Physical and chemical constraints on core - mantle differentiation in terrestrial planets.

Titelangaben

Mann, Ute:
Physical and chemical constraints on core - mantle differentiation in terrestrial planets.
Bayreuth , 2007
( Dissertation, 2008 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

In this study a physical mechanism and geochemical parameters have been examined in high pressure (P) and high temperature (T) experiments in order to place constraints on the conditions and the manner by which core-mantle differentiation occurred on Earth and terrestrial planets. The wetting characteristics of liquid Fe-Si alloys in a matrix of the respective predominating stable silicate mantle mineral (forsterite, silicate perovskite) at pressures of 2-5 and 25 GPa and temperatures of 1600-2000°C have been studied by determining the liquid metal - solid silicate contact angles. The median angle values from texturally-equilibrated samples were found to be independent of P, T, silicate mineralogy and the Si content in the metal fraction and range between 130° and 140° which is far above the critical wetting boundary of 60°. Therefore, within the studied range of conditions dissolved Si does not lower the surface energies between Fe-rich liquids and silicate mantle grains. As a consequence, under reducing conditions the presence of Si in the metal phase of planetary bodies would not have enhanced percolative flow as an effective metal-silicate separation process. The effects of P, T and oxygen fugacity on the liquid metal - liquid silicate partitioning behaviour of the elements Ta, Nb, V, Cr, Si, Mn, Ga, In and Zn have been studied experimentally over a wide range of high-P and high-T conditions of 2-24 GPa, 1750-2600°C and at low oxygen fugacities of -1.3 to -4.2 log units below the iron wüstite buffer. With the derived parameters the respective element depletions in the mantle can be tested under various conditions suggested in core formation models. These data indicate that Nb can serve as an important constraint on oxygen fugacity and P for metal-silicate equilibration. Core formation must have occurred at conditions significantly greater than 20 GPa in order for Nb not to have been massively depleted under conditions necessary to deplete the weakly siderophile element V. Moreover, our study shows that the volatile elements Mn and Ga, would experience strong fractionations in any core-mantle equilibration scenario at pressures below 60 GPa and temperatures at least as high as the peridotite liquidus, while their observed abundances in the mantle is near-chondritic. To a more extreme extent such an observation has been made for the elements Zn and In for which pressures over 80 GPa may be required to explain their near-chondritic ratio in the mantle. Based on these observations we find strong support for the existence of a deep magma ocean during metal-silicate separation, which is an essential component in current polybaric multi-stage core formation models. Although these models succeed in reproducing the observed mantle abundances of many siderophile elements, and can be constrained based on the partitioning behaviour of elements such as Nb, the observed behaviour of the volatile elements Mn, Ga, Zn and In may call for an additional process. Such a process may be the late accretion of volatiles in material that did not undergo core-mantle separation or strong fractionation processes in the condensing nebula that are reflected in the meteorite record. In a third study, the first liquid metal-liquid silicate partitioning data at high pressures up to 18 GPa and high temperatures up to 2500 °C have been obtained for the highly siderophile elements (HSEs) Ru, Rh, Pd, Re, Ir and Pt. This group of elements presents a number of experimental and analytical difficulties, mainly due to their extreme metal-silicate partition coefficients. In addition to refining the experimental technique we have succeeded in producing suitable standards for trace analysis of these elements in quenched silicates using LA-ICP-MS. This study shows that both increasing P and T would decrease the partition coefficients of all HSEs examined in a way similar to the P effect observed for the siderophile elements Ni and Co. This involves two pressure regimes with a strong decrease of the partition coefficients at < 6 GPa, but only a weak P dependence at higher pressures. This difference in P effect can most likely be assigned to structural changes in the silicate melt. In order for the determined partition coefficients to be used quantitatively in models for the Earth, the data have to be corrected from the experimental level of large HSE-concentrations in the metallic phase to infinite dilution. Using Rh as an example for which data exist to perform such a correction, it can be shown that the principal P and T trend does not change significantly once the correction for dilution is performed. From this we can conclude that the P-effect would not be sufficient to decrease the partition coefficients to a degree that the mantle concentrations of the HSEs could be explained. Therefore, a process such as the accretion of an undifferentiated late veneer seems to be necessary.

Abstract in weiterer Sprache

Ein physikalischer Prozess und verschiedene geochemische Parameter wurden experimentell untersucht, mit deren Hilfe die Bedingungen und Mechanismen, welche bei der Kernbildung der Erde und anderer terrestrischer Planeten eine Rolle spielten, besser eingegrenzt werden können. Die Benetzungseigenschaft von Fe-Si-Legierungen in verschiedener Matrix aus Mantelmineralen (Forsterit, Silikatperowskit) wurde unter Bedingungen von 2-5 und 25 GPa und 1600-2000°C untersucht. Dies erfolgte über die Messung der Winkel am Kontakt von Metallschmelze und jeweils zwei Silikatkörnern. Für die jeweilige Winkelpopulation einer Probe wurde der Medianwert verwendet. Mit 130-140° sind diese Medianwerte deutlich größer als der kritische Winkel für die Benetzung (60°). Die Oberflächenspannung zwischen solchen Fe-Si-Schmelzen und Körnern aus Mantelsilikaten ist somit im Vergleich zu reinen Eisenschmelzen nicht verringert. Unter reduzierenden Bedingungen wurde Perkolation als Separationsmechanismus für metallische Kernschmelzen im Innern von Planeten deshalb nicht durch die Anwesenheit von Si in der Legierung ausgelöst oder begünstigt. In Experimenten unter 2-24 GPa, 1750-2600°C und reduzierenden Bedingungen unterhalb des Eisen-Wüstit-Puffers wurde der Einfluß von Druck (P), Temperatur (T) und Sauerstofffugazität (fo2) auf das Verteilungsverhalten der Elemente Ta, Nb, V, Cr, Si, Mn, Ga, In und Zn zwischen Metall- und Silikatschmelze untersucht. Mit den abgeleiteten Gleichungen für die Verteilungskoeffizienten wurde die theoretische Verarmung dieser Elemente im Erdmantel unter verschiedenen Bedingungen getestet, wie sie in Modellen zur Erdkernbildung vorgeschlagen werden. Die Ergebnisse zeigen, daß sich aus dem Verhalten von Nb eine bedeutende Einschränkung für fo2 und P ableiten läßt. Unter relativ reduzierenden Bedingungen, die notwendig sind, um V mit einer Kernschmelze teilweise aus dem Mantel zu entfernen, sind P > 20 GPa erforderlich, da sonst eine gleichzeitig starke Verarmung von Nb im Mantel erfolgen würde. Es zeigt sich außerdem, daß unter Bedingungen von P < 60 GPa (T am Peridotitliquidus) die volatilen Elemente Mn und Ga eine starke Fraktionierung erfahren würden, was nicht mit dem annähernd chondritischen Verhältnis der beiden Elemente im Erdmantel vereinbar ist. Noch höhere P > 80 GPa wären erforderlich um das nahezu chondritische Verhältnis der volatilen Elemente Zn und In im Erdmantel zu erklären. Diese Beobachtungen unterstützen das Konzept der Existenz eines tiefen Magmaozeans während der Abtrennung des Erdkerns vom silikatischen Mantel, welches Grundbestandteil vieler moderner Kernbildungsmodelle ist. Obwohl es mit diesen Modellen gelingt, die Häufigkeiten vieler siderophiler und schwach siderophiler Element im Erdmantel zu reproduzieren, bedarf es möglicherweise eines zusätzlichen Prozesses, um das beobachtete Verhalten der volatilen Elemente Mn, Ga, In und Zn zu erklären. Eine Möglichkeit dafür wäre die späte Hinzufügung volatiler Elemente über Material, welches keine Kern-Mantel-Differentiation oder starke Fraktionierung durch Kondensationsprozesse im solaren Nebel erfahren hat. In einer weiteren Studie wurde das Verteilungsverhalten der extrem siderophilen Elemente (HSE) Ru, Rh, Pd, Re, Ir und Pt zwischen Metall- und Silikatschmelze unter hohen P bis zu 18 GPa und T bis zu 2500 °C bestimmt. Untersuchungen zu dieser Gruppe von Elementen involvieren einige experimentelle und analytische Schwierigkeiten, v.a. aufgrund ihrer extrem hohen Metall/Silikat-Verteilungskoeffizienten. Als Teil dieses Projekts wurden Glasstandards hergestellt, die für die Analyse von Spuren dieser Elemente in Silikatmaterialien mittels LA-ICP-MS geeignet sind. Es zeigt sich, daß zunehmender P und zunehmende T zu einer Abnahme der Verteilungskoeffizienten aller dieser HSE führen. Dabei können zwei Bereiche mit unterschiedlich starkem P-Effekt unterschieden werden: < 6 GPa erfolgt eine rasche Abnahme der Verteilungskoeffizienten, bei hohen Drücken ist sie nur noch schwach. Dieser Effekt ist vermutlich auf Änderungen in der Silikatstruktur in diesem P-Bereich zurückzuführen. Da die Verteilungskoeffizienten im Experiment für Legierungen mit hohen HSE Konzentrationen bestimmt wurden, muß eine Korrektur der Daten erfolgen, die die Konzentrationsabhängigkeit der jeweiligen Elementaktivitäten in der Legierung berücksichtigt, bevor sie für quantitative Modellrechnungen verwendet werden können. Am Bespiel von Rh, für das die thermodynamischen Daten für eine solche Korrektur verfügbar sind, zeigt sich, daß im Fall unbegrenzter Mischbarkeit keine wesentliche Änderung des beobachteten P- und T-Trends zu erwarten ist. Deshalb ist anzunehmen, daß auch extrem hohe Drücke die HSE Verteilungskoeffizienten nicht ausreichend verringern würden, so daß dadurch die Anwesenheit der HSE im Erdmantel verursacht worden wäre. Ein zusätzlicher Prozeß, z.B. die späte Hinzufügung von undifferenziertem Material, ist deshalb zur Erklärung erforderlich.