Mantle-Melting at High Pressure: Experimental Constraints on Magma Ocean Differentiation

Aufschmelzen des Erdmantels bei hohen Drücken: Experimentelle Erkenntnisse über die Differentiation eines Magmaozeans

In this study geochemical processes and a geophysical parameter were investigated that are relevant to the crystallisation of a deep magma ocean, that likely existed during Earth’s accretion. The melting relations of potential magma ocean compositions, such as peridotitic and chondritic bulk compositions, were investigated using multianvil apparatus at pressures of 25-26 GPa and temperatures up to 2400°C. Compositional effects on the melting relations were investigated by varying bulk Mg/Si and In this study geochemical processes and a geophysical parameter were investigated that are relevant to the crystallisation of a deep magma ocean, that likely existed during Earth’s accretion. The melting relations of potential magma ocean compositions, such as peridotitic and chondritic bulk compositions, were investigated using multianvil apparatus at pressures of 25-26 GPa and temperatures up to 2400°C. Compositional effects on the melting relations were investigated by varying bulk Mg/Si and Mg/(Mg+Fe) ratios (the latter is denoted as Mg-number, Mg#). At 26 GPa, peridotite liquids show a crystallisation sequence of ferropericlase (Fp) followed down temperature by Mg-silicate perovskite (MgPv) + Fp, which is in contrast to the sequence of MgPv followed by MgPv + Fp in chondritic composition. The melting relations along the different compositions depend primarily on the bulk Mg/Si ratio and not on the Mg#. Melting relations and eutectic compositions were studied in the simple binary MgO-SiO2 system between 10 and 26 GPa. Combining the new results with previously published data shows that the eutectic composition between Mg2SiO4 and MgSiO3, up to 20 GPa, moves towards MgO with increasing pressure. Between 20 and 23 GPa the direction in which the eutectic is moving with pressure reverses. At higher pressures, this trend is again reversed and the eutectic composition moves towards MgO. The multiple changes in the direction in which the eutectic is moving as a function of pressure explains qualitatively the differences in liquidus phase relations in the more complex peridotite and chondrite compositions. The effect of bulk chemical composition on the partitioning of major, minor and trace elements between MgPv and coexisting silicate melts was investigated using micro-beam techniques. MgPv/melt partition coefficients for Mg (DMg) and Si (DSi) are related to the melt Mg/Si ratio, such that DSi becomes smaller than DMg at chondritic Mg/Si melt ratios. This shows that the Earth’s upper mantle Mg/Si ratio is unlikely to be derived from chondrites by MgPv fractionation. Partition coefficients of tri- and tetravalent elements increase with increasing Al concentration of MgPv. A crystal chemical model indicates that Al3+ substitutes predominantly onto the Si-site in MgPv, but most other elements substitute onto the Mg-site. This is consistent with a charge-compensating substitution mechanism. A crystal fractionation model, based on refractory lithophile element ratios, is developed to constrain the amount of MgPv and Ca-silicate perovskite (CaPv) that could have fractionated in a magma ocean and could still be present as a chemical heterogeneity in the lower mantle today. It is shown that a fractionated crystal pile composed of 96% MgPv and 4% CaPv could comprise up to 13 wt% of the entire mantle. Fe3+/Fetotal ratios have been determined for MgPv, crystallised at temperatures below and above the peridotite solidus, using Mössbauer and electron-energy-loss spectroscopy. The amount of Fe3+ in MgPv is positively correlated to the Al content of this phase. In recovered samples, homogeneously distributed Fe-rich metal on the sub-micron scale was observed on grain boundaries, although the MgPv has Fe3+/Fetotal ratios between 0.2 and 0.5. This suggests that the amount of Fe3+ in MgPv is independent of oxygen fugacity and that the presence of Fe-rich metal in the samples is the result of disproportionation of FeO to Fe3+ and Fe-metal. This has potentially implications for the mantle oxidation state and the mantle geochemistry during magma ocean solidification. The viscosity of peridotite liquid, as an analogue for a magma ocean composition, was investigated at high pressure using in-situ falling sphere viscometry. Experiments were performed between 2.5 and 13 GPa at temperatures between 2043 to 2523 K. Measured viscosities range from 0.018 (±0.003) to 0.13 (±0.01) Pa s. Up to 9 GPa the data indicate an isothermal increase in viscosity with increasing pressure but viscosity decreases between 9 and 13 GPa at constant temperature. The observed change in the pressure dependence of the viscosity is likely associated with structural changes in the liquid upon compression. The new high pressure data are combined with 1 bar viscosities for peridotite liquid (Dingwell et al. 2004), and a non-Arrhenian Vogel-Fulcher-Tamman equation, to which an empirical pressure-dependent term has been added, is presented to parameterize all experimental data. This approach reproduces measured viscosities to within 0.08 log10-units on average. The model can be used to calculate magma ocean viscosities to depths of 400 km. At likely magma ocean temperatures, viscosities down to transition zone pressures are extremely low and comparable to water at room temperature. The results of the different aspects of this study were used to investigate magma ocean crystallisation and its effect on the geochemistry and the evolution of the Earth’s mantle.show moreshow less
In dieser Arbeit wurden geochemische Prozesse und ein geophysikalischer Parameter untersucht, die relevant für die Kristallisation eines Magmaozeans (MO) sind, der wahrscheinlich während der Akkretion der Erde existierte. Es wurden Schmelzbeziehungen von möglichen MO-Zusammensetzungen, wie peridotitische und chondritische Zusammensetzungen, in Vielstempelpressen bei Drücken von 25-26 GPa und Temperaturen bis 2400°C untersucht. Um Effekte der chemischen Zusammensetzung zu untersuchen, wurden Mg/SIn dieser Arbeit wurden geochemische Prozesse und ein geophysikalischer Parameter untersucht, die relevant für die Kristallisation eines Magmaozeans (MO) sind, der wahrscheinlich während der Akkretion der Erde existierte. Es wurden Schmelzbeziehungen von möglichen MO-Zusammensetzungen, wie peridotitische und chondritische Zusammensetzungen, in Vielstempelpressen bei Drücken von 25-26 GPa und Temperaturen bis 2400°C untersucht. Um Effekte der chemischen Zusammensetzung zu untersuchen, wurden Mg/Si und Mg/(Mg+Fe) (Mg#) Verhältnisse in den Ausganszusammensetzungen variiert. Bei 26 GPa kristallisieren peridotitische Schmelzen in der Reihenfolge Ferroperiklas (Fp), gefolgt bei niedrigeren Temperaturen von Mg-Silikat-Perowskit (MgPv) plus Fp, im Kontrast zu MgPv gefolgt von MgPv + Fp in chondritischen Systemen. Die Schmelzphasenbeziehungen hängen in erster Linie vom Mg/Si Verhältnis ab und nicht von Mg#. Die Schmelzbeziehungen und eutektischen Zusammensetzungen wurden im binären System MgO-SiO2 zwischen 10 und 26 GPa untersucht. Der Vergleich dieser Daten mit Resultaten aus der Literatur zeigt, dass sich das Eutektikum zwischen Mg2SiO4 und MgSiO3 bis 20 GPa in Richtung von MgO verschiebt. Zwischen 20 und 23 GPa ändert sich diese Richtung, und das Eutektikum verschiebt sich mit steigendem Druck in Richtung MgSiO3. Bei höheren Drücken wird diese Richtungsänderung erneut umgekehrt und das Eutektikum verschiebt sich wieder zu MgO. Diese mehrfachen Richtungsänderungen mit steigendem Druck beschreiben qualitativ die Schmelzphasenbeziehungen in den chemisch komplexeren peridotitischen und chondritischen Zusammensetzungen. Der Effekt der chemischen Zusammensetzung auf die Verteilung von Haupt-, Neben und Spurenelementen zwischen MgPv und Silikatschmelzen wurde mit Mikrostahl Techniken untersucht. Die Verteilungskoeffizienten zwischen MgPv und Schmelze für Mg (DMg) und Si (DSi) sind abhängig vom Mg/Si Verhältnis der Schmelze, sodaß DSi bei chondritischen Mg/Si Verhältnissen kleiner wird als DMg. Das heutige Mg/Si Verhältnis des oberen Erdmantels kann daher nicht durch Fraktionierung von MgPv in einem chondritischen MO entstanden sein kann. Die Verteilungskoeffizienten von drei- und vierwertigen Kationen steigen mit zunehmendem Al-Gehalt in MgPv. Ein kristallchemisches Modell zeigt, dass Al3+ überwiegend auf die Si-Position im MgPv substituiert, andere Kationen jedoch vorwiegend auf die Mg-Position. Dies ist konsistent mit einem ladungsausgleichenden Kationenaustausch. Ein Kristallfraktionierungsmodell, das auf Verhältnissen von refraktären lithophilen Elementen basiert, wird angewandt, um die Menge von MgPv und Ca-Silikat Perowskit (CaPv) zu bestimmen, die möglicherweise während der Kristallisation des MO’s fraktionierte und ein chemisches Reservoir bildete, das noch immer im unteren Erdmantel existieren könnte. Ein solches Reservior könnte bis zu 13 Gew% des gesamten Erdmantels enthalten, bestünde es 96% MgPv und 4% CaPv. Fe3+/Fe(total) Verhältnisse von Mg-silikat Perowskiten, die bei Temperaturen nahe dem Peridotit-Solidus kristallisierten, wurden mittels Mösserbauer- und Elektronen-Energie-Verlust Spektroskopie bestimmt. Der Gehalt an Fe3+ im MgPv steigt mit der Al konzentration in dieser Phase. In den Versuchsprodukten wurde an Korngrenzen gleichmäßig verteiltes Fe-reiches Metall mit Submikrometerkorngrößen entdeckt, obwohl MgPv Fe3+/Fe(total) Verhältnisse von 0.2 bis 0.5 aufweist. Dies deutet darauf hin, daß der Gehalt an Fe3+ im MgPv unabhängig von der Sauerstofffugazität ist, und dass die Bildung von Fe-reichem Metall auf die Disproportionierung von FeO zu Fe3+ und Fe0 zurückzuführen ist. Die Kristallisation eines MO’s im Stabilitätsfeld von MgPv hat möglicherweise Implikationen für den Oxidationszustand und die Geochemie des Erdmantels. Die Viskosität von Peridotitschmelze wurde mit der Methode der ‚fallenden Kugel’ bei experimentellen Bedingungen von 2.5 bis 13 GPa und 1800 bis 2250°C untersucht. Viskositäten variieren von 0.018 bis 0.13 Pas. Die Daten zeigen, daß die Viskosität bei konstanter Temperatur bis zu 9 GPa mit steigendem Druck ansteigt, jedoch zwischen 9 und 13 GPa bei isothermen Bedingungen abnimmt. Die Veränderung in der Druckabhängigkeit der Viskosität ist wahrscheinlich auf strukturelle Modifikationen in der Schmelze während der Kompression zurückzuführen. Ein empirisches Viskositätsmodell wurde entwickelt, dass alle experimentellen Viskositäten mit einer durschnittlichen Abweichung von 0.08 log-Einheiten beschreibt. Das Modell kann dazu verwendet werden die Viskosität eines MO’s bis zu einer Tiefe von etwa 400 km zu berechnen. Bei den hohen Temperaturen, die möglicherweise in einem MO geherrscht haben, sind Viskositäten vergleichbar mit der Viskosität von Wasser bei Raumtemperatur. Die Resultate der verschiedenen Untersuchungen dieser Arbeit werden verwendet, um die Effekte einer Magmaozeankristallisation auf die Goechemie des Erdmantels und seine Evolution zu verstehen.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Geowissenschaften
Author: Christian Liebske
Advisor:Prof. Dr. David C. Rubie
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:11.05.2005
Year of Completion:2005
SWD-Keyword:Akkretion <Geologie>; Erdmantel; Perowskitstruktur; Silicatschmelze; Viskosität
Tag:Earth’s mantle; accretion; perovskite structure; silicate melt; viscosity
Dewey Decimal Classification:550 Geowissenschaften
RVK - Regensburg Classification:TH 3000
RVK - Regensburg Classification:TH 9000
RVK - Regensburg Classification:TH 1100
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-1847
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):06.10.2005