Investigations of the microstructural and textural evolution of calcite deformed to high shear strains at pressures in the GPa regime by high-pressure torsion

Die vorliegende Doktorarbeit präsentiert die Ergebnisse einer Studie über die Entwicklung von Mikrostrukturen und Texturen in mit High-Pressure Torsion zu hohen Dehnungen unter Drücken im GPa Bereich und Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 450 °C verformtem Kalzit. Die Mikrostrukturanalyse, die mit synchrotronbasierter Röntgenlinienprofilanalyse und SEM-basierter Elektronenrückstreubeugung durchgeführt wurde, dokumentierte einen signifikanten Einfluss des hohen Druckes während der Verformung auf das Deformationsverhalten. Der hohe Druck während der Verformung führt durch das Unterbinden der Nukleation und Ausbreitung von Rissen zu mikrostrukturellen Merkmalen, die üblicherweise mit höheren Verformungstemperaturen assoziiert werden. Deformationszwillinge in Proben die bei Raumtemperatur verformt wurden, dokumentieren die signifikante Aktivität von Zwillingsverbreiterung und Zwillingsgrenzenwanderung. Diese Phänomene sind gemäß Kalzitzwillingsmorphologie-Geothermometern erst bei Temperaturen von 150 beziehungsweise 250 °C zu erwarten. Allerdings limitiert der hohe Druck während der Deformation die Mobilität von Punktdefekten und hemmt somit das Klettern von Versetzungen und Erholung. Dadurch beeinflusst die Erhöhung des Drucks bei der Verformung mikrostrukturelle Parameter wie Korngröße, Versetzungsdichte oder die Größe kohärent streuender Domänen in ähnlicher Weise wie eine Reduzierung der Temperatur. Weiters beeinflusst das Stabilitätsfeld eines Hochdruckpolymorphs den Rekristallisationsprozess in bei 450 °C verformten Proben. Deformation im Stabilitätsfeld von Kalzit führt zu einem dynamischen Gleichgewicht der Versetzungsdichte und einer Kern-Mantel Mikrostruktur nach Schehrdehnungen von etwa 10 unabhängig von der Dehnungsrate. Im Unterschied dazu führt Verformung im Stabilitätsfeld des Hochdruckpolymorphs zur Einstellung des dynamischen Gleichgewichts erst bei signifikant höheren Dehnungen und zu einem Rekristallisationsprozess, der von der Dehnungsrate abhängt. Dabei entstehen bei hohen Dehnungsraten Kern-Mantel Mikrostrukturen, während niedrige Dehnungsraten zu einer homogeneren Rekristallisation der Porphyroklasten führt.This thesis presents results of an investigation of the microstructural and textural evolution of calcite deformed to high shear strains at confining pressures in the GPa range and temperatures between room temperature and 450 °C with high-pressure torsion. The microstructure analysis by means of synchrotron based X-ray line profile analysis and SEM based electron backscatter diffraction revealed a significant influence of high confining pressures on the deformation behavior. Through the suppression of crack nucleation and propagation, high confining pressures facilitate microstructural characteristics that are typically associated with higher deformation temperatures. Mechanical twins in samples deformed at room temperature show evidence for significant twin broadening and boundary migration, which are expected for deformation temperatures exceeding 150 and 250 °C, respectively, according to calcite twin morphology geothermometers. However, the high confining pressure also inhibits the mobility of point defects and thus impedes dislocation climb and recovery. Thus, microstructural parameters such as grain size, dislocation density or coherently scattering domain size are affected by an increase in the confining pressure in a similar way as by a decrease in the temperature. Furthermore, the stability field of a high pressure polymorph affects the recrystallization process in samples deformed at 450 °C. Deformation in the calcite stability field leads to a dynamic equilibrium of the dislocation density and a core-mantle microstructure after shear strains of about 10 independent of the strain rate. By contrast, deformation in the stability field of the high pressure polymorph delays the dynamic equilibrium of the dislocation density to significantly higher strains and leads to a strain rate dependent recrystallization process, where higher strain rates generate core-mantle microstuctures and lower strain rates result in a more homogeneous break-up of porphyroclasts