Dissertation/Thesis Abstract

Physical and Chemical Constraints on Core-Mantle Differentiation in Terrestrial Planets
by Mann, Ute, Ph.D., Universitaet Bayreuth (Germany), 2007, 150; 27600451
Abstract (Summary)

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.

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Advisor:
Commitee:
School: Universitaet Bayreuth (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 81/4(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Geochemistry, Petrology, Geology, Geophysics
Keywords: Core-mantle differentiation
Publication Number: 27600451
ISBN: 9781687901187
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