GPa)

StishoviteP4

2/mnm

Tetragonal

CaCl2-type

PnnmOrthorhombic

C11

= C22

C11

C

22

C33

C33

C12

C12

C66

C66

C44

= C55

C44

C55

C13

= C23

C23

C13

Page 83: Structure et minéralogie du manteau

Effect on isotropic elastic constants

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 20 40 60 80 100 120

Mod

ulus

(GPa

)

Pressure (GPa)

K, Bulk Modulus

G, Shear Modulus

Voigt

Reuss

StishoviteP4

2/mnm

Tetragonal

CaCl2-type

PnnmOrthorhombic

VRH

Page 84: Structure et minéralogie du manteau

0

4

8

12

16

0 20 40 60 80 100 120

Velo

city

(km

/s)

Pressure (GPa)

Vp

V s

Voigt

Voigt

Reuss

Reuss

VRH

VRH

StishoviteP4

2/mnm

Tetragonal

CaCl2-type

PnnmOrthorhombic

Isotropic Vp and Vs

Page 85: Structure et minéralogie du manteau

Anisotropy Stishovite - CaCl2 transition

Page 86: Structure et minéralogie du manteau
Page 87: Structure et minéralogie du manteau

D” layer and Perovskite (Pv) to Post-Peroskite (PPv) phase

transition

Page 88: Structure et minéralogie du manteau

Large Igneous Provinces (LIPs)

RED – LIPs BLUE – Plume heads (hot spots)

Page 89: Structure et minéralogie du manteau

LIPs, plumes and D’’

Page 90: Structure et minéralogie du manteau

2D View of the Earth

Page 91: Structure et minéralogie du manteau

The density profile

Page 92: Structure et minéralogie du manteau

Kellogg et al 1999 Science

Page 93: Structure et minéralogie du manteau
Page 94: Structure et minéralogie du manteau

Schematic models of D’’

Lay et al EPSL 04

Page 95: Structure et minéralogie du manteau

Heterogeneous Layer

Page 96: Structure et minéralogie du manteau

Joint Vp & Vs Tomography heterogeneity

Page 97: Structure et minéralogie du manteau

D’’ topography & ULVZ (plumes?)

Page 98: Structure et minéralogie du manteau

Phase Transformation Pv-PPv

Page 99: Structure et minéralogie du manteau

MgSiO3 Perovskite ----- Most abundant constituent in the Earth’s lower mantle ----- Orthorhombic distorted perovskite structure (Pbnm, Z=4) ----- Its stability is important for understanding deep mantle (D” layer)

Page 100: Structure et minéralogie du manteau

MgSiO3 Perovskite

•  MgSiO3 perovskite is the

most abundant mineral in the lower mantle.

Si

Mg

O

Page 101: Structure et minéralogie du manteau

But things are more complex…. •  Kendall (1998) wrote:

‘…LPO in lower-mantle minerals is an unlikely cause for the anisotropy…. although we must always allow for the possibility that there is an as-yet unknown mineralogy that dominates D”.’

Page 102: Structure et minéralogie du manteau

The Post-Perovskite Phase •  Motohiko Murakami, Kei Hirose et al

(May 2004) announce new post-perovskite phase.

•  Also found by Oganov & Ono (Nature, July 2004)

•  Based on “CaIrO3” or “UFeS3” structure.

•  Stable at P>120 GPa. •  D” will not be made of perovskite at

all!

Page 103: Structure et minéralogie du manteau

History of Post-Perovskite���(May to September…2004)

1.  Murakami et al publish the first experimental evidence for Post-Perovskite Science 7th May. 2.  Tsuchiya et al. ab initio simulations of elastic constants at 0K. GRL 17th July 2004. 3.  Iitakata et al ab initio simulations of structure, stability and elastic constants at 0K Nature 22nd July. 4.  Organov & Ono ab initio simulations of structure, stability and elastic constants at 0K &

experimental data Nature 22nd July. 5.  Tsuchiya et al. ab initio phase transition perovskite-post perovskite and Clapeyron slope. EPSL

August 2004.

6.  Stackhouse et al. ab initio simulations of elastic constants at 4000K EPSL submitted.

Page 104: Structure et minéralogie du manteau

Post Perovskite X-ray diffraction pattern

Page 105: Structure et minéralogie du manteau

b

c a

Lattice system: Bace-centered orthorhombic Space group: Cmcm Formula unit [Z]: 4 (4) Post-Perovskite Perovskite Lattice parameters [Å] a: 2.462 (4.286) [120 GPa] b: 8.053 (4.575)

c: 6.108 (6.286) Volume [120 GPa] [Å

3]: 121.1 (123.3)

68101214162 theta (deg)

Inte

nsity

(arb

itrar

y un

it)

λ = 0.4134 Å120 GPaExpCalc 020

021

002

022

110

111

040

041

023/

130

131

042

132

113

004

Pt

Crystal structure of post-perovskite

Page 106: Structure et minéralogie du manteau

Variation in the depth of D” could be due to a effect of temperature on phase transition pressure (from Murakami et al Science 2004)

Page 107: Structure et minéralogie du manteau

Phase Diagram

Page 108: Structure et minéralogie du manteau

D” Structure •  Seismic anisotropy in the D’’ region is variable. •  In places, the top of the D’’ layer is bound by a seismic

discontinuity. •  There is also mounting evidence that the bottom 40 km has

patches of ultra low velocity zones. •  Observations also indicate that in D’’ horizontally polarised

shear waves travel faster than vertically polarised ones (vSH > vSV) by an average of 1 %, except in regions of upwelling streams, such as in the central pacific, where vSV > vSH.

Page 109: Structure et minéralogie du manteau

Unexplained seismic properties of D” layer •  1. Presence and magnitude of seismic discontinuity (1% for

Vs, zero for Vp) at the top of the D” layer. •  2. Inferred Clapeyron slope. (Post-Pv 7.5MPa/K) •  3. Anisotropy of S-waves (horizontally polarized SV are 1%

faster than SH). (Crystal or Shape PO ?) •  4. Anticorrelation between bulk and shear moduli or

velocities. The post-perovskite transition has a positive jump of Vs and a negative jump of Vφ. (Unusual shear to bulk modulus ratio, not compatable with Perovskite or MgO)

Page 110: Structure et minéralogie du manteau

Compatible with seismic data

Page 111: Structure et minéralogie du manteau

+1% Vs Jump near CMB���& Topography of D layer 

Sidorin et al 1999 Science

150 km

Page 112: Structure et minéralogie du manteau

Hot (slow) and Cold (fast) regions in D”

Sidorin et al Science 1999

Page 113: Structure et minéralogie du manteau

Seismic versus Experiment

Helmberger et al PNAS 2005

Page 114: Structure et minéralogie du manteau

Denser D” Layer •  Masters and Gubbins recently

found the excess density of 0.4% in the bottom 500 km of the lower mantle.

•  An expected density increase of 1.0 to 1.2% for the bottom 200- to 300-km layer owing to the post-MgSiO3 perovskite transition is consistent with their observations.

•  b-axis is most compressible in Post-Pv.

(from Murakami et al Science 2004)

Page 115: Structure et minéralogie du manteau

Suduction goes down to CMB

Page 116: Structure et minéralogie du manteau

D’’ Strongly layered

Van der Hilst et al 2007 Science

Page 117: Structure et minéralogie du manteau

Layer seismic structure

Page 118: Structure et minéralogie du manteau
Page 119: Structure et minéralogie du manteau
Page 120: Structure et minéralogie du manteau
Page 121: Structure et minéralogie du manteau

Double crossing of Pv to Post-Pv phase boundary

Page 122: Structure et minéralogie du manteau

Schematic view of D ”