How mineralogical transformations impact the rheology of rocks at high pressure and temperature

Quartz, one of the most abundant minerals in Earth’s continental crust, undergoes two phase transitions in the lower crust: the α-β and the quartz–coesite transitions. Both have significant implications for the rheology and physical properties of quartz-bearing rocks. The α-β transformation involves variations in thermodynamic and elastic properties, which affect seismic wave propagation. While it is well-characterized at ambient pressure, the behavior of this transition at both high Pressure and Temperature (PT) remains poorly constrained. In the context of continent-continent collisions, crustal material can attain depths that induce the transformation of quartz into coesite. This transformation causes mechanical weakening and strain localization. Transformational faulting is an extreme case where strain accumulation leads to faulting. However, the conditions under which this mechanism triggers seismicity and its universality across other geodynamical settings remain subject to ongoing debate. In this thesis, I describe my investigations of the α-β quartz and quartz-coesite phase transitions at high PT, which were aimed at understanding their role in crustal rheology. The elastic properties of quartz through the α-β transformation at high PT were first explored using a Large Volume Press (LVP) at the European Synchrotron Radiation Facility, combining ultrasonic measurements and X-ray diffraction. This phase transition was further investigated using Brillouin spectroscopy on a single crystal in a diamond anvil cell. Thanks to these new data, the properties of the phase transition at high PT were reevaluated. In particular, the β phase proved softer than predicted by previous models. These new datasets are being used in the development of an updated equation of state for quartz under crustal conditions. The quartz-coesite transformation was studied using an LVP at the Petra-III synchrotron at DESY, where deformation experiments were conducted while collecting both diffraction patterns and acoustic emissions (AEs). The primary objective was to determine whether this transformation could result in transformational faulting. Experiments were conducted under various PT conditions to investigate how reaction kinetics influence rheological behavior. Numerous AEs were recorded in all experiments, but the micro-seismic events showed an evolution similar to fault propagation only when the kinetics were slow. In summary, the elastic properties of β quartz exhibit pressure-dependent deviations from commonly employed models. Therefore, this thesis highlights the need for caution when interpreting velocity contrasts typically attributed to the α-β quartz transition in seismic tomography. In addition, the present work shows that transformational faulting during the quartz–coesite transition can proceed without substantial latent heat release, contrary to predictions drawn from the olivine phase transitions. Instead, this phenomenon is primarily driven by the volume change of the transformation. These findings emphasize the intricate role of quartz phase transitions in crustal rheology.

Il quarzo, uno dei minerali più abbondanti della crosta continentale, subisce due importanti transizioni di fase nella crosta inferiore: la transizione α-β e la trasformazione quarzo–coesite. Entrambe influenzano la reologia e le proprietà fisiche delle rocce. La transizione α-β modifica le proprietà termodinamiche ed elastiche del quarzo, influenzando la propagazione delle onde sismiche; tuttavia, il suo comportamento ad alta pressione e temperatura (PT) è ancora poco compreso. In contesti di collisione continentale, il quarzo può trasformarsi in coesite, causando indebolimento meccanico e localizzazione della deformazione, fino alla nucleazione di fratture (transformational faulting). Il meccanismo che innesca la rottura ad alte pressioni, è tuttavia, ancora dibattuto. In questa tesi ho studiato le due transizioni di fase del quarzo, ad alte PT per chiarirne il ruolo nella reologia crostale. Le proprietà elastiche del quarzo attraverso la transizione α-β sono state misurate con una Large Volume Press presso l’European Synchrotron Radiation Facility (Grenoble, Francia), combinando misure di Vp e Vs con la diffrazione a raggi X. Successive misure sono state effettuate utilizzando la spettroscopia Brillouin in Diamond Anvil Cell. I risultati, rivelano che la fase β è meno rigida di quanto previsto dai modelli fino ad ora utilizzati. Questi dati stanno quindi contribuendo allo sviluppo di una nuova equazione di stato per il quarzo in condizioni crostali. La trasformazione quarzo–coesite è stata analizzata tramite esperimenti di deformazione in LVP con diffrazione a raggi X e registrazione di emissioni acustiche (AE) presso il sincrotrone PETRA III ad Amburgo (Ge). È emerso che la nucleazione di fratture avviene solo quando la cinetica della trasformazione è lenta, e che il processo è controllato principalmente dalla variazione di volume piuttosto che dal rilascio di calore latente, come era previsto per le trasformazioni di fase dell'olivina, definite come trigger per la nucleazione di terremoti profondi. In sintesi, i risultati mostrano che la fase β del quarzo è meno rigida di quanto previsto e che la transizione quarzo–coesite può innescare rotture senza significativo rilascio di calore. Ciò suggerisce cautela nell’interpretazione dei contrasti di velocità sismica attribuiti alla transizione α-β. Inoltre, questa tesi mostra come la rottura ad alte pressioni possa avvenire senza sostanziale variazione del calore latenete ma solo con una variazione di volume. Infine, questo lavoro sottolinea il ruolo cruciale delle transizioni di fase del quarzo nella reologia della crosta.