Planetary Materials Studied by Time-Resolved X-ray Diffraction under Compression in Dynamic Diamond Anvil Cells

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Méndez, Alba S. J.:
Planetary Materials Studied by Time-Resolved X-ray Diffraction under Compression in Dynamic Diamond Anvil Cells.
Bayreuth , 2021 . - XI, 135 S.
( Dissertation, 2020 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Investigating the physical properties of minerals at extreme pressures and temperatures is crucial for understanding the interior structure of planetary bodies and unravelling their formation and evolution. Earth’s interior is characterized by hosting an iron-rich core enveloped by a mantle with a composition dominated by MgSiO3 and (Mg,Fe)O. One of the aspects that make Earth different from other terrestrial bodies in our Solar System is the presence of liquid H2O. Out of the Solar System, Earth-like exoplanets have caught attention as their composition might be analogous to Earth. Depending on the materials available during their formation, Earth-like exoplanets could have accumulated larger amounts of H2O as compared to Earth (ocean planets). Current models for ocean planets assume an interior structure analogous to Earth, with an additional layer overlying the silicate mantle: an icy mantle of high-pressure ice VII/ice X at the bottom of a liquid ocean. Experimental data on the phase diagram and physical properties of these candidate mantle minerals at high-pressure/-temperature are essential to constrain current planetary interior models. Here, a novel experimental approach was implemented to investigate the compression behavior of planetary materials at extreme conditions. A piezo-driven dynamic Diamond Anvil Cell (dDAC) was employed to generate high pressures. Time-resolved X-ray diffraction was used to characterize the evolution of unit cell volumes (V) with pressure (P). The combination of the dDAC with extremely sensitive X-ray detectors allowed for the collection of diffraction images with high temporal resolution while the sample is being compressed. The uniquely dense sampling of pressure and volume in our data allowed to directly determine changes in the bulk modulus by local differentiation of V(P) without having to rely on an equation-of-state formulation. A resistively-heated dDAC (RHdDAC) was implemented for conducting experiments at simultaneous high-P/T. Using this approach, the compression behavior of two planetary materials, H2O ice and (Mg,Fe)O ferropericlase, was investigated in this thesis. H2O crystallizes as ice VII at a pressure of about 2 GPa, a molecular solid characterized by a body centered cubic (bcc) arrangement of oxygens. Increasing pressure triggers the dissociation of H2O molecules towards the formation of ice X, an atomic solid also presenting a bcc crystal lattice. The ice VII – ice X transition proceeds through the symmetrization of the hydrogen-bonds and the formation of intermediate stages without a change in crystallographic symmetry. The continuous nature of this transformation makes its characterization very complicated and no consensus on the transition pressure range has emerged in the literature. Moreover, only a few studies have measured the compression behavior of H2O across the ice VII – ice X transition, and whether or not the H-bond symmetrization has any effect remains unclear. Here, the ice VII – ice X transition was studied in the dDAC up to pressures of about 180 GPa while collecting time-resolved X-ray diffraction. The bulk modulus of H2O ice was directly derived from quasi-continuous V(P) data showing three changes in compression behavior in the ranges of 35-45, 50-55 and 90-110 GPa. The observed changes are in perfect agreement with previous computational results, showing that the H-bond symmetrization influences the high-pressure compressibility of H2O. Preliminary high-temperature data were collected in the RHdDAC across the ice VII –ice X transition, covering a large portion of the phase diagram, to show the potential of the RHdDAC to study thermal effects on the compression behavior of H2O ice. (Mg,Fe)O ferropericlase undergoes changes in compression behavior as a consequence of a change in the spin state of iron at high pressure. The iron spin crossover is a gradual transformation accompanied by an elastic softening of the bulk modulus of ferropericlase starting at 40 GPa at room temperature. Several experimental and computational studies have shown that the pressure range over which the spin crossover occurs and the magnitude of the elastic softening are sensitive to iron content and stress conditions. However, the reported transition ranges differ considerably. Furthermore, although it has been suggested that iron-iron interactions may cause a broadening of the transition pressure range, these effects have not been investigated. Here, the compression behavior (Mg,Fe)O was investigated in the dDAC up to pressures of about 100 GPa while collecting time-resolved X-ray diffraction. Complementary ab-initio calculations were performed to investigate the effect of iron-iron interactions on the elastic softening across the spin crossover. Both experiments and computations are in perfect agreement, showing a broad and asymmetric softening of the bulk modulus of (MgFe)O at pressures between about 40 and 80 GPa, with possible implications for the seismic signature of the spin crossover in the lower mantle. First high-T data were collected in the RHdDAC up to temperatures of 1400 K showing the potential of the RHdDAC to explore thermal effects on the compression behavior of (Mg,Fe)O at high pressure.

Abstract in weiterer Sprache

Die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von Mineralien unter extremen Drücken und Temperaturen ist grundlegend für das Verständnis der inneren Struktur von planetaren Körpern, ihrer Entstehung und Evolution. Das Erdinnere ist charakterisiert durch einen eisenreichen Kern umgeben von einem Mantel, dessen Zusammensetzung vor allem durch MgSiO3 und (Mg,Fe)O bestimmt wird. Einer der Aspekte, der die Erde von anderen Himmelskörpern unseres Sonnensystems unterscheidet, ist das Vorhandensein von flüssigem H2O. Außerhalb des Sonnensystems haben erdähnliche Exoplaneten unser Interesse geweckt, da ihre Zusammensetzung der Erde ähnlich sein könnten. Abhängig von den Materialien, die während ihrer Entstehung zur Verfügung standen, könnten erdähnliche Exoplaneten größere Mengen Wasser akkumuliert haben (Ozeanplaneten). Aktuelle Modelle für Ozeanplaneten nehmen eine innere Struktur analog der der Erde an mit einer zusätzlichen Schicht oberhalb des Silikatmantels: ein Eismantel aus Hochdruck Eis VII/Eis X am Grunde des flüssigen Ozeans. Experimentelle Daten des Phasendiagramms und der physikalischen Eigenschaften der möglichen Mineralkandidaten dieses Mantels unter hohen Drücken/Temperaturen sind unabdingbar, um die derzeitigen Planetenmodelle zu verbessern. In dieser Arbeit wurde eine neue, experimentelle Herangehensweise umgesetzt, um das Kompressionsverhalten planetarer Materialien unter extremen Bedingungen zu untersuchen. Eine piezo-getriebene dynamische Diamantstempelzelle (dynamic diamond anvil cell; dDAC) wurde eingesetzt, um hohe Drücke zu erreichen. Zeitaufgelöste Röntgendiffraktion wurde verwendet, um die Entwicklung des Einheitszellenvolumens (V) und des Drucks (P) zu charakterisieren. Die Kombination aus dDAC und hochempfindlichen Röntgendetektoren erlaubte es, Diffraktionsbilder mit hoher zeitlicher Auflösung während der Kompression aufzunehmen. Diese einmalig hohe Dichte an Messpunkten erlaubte es, die Änderungen des Kompressionsmoduls direkt aus der lokalen Ableitung von V(P) zu bestimmen ohne dafür auf eine Zustandsgleichung zurückgreifen zu müssen. Eine widerstandsgeheizte dDAC (RHdDAC) wurde eingesetzt, um Experimente mit hohem Druck und Temperatur parallel durchzuführen. Mit dieser Herangehensweise wurde das Kompressionsverhalten von zwei Mineralien, H2O Eis und (Mg,Fe)O Ferroperiklas, in dieser Arbeit untersucht. Wasser kristallisiert bei Drücken von etwa 2 GPa als Eis VII, einem Molekülkristall bestimmt durch eine kubisch raumzentrierte Anordnung des Sauerstoffs. Eine Erhöhung des Drucks bedingt die Dissoziation der H2O Moleküle und Entstehung von Eis X, einem Ionenkristall ebenfalls mit kubisch raumzentriertem Gitter. Die Eis VII – Eis X Umwandlung geschieht durch die Symmetrisierung der Wasserstoffbindungen und Bildung von Intermediaten ohne einer Änderung der kristallographischen Symmetrie. Der kontinuierliche Charakter dieser Transformation macht die Bestimmung äußerst kompliziert und bisher gibt es in der Literatur keinen Konsens über den Druckbereich, in welchem die Umwandlung stattfindet. Darüber hinaus haben nur wenige Studien das Kompressionsverhalten von H2O über den Übergang von Eis VII zu Eis X hinweg untersucht. Ob die Symmetrisierung der H-Bindungen einen Einfluss hat, ist weiterhin unklar. Hier wurde der Eis VII – Eis X Übergang in einer dDAC bis zu Drücken von 180 GPa unter kontinuierlicher Aufnahme von Röntgendiffraktogrammen untersucht. Das Kompressionsmodul von H2O Eis wurde direkt aus den quasi-kontinuierlichen V(P) Daten abgeleitet und zeigt drei Phasen des Kompressionsverhaltens in den Druckbereichen 35-45, 50-55 und 90-110 GPa. Die beobachteten Veränderungen sind in perfekter Übereinstimmung mit vorhergehenden Berechnungen und zeigen, dass die H-Bindungssymmetrisierung einen Einfluss auf die Hochdruck-Kompressibilität von H2O hat. Hochtemperaturdaten wurden in einer RHdDAC über den Eis VII – Eis X Übergang aufgenommen und decken einen großen Teil des Phasendiagramms ab. Diese Daten zeigen das Potential der RHdDAC für Studien thermischer Effekte auf das Kompressionsverhalten von H2O mit Relevanz für das Innere von Planeten. (Mg,Fe)O Ferroperiklas durchläuft Veränderungen im Kompressionsverhalten als Konsequenz aus der Änderung des Spinzustandes des Eisens bei hohen Drücken. Der Übergang des Spins ist eine graduelle Transformation begleitet von elastischer Erweichung des Kompressionsmoduls von Ferroperiklas ab 40 GPa bei Raumtemperatur. Verschiede experimentelle und rechenergestützte Studien haben gezeigt, dass der Druckbereich, in dem der Spinübergang stattfindet, und der Grad der elastischen Erweichung vom Eisengehalt und den Druckbedingungen abhängen. Allerdings weichen die veröffentlichten Übergangsbereiche stark voneinander ab. Obwohl vermutet wurde, dass die Eisen-Eisen Wechselwirkungen der Ursprung der Verbreiterung des Übergangsdruckbereichs sind, wurden diese Effekte bisher nicht untersucht. Hier wurde das Kompressionsverhalten von (Fe,Mg)O in einer dDAC bis zu Drücken von etwa 100 GPa unter kontinuierlicher Aufnahme von Röntgendiffraktogrammen untersucht. Ergänzende ab-initio Berechnungen wurden durchgeführt, um den Effekt der Eisen-Eisen Wechselwirkung auf die elastische Erweichung während des Spinübergangs zu untersuchen. Die rechnergestützten Ergebnisse basieren auf mehreren Modellen mit zufälliger Anordnung des Eisens und nehmen eine reguläre Lösung für high und low Spins an. Experimente und Berechnungen sind in hervorragender Übereinstimmung und zeigen eine breite und asymmetrische Erweichung des Kompressionsmoduls von (Fe,Mg)O bei Drücken zwischen ca. 40 und 80 GPa. Dies hat möglicherweise Implikationen für die seismische Signatur des Spinübergangs im unteren Mantel. Hochtemperatur Daten aufgenommen in einer RHdDAC bei Temperaturen bis zu 1400 K zeigen das Potential der RHdDAC zur Untersuchung thermischer Effekte auf die Kompressibilität von (Fe,Mg)O bei hohen Temperaturen.