Constraints on Magma Ocean Crystallization in the Early Earth: Experiments, Thermodynamics and Ab initio simulations

Titelangaben

Yao, Jie:
Constraints on Magma Ocean Crystallization in the Early Earth: Experiments, Thermodynamics and Ab initio simulations.
2021 . - VIII, 125 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Giant impact events in the early Earth have led to large-scale melting, potentially up to the entire planet becoming liquid. Some highly fractioned residual melt may have persisted at the base of the mantle contributing to the existence of ultra-low velocity zones and large low shear velocity provinces. The crystallization of silicate melt from the magma ocean, or residual reservoirs, therefore provides an important constraint on chemical differentiation and possible initial stratification in the Earth. Characterizing and modelling melting relations in the system MgO-SiO2 at lower mantle pressures (P) relies on the location of the eutectic points for MgO-MgSiO3 and MgSiO3-SiO2. While at an uppermost lower mantle pressure (P~25 GPa) there is general consensus on the eutectic composition in the MgO-MgSiO3 system, large discrepancies exist for MgSiO3-SiO2 from experiments in the diamond anvil cell and ab-initio simulations, as well as models built on them. In order to address this discrepancy, we have performed multi-anvil press experiments at 24 GPa for Mg0.4Si0.6O1.6 and Mg0.3Si0.7O1.7 at temperatures (T) of 2650 ± 100 K and 2750 ± 100 K. At 2750 ± 100 K, we observe the presence of partial melt, and the recovered sample from the experiment with Mg0.4Si0.6O1.6 starting composition shows SiO2 stishovite as the liquidus phase, and electron microprobe analysis determines XSiO2 = 0.53 ± 0.03 as the eutectic composition. Based on the experimental results, we fit a thermodynamic model for the melting relations in the MgO-SiO2 system and extrapolate to core-mantle boundary pressure. At 136 GPa, we predict that the eutectic points have moved further away from MgSiO3, and solidus temperatures are similar for MgO-MgSiO3 and MgSiO3-SiO2. We have further extended the melting experiments in the multi-anvil press at 24 GPa to compositions along the MgSiO3-FeSiO3 join, with starting compositions Mg0.9Fe0.1SiO3, Mg0.8Fe0.2SiO3, Mg0.7Fe0.3SiO3 and Mg0.5Fe0.5SiO3, heated to 2650 ± 100, 2615 ± 100, 2580 ± 100 and 2510 ± 100 K, respectively. Scanning electron microscope images of the recovered samples show coexisting bridgmanite solid with melt. From their chemical analysis by electron microprobe, we determine KD = (Fesolid/Mgsolid)/(Feliquid/Mgliquid), the iron equilibrium constant. With increasing FeSiO3 content of the starting composition, it decreases quasi-linearly from KD ~ 0.31 ± 0.07 to ~ 0.22 ± 0.02. We construct a thermodynamic model for the FeO-MgO-SiO2 system based on these partitioning data and the melting curve of the endmembers, and binary melting phase diagrams along the MgO-SiO2, MgSiO3-FeSiO3, MgO-FeO, FeO-SiO2 systems are calculated at 24 and 136 GPa. At 24 GPa they compare favorably with available experimental phase relations that were not used as constraints. At core mantle boundary conditions, we find that iron partition strongly into the melt. The lower solidus T of FeO-rich melts provides a possible explanation for low velocity features in the lowermost mantle. Melt density is a key parameter affecting the dynamic process of magma ocean crystallization. We have performed molecular dynamic simulation of liquid Mg28Fe4Si16O64 and Mg32Si16O64 over a wide compression range (reaching 370 GPa) at 3000 K, based on density functional theory, using the generalized gradient approximation plus local Coulomb repulsion (GGA + U) approach. We find iron in Mg28Fe4Si16O64 in a high-spin state with an average magnetic moment of 4.0 ± 0.1 μB up to 35 GPa, followed by a quasi-linear decrease with P, reaching 0.5 ± 0.4 μB at 370 GPa. We explore melt structure and fit the isothermal Pvolume results using the Tait equation of state. Partial molar volumes of FeO and MgO are virtually identical across the whole P range, which is also reflected in very similar radial distribution functions. Based on the molar weight difference alone, olivine melt with 25%mol of Fe2SiO4 shows higher density than seismic models for the Earth mantle above ~85 GPa, suggesting that a basal magma ocean in the early earth may have been gravitationally stable given the high iron equilibrium constant predicted from our thermodynamic model. Experimental measurements of the structure and physical properties of silicate liquids are challenging due to their high melting point. Many experiments therefore rely on silicate glass, quenched from the melt. The extent to which they represent liquid structure, however, cannot be unambiguously evaluated. We have therefore performed molecular dynamics simulations based on density functional theory for Mg2SiO4 and MgSiO3 melt at 2000 K and glass at 300 K, cooled from the melt with different rates: immediate quench and 0.1 K per femtosecond (slow cooling). Analyzing the resulting glass and melt structure by means of total and partial radial distribution functions and structure factors, we find that slowly cooled glass shows more structural features than the quench or melt. Differences in total X-ray and neutron structure factors are too small between them, and too large between different measurements, to understand whether the cooling effects are reflected in experiments.

Abstract in weiterer Sprache

Riesige Impaktereignisse haben in der frühen Erde zu großflächigem Schmelzen geführt, die möglicherweise den gesamten Planeten verflüssigt haben. Einige stark fraktionierte Restschmelzen könnten bis heute an der Basis des Erdmantels verblieben sein und zur Existenz von Zonen mit extrem niedrigen Geschwindigkeiten und großen Regionen mit niedrigen Schergeschwindigkeiten beitragen. Die Kristallisation von Silikatschmelze aus dem Magmaozean oder aus den Restreschmelzen ist daher ein wichtiger Schritt in der chemischen Differenzierung der Erde, und einer möglichen Schichtung früh in ihrer Geschichte. Die Charakterisierung und Modellierung der Phasenbeziehungen im Gleichgewicht mit der Schmelze im binären System MgO-SiO2 bei Drücken des tiefen Erdmantels wird von der Lage der eutektischen Punkte für MgO-MgSiO3 und MgSiO3-SiO2 bestimmt. Während für die eutektische Zusammensetzung für MgO-MgSiO3 bei Drücken des oberen tiefen Erdmantels (~25 GPa) allgemeiner Konsens besteht, gibt es für MgSiO3-SiO2 große Unterschiede zwischen Experimenten in der Diamantstempelzelle und ab-initio Simulationen sowie darauf aufbauenden Modellen. Um diese Diskrepanz zu beheben, haben wir Experimente in der Vielstempelpresse für Mg0.4Si0.6O1.6 und Mg0.3Si0.7O1.7 bei 24 GPa und Temperaturen von 2650 ± 100 K und 2750 ± 100 K durchgeführt. Bei 2750 ± 100 K beobachten wir das Auftreten partieller Schmelze und die Probe mit Mg0.4Si0.6O1.6 als Ausgangszusammensetzung weißt SiO2-Stishovit als Phase am Liquidus auf. Eine Analyse der abgeschreckten Schmelze mit Hilfe der Elektronenmikrosonde ergibt XSiO2 = 0.53 ± 0.03 als eutektische Zusammensetzung. Aufbauend auf die experimentellen Ergebnisse entwickeln wir ein thermodynamisches Modell für die Schmelzbeziehungen im binären für MgO-SiO2 System, und extrapolieren zum Druck an der Kern-Mantel-Grenze. Dieses Modell sagt voraus, dass sich die eutektischen Punkte bei 136 GPa weiter von MgSiO3 entfernt haben, und die Temperaturen am Solidus für MgO-MgSiO3 und MgSiO3-SiO2 ähnlich sind. Wir haben die Schmelzexperimente in der Vielstempelpresse bei 24 GPa auf das System MgSiO3-FeSiO3 ausgedehnt, mit den Ausgangszusammensetzungen Mg0. 9Fe0.1SiO3, Mg0.8Fe0.2SiO3, Mg0.7Fe0.3SiO3 und Mg0.5Fe0.5SiO3, bei Temperaturen von 2650 ± 100, 2615 ± 100, 2580 ± 100 bzw. 2510 ± 100 K. Aufnahmen der entnommenen Proben mit dem Rasterelektronenmikroskop zeigen die Koexistenz von Bridgmanit und Schmelze. Aus der chemischen Analyse mittels Elektronenmikrosonde kann die Gleichgewichtskonstante KD = iv (Fesolid/Mgsolid)/(Feliquid/Mgliquid) für Eisen bestimmt werden: Mit zunehmendem FeSiO3- Gehalt sinkt KD quasi-linear von ~0.31 ± 0.07 auf ~0.22 ± 0.02. Auf Grundlage dieser Verteilungsdaten und der Schmelzkurve der Oxide wird ein thermodynamisches Modell für das System FeO-MgO-SiO2 konstruiert, und binäre Schmelzphasendiagramme für die Systeme MgO-SiO2, MgSiO3-FeSiO3, MgO-FeO und FeO-SiO2 werden bei 24 und 136 GPa berechnet. Bei 24 GPa zeigen diese eine gute Übereinstimmung mit verfügbaren experimentellen Phasenbeziehungen auf, die nicht in die Modellbildung eingeflossen sind. Bei Bedingungen der Kern-Mantel-Grenze zeigt sich, dass Eisen stark in die Schmelze partitioniert, was, zusammengenommen mit der niedrigere Temperatur des Solidus für FeOreichen Schmelzen, eine mögliche Erklärung für die Niedrig-Geschwindigkeitszonen im untersten Erdmantel bietet. Die Schmelzedichte ist ein Schlüsselparameter, der die Kristallisation des Magmaozeans beeinflusst. Wir haben Molekulardynamiksimulationen für flüssiges Mg28Fe4Si16O64 und Mg32Si16O64 über einen weiten Kompressionsbereich (bis 370 GPa) bei 3000 K durchgeführt, unter Verwendung der generalisierten Gradienten Approximation plus lokaler Coulomb- Abstoßung (GGA + U) innerhalb der Dichtefunktionaltheorie. Wir finden Eisen in Mg28Fe4Si16O64 bis ca. 35 GPa in einem Zustand von hohem Spin, mit einem durchschnittlichen magnetischen Moment von 4.0 ± 0.1 μB. Das magnetische Moment nimmt bei höherem Druck quasi-linear ab, und erreicht 0.5 ± 0.4 μB bei 370 GPa. Wir untersuchen die Schmelzstruktur und passen eine Tait-Zustandsgleichung an die isothermen Druck- Volumen Ergebnisse an. Die partiellen molaren Volumina von FeO und MgO sind über den gesamten Druckbereich praktisch identisch, was sich auch in sehr ähnlichen radialen Verteilungsfunktionen widerspiegelt. Allein aufgrund des Unterschieds im molaren Gewicht weist Olivinschmelze mit 25%mol Fe2SiO4 oberhalb von ~85 GPa eine höhere Dichte auf als der Erdmantel, was darauf hindeutet, dass ein basaler Magmaozean in der frühen Erde gravitativ stabil gewesen sein könnte, wenn man eine hohen KD-Wert annimmt, wie er von unserem thermodynamischen Modell vorhergesagt wird. Experimentelle Messungen der Struktur und der physikalischen Eigenschaften von Silikatflüssigkeiten sind aufgrund ihres hohen Schmelzpunkts schwierig. Viele Experimente stützen sich daher auf Silikatglase, die aus der Schmelze abgeschreckt wurden. Die Frage, ob solche Glase die Struktur der Flüssigkeit repräsentieren, kann jedoch nicht eindeutig beantwortet werden. Wir haben daher Molekulardynamiksimulationen auf der Grundlage der Dichtefunktionaltheorie für Mg2SiO4- und MgSiO3-Schmelzen bei 2000 K und Glas bei 300 K durchgeführt, die mit unterschiedlichen Raten aus der Schmelze abgekühlt wurden: sofortiges Abschrecken und 0.1 K pro Femtosekunde (langsames Abkühlen). Bei der Analyse der resultierenden Glas- und Schmelzstruktur mittels radialer Verteilungsfunktionen und Strukturfaktoren zeigt sich, dass langsam abgekühltes Glas mehr strukturelle Merkmale aufweist als das abgeschreckte Glas und die Flüssigkeit. Die Unterschiede in den berechneten Strukturfaktoren für Röntgen- und Neutronenstrahlung sind jedoch zu gering und zwischen verschiedenen Experimenten zu groß, um zu verstehen, ob sich die Abkühlungseffekte in den Messungen widerspiegeln.