[논문 리뷰] Deformation of upper mantle rocks with contrasting initial fabrics in axial extension

Walid Ben Ismaı̈l, Andréa Tommasi외 4명|Research Explorer (The University of Manchester)|2021. 01. 09.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 58인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 상부 맨틀 퍼리도리트의 축 방향 인장에서 1200 °C 및 300 MPa 조건에서 초기 입자 크기와 결정 고리 방향도(CPO)가 미세구조적 진화와 기계적 거동에 미치는 영향을 조사한다. 미세입자 허르부르스타는 동적 재결정화로 인해 변형 연화를 보였고, 거친입자 도니트는 변형 집중과 내부 입자 오차 증가로 인해 경화를 보였다. 이는 변형 메커니즘에서 입자 경계 밀도의 핵심적 역할을 강조한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초기 입자 크기와 결정 고리 방향도(CPO)가 상부 맨틀 암석의 미세구조적 진화와 기계적 거동에 미치는 영향를 이해하기 위해.
• 대변형 조건에서 미세입자 및 거친입자 퍼리도리트 간의 변형 집중과 응력 진화의 차이를 조사하기 위해.
• 동적 재결정화와 입자 경계 밀도가 변형 연화 또는 경화를 통제하는 데 미치는 역할를 평가하기 위해.
• 초기 CPO 강도와 입자 크기가 목줄 현상과 변형 집중의 발달에 영향을 미치는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 축 방향 인장 실험이 1200 °C 및 300 MPa의 고정 압력 조건에서 일정 이송 속도로 수행되었다.
• 세 가지 천연 퍼리도리트가 시험에 사용되었으며, 약한 CPO를 가진 미세입자 마이론리틱 허르부르스타와 CPO 강도가 다른 두 종류의 거친입자 도니트였다.
• 전자 배경 산란 회절(EBSD)을 사용하여 입자 크기, CPO, 내부 입자 오차를 추적함으로써 미세구조적 진화를 분석하였다.
• 변형 중 기계적 연화 또는 경화를 평가하기 위해 응력과 변형 진화를 모니터링하였다.
• 목줄 현상과 변형 집중은 목줄 영역의 응력-변형 곡선과 미세구조 분석을 통해 검토되었다.
• 동적 재결정화의 핵형성 위치로서의 입자 경계의 역할은 시료 간 재결정화 비율과 입자 크기 비교를 통해 평가되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 입자 크기는 상부 맨틀 암석의 축 방향 인장 중 동적 재결정화와 미세구조적 진화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 초기 결정 고리 방향도(CPO) 강도는 퍼리도리트에서 변형 집중과 응력 진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 유사한 변형 조건에서 왜 미세입자 허르부르스타는 연화를 보이는 반면 거친입자 도니트는 경화를 보이는가?
• RQ4 입자 경계가 고온 맨틀 암석에서 재결정화를 얼마나 효과적으로 촉진하고 기계적 거동에 영향을 미치는가?
• RQ5 다른 종류의 퍼리도리트에서 목줄 영역의 응력과 변형 집중은 결정 형태와 내부 입자 오차에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 미세입자 허르부르스타는 최초의 유동 응력(165 MPa)이 가장 높았지만, 목줄 영역에서 동적 재결정화로 인해 상당한 연화가 관찰되었다.
• 미세입자 시료에서는 목줄 영역에서 재결정화된 입자 크기가 감소하고 재결정화 비율이 증가하여, 응력 유도 연화가 효과적으로 발생하였다.
• 거친입자 도니트는 목줄 발생 중에 명백한 시현 차별 응력 감소가 없었으며, 이는 기계적 경화를 시사하였다.
• 거친입자 시료에서 응력과 변형 집중은 경도 방향의 결정에서 킴드 형성과 연화된 방향의 결정에서 동적 재결정화를 유도하였다.
• 거친입자 시료에서 전체 내부 입자 오차 증가는 경화와 관련이 있었으며, 최종 응력이 초기 값과 유사하거나 높은 것으로 나타났다.
• 미세입자 퍼리도리트에서 더 효과적인 연화는 동적 재결정화의 핵형성 위치로 작용하는 높은 입자 경계 밀도 때문으로 기인된다.