Universität zu Köln

Kemperle, Marina (2021). Deformation and Annealing of Quartz and Feldspar in the Lower Crust: a detailed microstructural investigation of polyphase rocks from the Highland Complex, Sri Lanka. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

This study deals with deformation and annealing microstructures of quartz and feldspar in lower crustal rocks of the Highland Complex, Sri Lanka. Deformation occurred under dry granulite facies conditions at minimum temperatures of ~770–830 °C. Microstructures show that quartz, alkali feldspar and plagioclase deformed dominantly by dislocation creep accommodated by dynamic grain boundary migration (GBM) recrystallization. EBSD-based analyses of a complete sequence of quartz-poor to quartz-rich domains show that, during GBM recrystallization, quartz in suitable orientation for combined prism[c], basal<a> and rhomb<a> slip underwent selective coarsening. In feldspars, intracrystalline slip was dominantly achieved on the (010) plane in various slip directions. In alkali feldspar, activity of multiple slip systems resulted in moderate crystallographic preferred orientations (CPO). In plagioclase, further (021)[1-12] slip was active, probably initiated by fracturing of grains in unsuitable orientation for slip on (010). Furthermore, strong CPOs and minor (021)[1-12] slip in Anorthite (An)-poor plagioclase point to a compositional dependence of strength with An-poor plagioclase being weaker than An-rich plagioclase. Analysis of grain size and shape in domains with differing modal content of quartz, alkali feldspar and plagioclase show that deformation mechanisms depend on the connectivity. At weak connectivity diffusion-assisted phase boundary migration is dominant causing smoothly curved phase boundaries and weak CPOs. With increasing connectivity GBM recrystallization becomes dominant. For quartz in quartz-poor domains connectivity and microstructural evolution depend on the modal content. In quartz-rich domains microstructures are controlled by feldspar second phase content and distribution. In domains with highest quartz content (>~80 Vol.-%) and low feldspar dispersion, microstructures are controlled by dynamic recrystallization. Deformation microstructures of quartz and feldspars were partly modified during annealing. This concerns subgrain boundaries and associated misorientations and slip systems. Grain boundaries between same phases were equilibrated by the reduction of curvature and establishment of 120° dihedral angles. In plagioclase of pure domains, grain boundaries are most equilibrated. Alkali feldspar equilibration was hampered by exsolutions and plagioclase films along grain boundaries. In quartz, crystallographically stabilized grain boundaries probably inhibited reduction of curvature while abundant 120° dihedral angles infer equilibration. CPOs of quartz, alkali feldspar and plagioclase are largely preserved.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die vorliegende Arbeit präsentiert eine detaillierte mikrostrukturelle Untersuchung von deformierten und statisch getemperten Quarz-Feldspat-Gesteinen des Highland Complex, Sri Lanka. Deformation und statische Temperung erfolgten unter trockenen granulitfaziellen Bedingungen der unteren Kruste bei Minimum-Deformationstemperaturen von ~770–830 °C. Mikrostrukturen zeigen, dass Deformation von Quarz und Feldspat maßgeblich mittels Versetzungskriechen und dynamischer Rekristallisation durch Korngrenzwanderung erfolgte. EBSD-basierte Analysen einer vollständigen Sequenz von quarz-armen hin zu quarz-reichen Domänen zeigen, dass Quarz im Zuge der dynamischen Korngrenzwanderung selektiv vergröberte begünstigt durch eine vorteilhafte Orientierung für die Aktivität von Prismen[c], Basis<a> und Rhomben<a> Gleitsystemen. In Alkali-Feldspat und Plagioklas dominierten Gleitsysteme mit (010) als Hauptgleitebene in verschiedenen Gleitrichtungen. In Alkali-Feldspat führte die Beteiligung multipler Gleitsysteme zu einer moderaten kristallographischen Vorzugsregelung (CPO). In Plagioklas war zudem das Gleitsystem (021)[1-12] beteiligt, welches vermutlich in Körnern in ungünstiger Orientierung für (010)-Gleiten in Sprödbrüchen initiiert wurde. Kompositionell bedingte Unterschiede im Deformationsverhalten von Plagioklas werden deutlich in einer verstärkten CPO und dem Zurücktreten des (021)[1-12] Gleitsystems in Anorthit-armen Plagioklasen, welches auf eine geringere Festigkeit von letzteren deutet. Die Analyse von Korngrößen und Kornformen in Domänen mit unterschiedlichem Modalbestand von Quarz, Alkali-Feldspat und Plagioklas zeigen, dass Deformationsmechanismen von der Konnektivität abhängen. Bei mangelnder Konnektivität dominiert diffusions-begünstigte Phasengrenzwanderung, welche sanft gekrümmte Phasengrenzen und schwache CPOs hervorruft. Mit zunehmender Konnektivität dominiert Korngrenzwanderung. Für Quarz in quarz-armen Domänen werden Konnektivität und assoziierte Mikrostrukturen vom Modalbestand kontrolliert. In quarz-reichen Domänen bestimmt der Anteil und die Verteilung der Sekundärphase Feldspat die mikrostrukturelle Entwicklung. In Domänen mit dem höchsten Quarz-Gehalt (>~80 Vol.-%) und geringer Feldspat-Streuung werden Mikrostrukturen maßgeblich von dynamischer Rekristallisation gesteuert. Deformations-Mikrostrukturen von Quarz und den beiden Feldspäten wurden durch statische Temperung modifiziert. Das betrifft Subkorngrenzen und damit assoziierte Misorientierungen und Gleitsysteme. Zudem wurden Korngrenzen equilibriert, indem die Krümmung reduziert und 120° Öffnungswinkel zwischen drei Körnern erstellt wurden. Plagioklase in reinen Domänen wurden dabei am stärksten equilibriert. In Alkali-Feldspäten wurde das Equilibrieren durch Entmischungen und Plagioklas-Filmen entlang von Korngrenzen teilweise unterdrückt. In Quarz führte vermutlich eine kristallographisch-bedingte Stabilisierung von Korngrenzen zur Erhaltung einer hohen Krümmung der Korngrenzen, wohingegen ausreichend 120° Öffnungswinkel Equilibrierung andeuten. CPOs von Quarz, Alkali-Feldspat und Plagioklas blieben weitestgehend erhalten. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Kemperle, Marina mkemperl26@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-533676
Date:	September 2021
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute of Geology and Mineralog
Subjects:	Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language deformation and annealing English lower crust English quartz-feldspar rocks English microstructures English EBSD English Highland Complex Sri Lanka English
Date of oral exam:	16 August 2021
Referee:	Name Academic Title Kleinschrodt, Reiner Prof. Dr. Jahn, Sandro Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/53367