The interaction between silicate minerals and C-O-H bearing melts in the Earth's mantle

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Novella, Davide:
The interaction between silicate minerals and C-O-H bearing melts in the Earth's mantle.
Bayreuth , 2014 . - IV, 182 S.
( Dissertation, 2013 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The experiments in this study were performed to examine the effect of volatile components on the melting of mantle rocks at conditions of the deep upper mantle (~180-400 km). Chemical compositions, including H2O contents, of hydrous melts, compatible with those that would form by small degree melting of an upper mantle peridotite at 180 km depth and near adiabatic temperatures, were determined using a series of iterative crystallization experiments. Experiments were performed in a multianvil apparatus at 6 GPa and 1400 ºC employing a hydrous, natural mantle peridotite, which was equilibrated with a large volume of hydrous melt. The melt composition was iterated in a series of experiments until it was in equilibrium with a complete peridotite assemblage with mineral compositions close to those encountered in a sub solidus experiment at the same conditions. The H2O content of the melt could be accurately determined through a mass balance calculation as a result of the large volume of melt employed. The hydrous melt compositions, when compared on a volatile free basis, are found to be similar to group II kimberlites. A model is proposed, whereby group II kimberlites form from cratonic lithosphere that has been previously melted but then metasomatised resulting in the addition of ~1.7 wt % phlogopite to the rock. Parameters in the model are constrained through the mineral melt partition coefficients of both H2O and K2O, which imply melting at near adiabatic temperatures. The H2O concentrations of mineral phases within the peridotite assemblages were also measured using an ion probe and elastic recoil detection analysis. Using the known melt H2O contents mineral-melt partition coefficients for olivine, clinopyroxene, orthopyroxene and garnet were determined. Using these results the on set and extent of melting at conditions equivalent to 180 km below a mid ocean ridge was examined as a function of bulk mantle H2O concentration. The results indicate that current estimates for the H2O content of the depleted mantle (50-200 ppm H2O) are insufficient to induce mantle melting at these conditions, which requires ~700 ppm wt H2O to produce 0.1 % melting and 1600 ppm for 1 % melting. However, melting can occur at these conditions within the mantle source of ocean island basalts, which is estimated to contain up to 900 ppm wt H2O. If adiabatic temperatures are 200 °C higher within such plume related sources, melt fractions of over 1 % can be reached at 180 km depth. In addition, based on inter-mineral H2O partitioning a model that predicts the distribution of H2O between peridotite mineral phases as a function of depth at H2O undersaturated conditions is presented. The model indicates that for a fixed mantle H2O content of 200 ppm wt, the olivine H2O content will increase with depth solely due to changes in inter-phase partitioning and mineral modes. The results of this model provide an explanation for the reduction in seismic anisotropy observed at depths >200 km. Further experiments were conducted at 6 and 13 GPa in the simplified systems Mg2SiO4-H2O and MgSiO3-H2O to determine the effect of H2O on melting point depression. Melting phase relations were examined using a simple thermodynamic model that supports the almost complete dissociation of H2O to OH- bonded to melt silicate components at these conditions, although results for forsterite at 13 GPa are inconclusive due to uncertainties in the dry melting temperature. This simple model is unsuccessful in predicting the depression of melting temperature due to H2O for peridotite melts, however, indicating that hydrous melting models in simple systems provide little guidance as to the behavior of H2O in natural melt compositions. In addition, H2O partition coefficients were determined as a function of temperature for end member forsterite and enstatite at 6 and 13 GPa. Very little temperature dependence to the partition coefficients was observed except for forsterite at 13 GPa. Experiments performed in the MgO-SiO2-H2O-CO2 system at 13 GPa were used to investigate the effect of CO2 on the mineral-melt H2O partition coefficient. It was found that a melt CO2/(CO2+H2O) (weight) ratio of 0.3 causes the forsterite H2O partition coefficient to decrease by 50 % compared to the CO2-free partition coefficient, due to a significant drop in the measured forsterite H2O content. This effect decreases with increasing temperature and must be caused by strong interaction between CO2 and H2O in hydrous melts. The results imply that at the base of the upper mantle H2O-CO2 bearing melts can form at adiabatic conditions if as little as 250 ppm wt of H2O is present in the bulk mantle. This dramatic effect of CO2 on the mineral-melt partitioning of H2O may explain seismic observations interpreted to be caused by the presence of melt at the base of the upper mantle.

Abstract in weiterer Sprache

Die Experimente in dieser Arbeit wurden durchgeführt, um den Effekt von volatilen Komponenten auf das Schmelzen von Mantelgesteinen unter den Bedingungen des tiefen oberen Erdmantels (150-400 km Tiefe) zu untersuchen. Mithilfe einer Reihe von iterativen Kristallisationsexperimenten wurde die chemische Zusammensetzung einschliesslich des H2O-Gehalts von solchen wässerigen Schmelzen bestimmt, die vergleichbar mit Schmelzen sind, welche sich bei geringem Aufschmelzungsgrad eines Peridotits im oberen Erdmantel bei ca. 180 km Tiefe und quasi adiabatischen Temperaturen bilden. Die Experimente wurden in einer Vielstempelpresse bei 6 GPa und 1400 °C mit einem wasserhaltigen, natürlichen Mantelperidotit durchgeführt, der sich im Gleichgewicht mit einem grossen Volumen von wässeriger Schmelze befand. Die Schmelzzusammensetzung wurde in einer Serie von Experimenten iterativ verfeinert, bis sie sich im Gleichgewicht mit einem kompletten Peridotit-Mineralbestand befand, wobei der Mineralchemismus dem eines experimentell unter sub-solidus Bedingungen equilibrierten Peridotits entsprach. Der Wassergehalt der Schmelze konnte durch eine Massenbilanzierungsberechnung genau bestimmt werden, da sich das Gestein mit einem grossen Volumen von Schmelze im Gleichgewicht befand. Die Zusammensetzungen der wässerigen Schmelzen sind ähnlich zu denen von Kimberliten der Gruppe II, wenn man sie unter Nichtberücksichtigung der flüchtigen Elemente vergleicht. Es wird ein Modell vorgeschlagen, in dem sich Kimberlite der Gruppe II in kratonischer Lithosphere bilden, die vorher teilweise aufgeschmolzen war, aber dann metasomatisch überprägt wurde, so dass als Resultat dem Gestein 1.7 Gew.% Phlogopit hinzugefügt wurden. Die Parameter des Modells sind durch die Verteilungskoeffizienten zwischen Mineralen und Schmelze von H2O und K2O bedingt, was auf ein Aufschmelzen unter adiabatischen Bedingungen schliessen lässt. Die H2O–Gehalte der Mineralphasen innerhalb der Peridotite wurden mit der Ionensonde und elastische Rückstreudetektionsanalyse gemessen. Mithilfe der bekannten H2O-Gehalte wurden die Verteilungskoeffizienten zwischen Schmelze und Olivin, Klinopyroxen, Orthopyroxen und Granat bestimmt. Mit diesen Ergebnissen wurde dann die Inizierung und das Ausmass der Schmelzbildung bei Bedingungen von 180 km Tiefe unter einem mittelozeanischen Rücken als Funktion des H2O-Gehalts des Gesamtmantelgesteins untersucht. Die Resultate deuten darauf hin, dass die gegenwärtigen Abschätzungen für den H2O-Gehalt des verarmten Mantels (50-200 ppm Gew. H2O) nicht ausreichend sind um Schmelzbildung unter diesen Bedingungen zu induzieren, die ~700 ppm Gew. H2O für 0.1 % Schmelze, bzw. 1600 ppm Gew. H2O für 1 % Schmelze erfordert. Unter diesen Bedingungen kann jedoch Aufschmelzung in dem Mantel-Entstehungsbereich von Ozeaninsel-Basalten (OIB) induziert werden, für den Wassergehalte von ca. 900 ppm Gew. H2O abgeschätzt werden. Falls die adiabatischen Temperaturen in diesen Bereichen 200 °C höher sind, können Aufschmelzungsgrade von 1 % in einer Tiefe von 180 km erreicht werden. Darüberhinaus wird auf Basis der Verteilung von H2O zwischen den Mineralen ein Modell präsentiert, das die Verteilung von H2O zwischen den Peridotit-Mineralphasen als Funktion der Tiefe bei H2O-untersättigten Bedingungen vorhersagt. Das Modell sagt ausserdem voraus, dass bei einem konstanten H2O-Gehalt des Mantels von 200 ppm Gew. der Anstieg des H2O-Gehalts von Olivin mit der Tiefe nur durch die Änderungen der Verteilungskoeffizienten und der Mineralkomponenten bestimmt wird. Die Ergebnisse dieses Modells liefern daher auch eine mögliche Erklärung für die Reduzierung der seismischen Anisotropie des Erdmantels, die bei Tiefen >200 km beobachtet wird. Weitere Experimente wurden bei 6 und 13 GPa in den vereinfachten Systemen Mg2SiO4-H2O und MgSiO3-H2O durchgeführt, um den Einfluss von H2O auf die Schmelzpunkterniedrigung zu bestimmen. Schmelzphasenbeziehungen wurden mithilfe eines einfachen thermodynamischen Modells untersucht, das die fast vollständige Dissoziierung von H2O zu dem bei diesen Bedingungen an Komponenten der Silikatschmelze gebundenem OH- beinhaltet, wobei die Resultate für Forsterit bei 13 GPa aufgrund der Unsicherheiten bei der wasserfreien Schmelztemperatur nicht schlüssig sind. Dieses einfache Modell kann allerdings die Schmelzpunkterniedrigung durch H2O für peridotitische Schmelzen nicht erklären, was darauf hindeutet, dass Modelle für Schmelzbildung unter Wassereinfluss in einfachen Systemen nur wenige Hinweise auf das Verhalten von H2O in natürlichen Schmelzzusammensetzungen geben. Darüberhinaus wurden H2O Verteilungskoeffizienten als Funktion der Temperatur für die Endgliedzusammensetzungen Forsterit und Enstatit bei 6 und 13 GPa bestimmt. Dabei war die Temperaturabhängigkeit der Verteilungskoeffizienten – mit Ausnahme von Forsterit bei 13 GPa – nur sehr gering. Um den Einfluss von CO2 auf den H2O Verteilungskoeffizienten zwischen Mineralen und Schmelze zu bestimmen, wurden Experimente im System MgO-SiO2-H2O-CO2 bei 13 GPa durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass bei einem Gewichtsverhältnis CO2/(CO2+H2O) von 0.3 der H2O Verteilungskoeffizient von Forsterit um 50 % gegenüber dem CO2-freien Verteilungskoeffizient reduziert ist, wie es durch einen signifikant geringeren H2O-Gehalt von Forsterit in diesem Fall dokumentiert wird. Dieser Effekt veringert sich mit ansteigender Temperatur und muss durch die starke Wechselwirkung von H2O und CO2 in wässerigen Schmelzen verursacht sein. Die Ergebnisse implizieren auch, dass sich an der Basis des oberen Erdmantels H2O-CO2-haltige Schmelzen unter adiabatischen Bedingungen bilden können, wenn so geringe Wassergehalte wie 250 ppm Gew. H2O im Mantel vorhanden sind. Dieser dramatische Einfluss von CO2 auf die Verteilungskoeffizienten von H2O zwischen Mineralphasen und Schmelze könnte auch seismische Beobachtungen erklären, die als das Auftreten von Schmelzen an der Basis des oberen Erdmantels interpretiert werden.