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.
Bayreuth , 2021 . - VIII, 125 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005934

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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.