The effect of iron on the stability, water content and compressibility of mantle silicates – Implications for a hydrous Martian interior

Titelangaben

Ganskow, Geertje:
The effect of iron on the stability, water content and compressibility of mantle silicates – Implications for a hydrous Martian interior.
Bayreuth , 2010
( Dissertation, 2010 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Summary This thesis addresses three different effects of Fe on the properties of nominally anhydrous transition minerals and dense hydrous Mg-silicates. Furthermore, the potential presence of dense hydrous Mg-Fe silicates (DHMS) in the Martian interior and the water storage potential of a hydrous Martian mantle are evaluated. 1. The effect of iron on the water content of ringwoodite The results show that the water contents of Fe-rich ringwoodites of about 0.4-0.7 wt% H2O are considerably reduced compared to pure Mg-ringwoodite. Thus, the ringwoodite samples show an inverse correlation of Fe- and water content. The Mg-site octahedra represent the favored protonation site in ferroan ringwoodites corresponding to the Mg2+=2H+ water substitution mechanism. In addition, Fe3+ diminishes the water content of ringwoodites due to the reduction of potential protonation sites. This is caused by the creation of Mg-site vacancies by the oxidation of Fe and the occupation of octahedral sites by Fe-atoms, which are probably not involved in water substitution mechanism. These results indicate that less water can be stored in nominally anhydrous mantle silicates of Fe-rich planetary mantles. 2. The effect of iron on the compressibility of hydrous ferroan ringwoodite The effect of Fe on the compressibility of ringwoodite is particularly important for the interpretation of the structure of Fe-rich planetary interiors such as the Martian mantle. Measurements at ambient conditions yield to unit-cell lattice parameters of a=8.1597(6) Å and V=543.28(13) ų (run 3854) and a=8.1384(3) Å and V=539.03(7) ų (run 4218). The P-V data were fitted with a second-order Birch-Murnaghan equation of state. The first pressure derivative of the bulk modulus, K´, was fixed to the value of 4 yielding to the following refined equation of state parameters: V0=543.32(7) ų and KT0=186.5(9) GPa (run 3854) and V0=539.01(5) ų and KT0=184.1(7) GPa (run 4218). Structural refinements indicate significant octahedral vacancies in sample 4218 due to the presence of 0.1 Fe3+ a.p.f.u. and the substitution of ~0.37 wt% H2O. The values of bulk modulus of (Mg,Fe)2SiO4-ringwoodites found in this study are very similar to that of the Fe-endmember ringwoodite, which suggests that the Fe substitution has little effect on the compressibility of ringwoodite. This also indicates that the close-packing of oxygens of the spinel structure is the major factor in determining its compressibility. This cannot be affected by the presence of up to 0.1 a.p.f.u. of vacancies. 3. The effect of iron on the stability of hydrous mantle silicates The transformation pressure of olivine to wadsleyite (simple Martian mantle composition) is lowered by 2 GPa. The shifts of stability fields toward lower pressures are possibly caused by the presence of Fe3+ and H2O. The shift of the olivine-wadsleyite transition would result in an extended upper mantle transition zone, compared to the anhydrous mantle, and consequently yield an increased water storage potential of the Martian mantle. The DHMS, phase D and superhydrous B (SHyB) show stabilities up to 1300°C at 23 GPa (phase D, MgFeSiO4+9.5 wt% H2O bulk composition) and for the simple Martian mantle composition up to 1450°C at 20.5 GPa (phase D and SHyB), which represents a higher stability of DHMS than previously reported. This suggests that phase D and SHyB are relevant DHMS in Fe-rich mantles of planetary systems. 4. The potential presence of dense hydrous Mg-Fe silicates in the Martian interior and the water storage potential of a hydrous Martian mantle This experimental study of mantle silicates indicates that the Martian mantle consists basically of upper mantle with olivine, garnet and pyroxene, as well as upper and lower transition zone build up by wadsleyite and ringwoodite together with pyroxene and majoritic-garnet, respectively. The water contents of wadsleyite with 0.6 wt% H2O and ringwoodite with 1.1 wt% H2O are reduced compared to the Mg-endmembers. The Martian transition zone, however, shows the largest water storage capacity since the upper mantle mineral olivine accommodates up to 0.3 wt% H2O. Pressure and temperature conditions at the core-mantle boundary are insufficient to reach the perovskite stability field, i.e. a lower Martian mantle cannot be expected based on the results of this study. These results imply that significant amounts of water can be stored in the Martian transition zone as well as the upper mantle. In addition, DHMS would be stable up to 1450°C at 20.5 GPa in a hydrous Martian mantle model. On the basis of thermal evolution models of the Martian mantle, and Fe partitioning data between mineral phases and melt it is discussed that DHMS may form in the Martian interior at P-T conditions corresponding to the lower Martian transition zone.

Abstract in weiterer Sprache

Zusammenfassung In dieser Arbeit werden drei verschiedene Effekte des Eisens auf die Eigenschaften von nominell wasserfreien Mineralphasen und dichten wasserhaltigen Mg-silikaten behandelt (DHMS). Des Weiteren wird die Möglichkeit des Auftretens dichter wasserhaltiger Mgsilikate im Inneren des Mars und die potenzielle Wasseraufnahmefähigkeit eines wasserhaltigen Marsmantels diskutiert. 1. Der Einfluss des Eisens auf den Wassergehalt von Ringwoodit (Rw) Die Ergebnisse zeigen, dass die Wassergehalte von eisenreichen Ringwooditen (0.4-0.7 gew% H2O) im Vergleich zu dem reinen Mg-Endglied deutlich reduziert sind. Ringwoodit zeigt demnach eine negative Korrelation zwischen Eisen- und Wassergehalt, so dass ein sehr niedriger Wassergehalt des Fe-Endglieds zu erwarten ist. Mg-Oktaeder stellen die bevorzugten Protonierungspositionen in eisenhaltigen Ringwooditen dar, entsprechend der Substitution Mg2+=2H+. Eisen reduziert vermutlich die Anzahl möglicher Protonierungspositionen auf zwei Arten, zum einen durch die Bildung von Mg-Leerstellen, als Folge der Eisenoxidation. Zum anderen scheint Fe nicht direkt an den Wassereinbaumechanismen beteiligt zu sein, so dass der Einbau von Fe grundsätzlich die Anzahl der Protonierungsstellen reduziert. Diese Resultate deuten an, dass weniger Wasser in eisenreichen planetaren Mänteln durch nominell wasserfreie Silikate gespeichert werden kann. 2. Der Einfluss des Eisens auf die Kompressibilität von wasser- und eisenhaltigem Ringwoodit Das Wissen über den Einfluss des Eisens auf die Kompressibilität von Ringwoodit ist insbesondere wichtig für die Interpretation der Struktur von eisenreichen planetaren Mänteln, wie zum Beispiel des Marsmantels. Die Messungen bei Umgebungsbedingungen haben die Elementarzellen-Parameter a=8.1597(6) Å und V=543.28(13) Å3 (Exp. 3854) und a=8.1384(3) Å und V=539.03(7) Å3 (Exp. 4218) ergeben. Die Druck-Volumen-Daten wurden mit einer Birch-Murnaghan-Zustandsgleichung zweiter Ordnung angepasst. Die erste Ableitung des Kompressionsmoduls K nach dem Druck, K´, wurde auf den Wert von 4 festgelegt, was folgende verfeinerte Parameter ergibt: V0=543.32(7) Å3 und KT0=186.5(9) GPa (Exp. 3854) and V0=539.01(5) Å3 und KT0=184.1(7) GPa (Exp. 4218). Die ermittelten K-Werte von (Mg,Fe)2SiO4 Ringwooditen sind vergleichbar mit den Werten des Fe- und Mg-Endglieds, was darauf hinweist, dass die Fe-Substitution keinen nachweisbaren Einfluss auf die Kompressibilität von Ringwoodit hat. Daher lässt sich schlussfolgern, dass die dichteste Kugelpackung der Sauerstoffatome in der Spinell-Struktur im wesentlichen die Kompressibilität von Ringwoodit bestimmt. 3. Der Einfluss des Eisens auf die Stabilität von wasserhaltigen Mantelsilikaten Der Transformationsdruck des Olivin-Wadsleyit-Übergangs ist für die vereinfachte Marsmantel-Zusammensetzung um 2 GPa verringert. Diese Stabilitätsverschiebungen zu niedrigerem Druck sind vermutlich durch die Gegenwart von Fe3+ und H2O bedingt. Die Verschiebung des Olivin-Wadsleyit-Übergangs würde im Vergleich zum wasserfreien System in einer ausgedehnteren oberen Übergangszone des Marsmantels resultieren, was einer erhöhten Wasseraufnahmefähigkeit des Marsmantels entsprechen würde. Die DHMS, Phase D und Superhydrous B, sind bis zu Temperaturen von 1300°C bei 23 GPa (Phase D, MgFeSiO4+H2O System) und 1450°C bei 20.5 GPa (vereinfachte Marsmantel-Zusammensetzung) stabil. Dies stellt eine erhöhte Stabiliät von DHMS in Hinsicht auf vorhergehende Literaturdaten dar. Daher kann angenommen werden, dass Phase D und Superhydrous B in eisenreichen Mänteln von planetaren Systemen auftreten könnten. 4. Das potenzielle Auftreten von dichten wasserhaltigen Magnesiumsilikaten im Inneren des Mars und die Wasseraufnahmefähigkeit eines wasserhaltigen Marsmantels Die experimentelle Studie von wasserhaltigen Silikaten in einem Mars-ähnlichen System zeigt, dass der Marsmantel hauptsächlich aus einem oberen Mantel mit Olivin, Granat und Pyroxen und einer Überganszone besteht, welche aus Wadsleyit und Ringwoodit sowie Pyroxen und Majorit-Granat aufgebaut ist. Die Wassergehalte von Wadsleyit (0.6 Gew% H2O) und Ringwoodit (1.1 Gew% H2O) sind im Vergleich zu dem Mg-Endglied verringert. Dennoch zeigt die Übergangszone des Marsmantels die höchste Wasseraufnahmefähigkeit, da Olivin nur bis zu 0.3 Gew% H2O im oberen Mantel aufnimmt. Diese Ergebnisse zeigen, dass bedeutende Mengen an Wasser in der Überganszone und dem oberen Mantel des Mars gespeichert werden können. Die dichten wasserhaltigen Mg-silikate, Phase D und Superhydrous B, sind bis 1450°C und 20.5 GPa stabil. Daher wurde auf der Grundlage von thermischen Evolutionsmodellen und Eisenverteilungsdaten zwischen Mineralphasen und Schmelze das potenzielle Auftreten von DHMS im Marsinneren erörtert. Diese DHMS könnten im Marsmantel unter Temperatur-Druck-Bedinungen gebildet werden, die der unteren Überganszone des Mantels entsprechen.