[論文レビュー] Deformation of upper mantle rocks with contrasting initial fabrics in axial extension

Walid Ben Ismaı̈l, Andréa Tommasi+4 more|Research Explorer (The University of Manchester)|Jan 9, 2021

High-pressure geophysics and materials参考文献 58被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、上部マントル・ペリドトライトの軸方向引張変形において、初期粒子径と結晶の優先配列（CPO）が微細構造の進化および力学的挙動に与える影響を1200 °Cおよび300 MPaの条件下で調査する。微粒子のハーツァルサイトでは、動的再結晶化による応力軟化が観察されたが、粗粒子のドゥナイトでは、応力集中と内部歪みの増加により硬化が生じた。これは、変形機構において界面密度が果たす重要な役割を示している。

ABSTRACT

To explore the role of the olivine grain size and crystal preferred orientation (CPO) on the evolution of the microstructure and the mechanical behaviour of upper mantle rocks up to large strains, we performed axial extension experiments at 1200C, 300MPa confining pressure, and constant displacement rate on three natural peridotites: a fine-grained mylonitic harzburgite with a weak CPO and two coarse-grained well-equilibrated dunites with CPO of variable intensity. Initial flow stresses show a limited range of variation (115-165MPa), with the fine-grained sample showing the highest initial strength. However, the evolution of both mechanical behavior and microstructure differs between fine and coarse-grained peridotites. In the fine-grained harzburgite, necking resulted in decrease in the apparent differential stress. Focusing of strain and stress produced increase of the olivine recrystallized fraction and decrease of the recrystallized grain size in the neck. Analysis of the final stress and strain in the neck indicates softening due to evolution of the microstructure and CPO. In contrast, necking of the coarse-grained samples produced weak or no decrease in the apparent differential stress. This implies hardening, consistently with the increase in bulk intragranular misorientation and final stresses in the neck similar or higher than initial ones. Coarse-grained dunites deformed heterogeneously. Crystals well oriented to deform by dislocation glide became elongated, whereas those in hard orientations remained almost undeformed. In the neck, stress and strain concentration resulted in formation of kinks in hard crystals and dynamic recrystallization in soft crystals. We interpret the more effective strain-induced softening of the fine-grained peridotite as due to easier dynamic recrystallization, probably due to the higher proportion of grain boundaries acting as nucleation sites.

研究の動機と目的

• 初期粒子径および結晶の優先配列（CPO）が上部マントル岩石の微細構造の進化および力学的挙動に与える影響を理解すること。
• 大ひずみ変形中の微粒子および粗粒子のペリドトライトにおいて、ひずみ局在化と応力の進化がどのように異なるかを調査すること。
• 動的再結晶化および界面密度が変形の軟化または硬化を制御する役割を評価すること。
• 初期CPO強度および粒子径がネック形成およびひずみ集中の発達に与える影響を特定すること。

提案手法

• 一定変位速度で、1200 °Cおよび300 MPaの包圧下で軸方向引張実験を実施した。
• 3種の天然ペリドトライトを試験した：弱いCPOを示す微粒子のミヨナイト的ハーツァルサイトと、CPO強度が異なる2種の粗粒子ドゥナイト。
• 電子バックスクattered回折（EBSD）を用いて、粒子径、CPO、および内部歪みの変化を追跡することで、微細構造の進化を分析した。
• 変形中の力学的軟化または硬化を評価するために、応力とひずみの進化をモニタリングした。
• ひずみ局在化およびネック形成は、応力ーひずみ曲線およびネック部の微細構造解析を通じて検討した。
• 界面が動的再結晶化の核としての役割を果たすかどうかを評価するため、再結晶化割合および粒子径を各試料間で比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期粒子径は、上部マントル岩石の軸方向引張変形中における動的再結晶化および微細構造の進化にどのように影響するか？
• RQ2 初期結晶の優先配列（CPO）強度は、ペリドトライトにおけるひずみ局在化および応力の進化にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 同じ変形条件下でも、微粒子のハーツァルサイトは軟化を示すが、粗粒子のドゥナイトは硬化を示すのはなぜか？
• RQ4 界面が高温マントル岩石における再結晶化を促進し、力学的挙動に与える影響はどの程度か？
• RQ5 ネック部における応力とひずみの集中が、異なるペリドトライト種において結晶形状および内部歪みにどのように影響するか？

主な発見

• 微粒子のハーツァルサイトは、初期の流れ応力が最大165 MPaに達したが、ネック部で動的再結晶化により顕著な軟化を示した。
• 微粒子試料では、ネック部で再結晶化粒子径が減少し、再結晶化割合が増加した。これは、ひずみ誘発軟化が効果的に進行したことを示している。
• 粗粒子のドゥナイトでは、ネック形成中に顕著な顕在的差圧応力の低下が認められず、機械的硬化が生じた。
• 粗粒子試料では、応力とひずみの集中により、硬い配列の結晶にキンク構造が形成され、やや軟らかな配列の結晶では動的再結晶化が進行した。
• 粗粒子試料では、全体的な内部歪みの増加が硬化と相関しており、ネック部の最終応力が初期値と同等またはそれ以上であった。
• 微粒子ペリドトライトにおけるより顕著な軟化は、動的再結晶化の核としての役割を果たす界面密度の高さに起因すると考えられる。