Modelling the plasticity of wadsleyite and ringwoodite : on the motion of dislocations in the Earth's transition zone

par Sebastian Ritterbex

Thèse de doctorat en Mécanique, Énergétique et Sciences des matériaux

Sous la direction de Patrick Cordier et de Philippe Carrez.

  • Titre traduit

    Modélisation de la plasticité dans la wadsleyite et la ringwoodite : sur la dynamique des dislocations dans la zone de transition du manteau terrestre


  • Résumé

    La zone de transition est située entre 410 et 660 km de profondeur dans le manteau terrestre. Bien qu'il s'agisse d'une zone assez petite en volume du manteau terrestre, son rôle peut être important pour déterminer le mode, la vigueur et l'échelle de la convection globale, par exemple par le devenir de la subduction des plaques lithospheriques. Cette convection résulte de la déformation plastique des minéraux, qui elle-même résulte du mouvement des défauts cristallins. Parmi ces défauts, les dislocations sont souvent considérées comme les agents les plus efficaces de la plasticité intracristalline. C'est pourquoi nous proposons d'étudier les mouvements des dislocations dans les principales phases de la zone de transition: la wadsleyite et la ringwoodite. Par une approche de modélisation numérique, nous avons déterminé la mobilité thermiquement activée du glissement des dislocations que l’on trouve dans les polymorphes haute-pression de l'olivine. A partir de l'échelle atomique, nous avons modélisé les propriétés de coeur des dislocations. La déformation plastique est formulée en rendant compte de la dépendance intrinsèque du taux de déformation sur la mobilité des dislocations. Pour mieux comprendre les mécanismes de fluage dans la wadsleyite et la ringwoodite en conditions naturelles, on a utilisé les résultats précédemment définis sur le glissement que l’on a combiné avec la mobilité des dislocations en montée. Les résultats montrent que le glissement des dislocations est inefficace par rapport au fluage par montée dans des minéraux majeurs de la zone de transition. Cela suggère l'importance potentielle du fluage par montée, ce qui rendrait la zone de transition rhéologiquement distincte du manteau supérieur.


  • Résumé

    The transition zone is the region in the Earth's mantle between 410 and 660 km depth that separates the upper from the lower mantle. In spite of its small volume, it may play a role in constraining the style, vigour and scale of global mantle convection through, for instance, the fate of subducting slabs. Mantle convection is governed by plastic flow that occurs through the motion of crystal defects. Line defects or dislocations are considered to be one of the most efficient defects contributing to intracrystalline deformation. That is why in this work, we concentrate on the motion of dislocations in relation to the major phases of the mantle transition zone: wadsleyite and ringwoodite. A theoretical mineral physics approach is used to model the thermally activated glide motion of dislocations at appropriate pressure conditions in both high-pressure polymorphs of olivine. The intrinsic properties of dislocation core structures are modelled and parametrized by atomic scale calculations to take into account the effect of pressure on atomic bonding. Plastic deformation is finally described by taking into account the instrinsic strain rate dependence on the mobility of the defects.Since plastic deformation by the motion of dislocations is associated with creep, we use the above results and a climb mobility law to address the effective creep process in wadsleyite and ringwoodite under natural conditions. We show the inefficiency of dislocation glide as a strain producing deformation mechanism and suggest the potential importance of pure climb creep in the main minerals constituting the Earth's transition zone. This would imply the mantle transition zone to be rheologically distinct from the upper mantle.


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