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Huang, Rong:
Bridgmanite crystal chemistry and iron content in the Earthʹs lower mantle.
Bayreuth
,
2020
. - III, 212 S.
(
Dissertation,
2020
, Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00004611
Volltext
Abstract
Although the pyrolite model is widely accepted as providing the chemical composition of the Earth’s fertile upper mantle, it is still not clear whether it is also representative of the lower mantle. A comparison between seismic wave velocities in the lower mantle with models for what these velocities should be if the lower mantle has a pyrolitic composition is the only way to ultimately test this assumption. This requires data on mineral elastic properties and a method for determining the proportions and compositions of minerals as a function of depth and bulk composition. The Earth’s lower mantle is comprised mainly of the mineral bridgmanite (Brg), with lesser amounts of ferropericlase (Fp) and CaSiO3 perovskite. In this study multi-anvil experiments have been performed to derive a methodology for determining the compositions of Brg and Fp as a function of bulk composition in the lower mantle. As Brg can contain significant proportions of ferric iron it is also important to predict the composition of Brg as a function of oxygen fugacity. Brg-Fp assemblages have been synthesized with different proportions of Fe and Al and at different oxygen fugacities at 25 GPa and 1973 K. Water was added to some assemblages to induce the growth of large Brg single crystals with differing amounts of Fe2+, Fe3+ and Al. This produced hydrous partial melts that were also examined.
In the first part of the study, single crystal X-ray diffraction measurements were made on ten Brg single crystals with different compositions. Based on these measurements and some data from the literature the partial molar volumes of the main Brg components were determined assuming a linear volume-composition relationship. These volumes, which are essential for the thermodynamic description of Brg chemistry at high pressures, decrease in the order: FeFeO3 > MgFeO2.5 > FeAlO3 > MgAlO2.5 > AlAlO3> FeSiO3 > MgSiO3. All lattice parameters, B-O bond distances, octahedral tilting and polyhedral distortion as well as the spontaneous strain components, e4 and etx, increase with charge coupled M3+M3+O3 (M3+=Al3++Fe3+) and oxygen vacancy MgM3+O2.5 substitution, whereas the octahedral tilting and A-site distortion decrease with Fe2+SiO3 substitution. Calculations based on the bond strengths of individual B-O and A-O lengths suggest that the octahedral tilting of Fe,Al-bearing Brg increases with pressure and point to a more compressible octahedral site and less compressible A-site with respect to the MgSiO3 end-member.
In the second part of this study, the Fe3+ content of Brg was investigated experimentally as a function of composition and oxygen fugacity (fo2). Recovered samples were analyzed using the electron microprobe and Mössbauer spectroscopy. The Brg Fe3+/ΣFe ratio increases with Brg Al content and fo2 and decreases with increasing total Fe content and with temperature. The fo2 dependence was found to decrease with increasing Al content. Thermodynamic models were calibrated to describe Brg and Fp compositions in the Fe-Mg-Si-O and Fe-Al-Mg-Si-O systems as well as the inter-site partitioning of 3+ cations in Brg. These models fit the experimental data very well, particularly given the small number of adjustable terms. The models allow the mineral compositions for plausible mantle bulk compositions to be calculated as a function of fo2 and can be extrapolated to higher pressures using data on the partial molar volumes of Brg components. The results show that Fe-Mg partitioning between Brg and Fp is strongly fo2 dependent, which allows the results of previous contradictory studies to be brought into agreement. For a pyrolite bulk composition with an upper mantle bulk oxygen content, a lower mantle fo2 of IW – 0.8 is indicated with a Brg Fe3+/ΣFe ratio of 0.51 and a bulk rock ratio of 0.28. This requires the formation of 0.6 wt.% Fe-Ni alloy. With increasing pressure, the model predicts a gradual increase in the Fe3+/ΣFe ratio in Brg in contrast to several previous studies. Oxygen vacancies in Brg decrease to practically zero by 40 GPa, likely influencing transport properties in the top portion of the lower mantle.
Lastly, using analyses of melts coexisting with Brg and Fp a thermodynamic model was developed to describe the Fe-Mg exchange between Brg and hydrous melt. Based on this model melt compositions were calculated at different assumed melt fractions (0.1 wt.%- 1 wt.%) for a pyrolite composition and the corresponding melt density was calculated along a mantle geotherm from 22-28 GPa. The density of a 1 wt.% hydrous partial melt is significantly lower than the surrounding lower mantle but is close to neutral buoyancy at the base of the transition zone. This raises the possibility that hydrous melts might rise out of the lower mantle but pond or freeze on entering the transition zone. If such a process occurs in regions of down-welling then melt bearing regions may be continuously dragged into the lower mantle before grain scale migration allows melts to flow upwards, potentially creating long term seismically observable low velocity layers.
Abstract in weiterer Sprache
Obwohl das Pyrolit-Modell weitestgehend akzeptiert ist als das, das die chemische Zusammensetzung des oberen Erdmantels darstellt, ist es jedoch nicht klar, ob die Pyrolit-Zusammensetzung auch repräsentativ für den unteren Erdmantel ist. Ein Vergleich zwischen seismischen Wellengeschwindigkeiten als Funktion der Tiefe im unteren Erdmantel und Modellen dieser Geschwindigkeiten für eine pyrolitische Zusammensetzung des unteren Erdmantels ist die einzige Möglichkeit, diese Annahme schlussendlich zu testen. Das erfordert Daten über die elastischen Eigenschaften der Minerale sowie eine Methode zur Bestimmung der Anteile und Zusammensetzung der Minerale als Funktion der Tiefe und der Gesamtzusammensetzung. Der untere Erdmantel besteht hauptsächlich aus dem Mineral Bridgmanit (Brg), mit geringeren Anteilen von Ferroperiklas (Fp) und CaSiO3 Perowskit. In der vorliegenden Arbeit wurden Experimente mit der Vielstempelpresse durchgeführt, um eine Methodologie zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Brg und Fp als Funktion des Gesamtchemismus im unteren Erdmantel zu abzuleiten. Da Brg signifikante Anteile von Eisen im oxidierten Zustand enthalten kann, war es außerdem auch wichtig, die Zusammensetzung von Brg als Funktion der Sauerstoffugazität vorhersagen zu können. Brg-Fp Aggregate wurden von Ausgangszusammensetzungen mit unterschiedlichen Anteilen von Fe und Al sowie bei verschiedenen Sauerstoffugazitäten bei 25 GPa und 1973 K synthetisiert. Wasser wurde bei einigen Ausgangsmaterialien hinzugegeben, um das Wachstum von großen Brg Einkristallen mit verschiedenen Anteilen von Fe2+, Fe3+ und Al zu induzieren. Das führte außerdem zur Bildung von hydratisierten Schmelzen, die auch untersucht wurden.
Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden Röntgenbeugungsmessungen an zehn Brg Einkristallen mit verschiedenen Zusammensetzungen durchgeführt. Basierend auf diesen Messungen und Literaturdaten wurden die partiellen Molarvolumen der Brg-Hauptkomponenten unter der Annahme einer linearen Beziehung zwischen Volumen und Zusammensetzung bestimmt. Die Volumen sind essentiell für die thermodynamische Beschreibung des Brg Chemismus unter Hochdruckbedingungen und nehmen in dieser Reihenfolge ab: FeFeO3 > MgFeO2.5 > FeAlO3 > MgAlO2.5 > AlAlO3> FeSiO3 > MgSiO3. Alle Gitterparameter, B-O Bindungsabstände, Oktaederkippungen und Polyederverformungen sowie die spontanen Strainkomponenten e4 and etx steigen mit den ladungsgekoppelten M3+M3+O3 (M3+=Al3++Fe3+) und an Sauerstoffleerstellen gebundenen MgM3+O2.5 Substitutionen an, während die Oktaederkippung und die Verformung des A Gitterplatzes mit der Fe2+SiO3 Substitution abnehmen. Auf der Bindungsstärke der individuellen B-O und A-O Bindungslängen basierende Berechnungen deuten darauf hin, dass die Oktaederkippung von Fe,Al-haltigem Brg mit Druck zunimmt und zeigen einen stärker komprimierbaren Oktaeder-Gitterplatz und einen weniger komprimierbaren A-Gitterplatz relativ zum MgSiO3-Endglied auf.
Im zweiten Teil dieser Untersuchung wurde der Fe3+-Gehalt von Brg experimentell als Funktion von chemischer Zusammensetzung und Sauerstoffugazität untersucht. Aus Experimenten gewonnene Proben wurden dazu mithilfe der Elektronenmikrosonde und der Mössbauerspektroskopie analysiert. Das Brg Fe3+/ΣFe Verhältnis steigt mit Brg Al-Gehalt und Sauerstoffugazität (fo2) an und verringert sich mit steigendem Gesamt-Fe-Gehalt und mit steigender Temperatur. Die fo2 Abhängigkeit verringert sich mit steigendem Al-Gehalt. Thermodynamische Modelle wurden kalibriert, um die Brg und Fp Zusammensetzungen in den Fe-Mg-Si-O and Fe-Al-Mg-Si-O Systemen sowie die Verteilung von 3+ Ionen zwischen Gitterplätzen in Brg zu beschreiben. Das Modell reproduziert die experimentellen Daten sehr gut, insbesondere angesichts der geringen Anzahl von anpassbaren Termen. Das Modell erlaubt es ausserdem, die Mineralzusammensetzungen für plausible Gesamtzusammensetzungen des Mantels als Funktion der Sauerstoffugazität zu berechnen und kann durch die Nutzung der Daten der partiellen Molarvolumen der Brg-Komponenten zu höheren Drücken extrapoliert werden. Die Resultate zeigen, dass die Fe-Mg Verteilung zwischen Brg und Fp stark abhängig von fo2 ist, so dass die Resultate vorhergehender, sich widersprechender Studien wahrscheinlich in Einklang zu bringen sind, wenn fo2 berücksichtigt wird. Für eine Pyrolit-Gesamtzusammensetzung mit einem Sauerstoffgehalt wie im oberen Erdmantel ergibt das Modell eine Mantel fo2 von IW – 0,8, einem Fe3+/ΣFe Verhältnis von 0,51 für Brg und 0,28 für das Gesamtgestein, was die Bildung von 0,6 Gew.% Fe-Ni Legierung bei 25 GPa erfordert. Mit ansteigendem Druck sagt das Modell einen graduellen Anstieg im Fe3+/ΣFe Verhältnis von Brg voraus, was im Widerspruch zu einigen vorhergehenden Studien steht. Die Sauerstoff-Leerstellen-Komponente von Brg reduziert sich gegen praktisch Null bei 40 GPa, was die Transporteigenschaften im oberen Bereich des unteren Mantels stark beeinflussen würde.
Im letzten Teil der Arbeit wurde ein thermodynamisches Modell entwickelt, das, basierend auf chemischen Analysen der Schmelzen, die mit Brg und Fp koexistieren, den Fe-Mg Austausch zwischen Brg und wasserhaltigen Schmelzen bei 25 GPa und 1923 K beschreibt. Mit diesem Modell wurden Schmelzzusammensetzungen bei unterschiedlichen Aufschmelzungsgraden (0,1 - 1 Gew.%) für eine Pyrolitzusammensetzung berechnet und die korrespondierenden Schmelzdichten wurden entlang einer Mantelgeotherme von 22 bis 28 GPa ermittelt. Die Dichte einer 1 Gew.% wasserhaltigen Schmelze wäre signifikant geringer als die des umgebenden unteren Mantels, aber sie hätte einen nahezu neutralen Auftrieb an der Basis der Übergangszone des Erdmantels. Das eröffnet die Möglichkeit, dass wasserhaltige Schmelzen aus dem unteren Mantel aufsteigen, aber sich an der Übergangszone sammeln oder kristallisieren. Wenn ein solcher Prozess in Regionen von absinkendem Material vorkommt, dann würden schmelzhaltige Bereiche kontinuierlich in den unteren Mantel transportiert, bevor Migration auf der Kornebene ihnen erlauben würde wieder aufwärts zu fließen, und so potentiell zur Bildung einer seismisch detektierbaren Schicht mit niedrigen Wellengeschwindigkeiten beizutragen.