Metall/Silikat-Verteilungsverhalten von Nickel und Kobalt in Abhängigkeit von Druck und Temperatur: Implikationen für planetare Differentiationsprozesse.

Kegler, Philip (2006). Metall/Silikat-Verteilungsverhalten von Nickel und Kobalt in Abhängigkeit von Druck und Temperatur: Implikationen für planetare Differentiationsprozesse. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Die Erde, der Mond und die anderen terrestrischen Planeten haben einen eisen-nickelreichen, metallischen Kern, der sich in der Frühphase der Geschichte dieser Planeten von der Silikat-phase, die heute den Mantel bildet, abgetrennt hat. Diese Metall/Silikat-Trennung ist eine der umwälzensten Ereignisse in der Geschichte der terrestrischen Planeten. Umso erstaunlicher ist es, dass die Prozesse, die zur Kernbildung geführt, und die Bedingungen, die bei der Kernbil-dung geherrscht haben, bis heute noch nicht vollständig verstanden sind. Als Schlüssel zum Verständnis des Kernbildungsprozesses werden die siderophilen (eisenliebenden) Elemente (z.B. Ni, Co, Ge, PGE´s) angesehen. Herrscht chemisches Gleichgewicht zwischen einer Metall- und einer Silikatphase, wandern die siderophilen Elemente bevorzugt in die Metallphase was zu ihrer Verarmung in der Silikatphase führt. Die Affinität eines Elements zur Metallphase wird mit dem Metall/Silikat-Verteilungskoeffizienten (Dmet/Sil), dem Quotienten aus der Konzentration des untersuchten Elementes in der Metallphase und der Konzentration des untersuchten Elements in der Silikatphase, ausgedrückt. Vergleicht man die aus den experimentell ermittelten Metall/Silikat-Verteilungskoeffizienten (1 atm., 1600 °C und eine Sauerstofffugazität 2.3 logarithmische Einheiten unterhalb der des Eisen-Wüstit-Puffers) errechneten Konzentrationen der siderophilen Elemente mit den tatsächlichen Konzentrationen im Erdmantel, sieht man, dass die Konzentrationen der siderophilen Elemente im Erdmantel teilweise mehrere Größenordnungen höher als die errechneten liegen. Dieses Phänomen wird als siderophile Elementanomalie bezeichnet. Unter den siderophilen Elementen nehmen Nickel und Kobalt eine Sonderstellung ein, denn sie haben nicht nur eine höhere Konzentration im Erdmantel als erwartet, sondern sie weisen ein beinahe chondritisches Verhältnis (~18.2) auf. Das chondritische Ni/Co-Verhältnis im Erdmantel erklären LI&AGEE (1996) durch eine verschieden starke Druckabhängigkeit der Verteilungskoeffizienten von Nickel und Kobalt. Bei einem Druck von ca. 28 GPa hätten Nickel und Kobalt die selben Verteilungskoeffizienten, was das chondritische Ni/Co-Verhältnis erzeugen würde. Dementsprechend erklären LI&AGEE (1996) das chondritische Ni/Co-Verhältnis durch Metall/Silikat-Gleichgewicht am Grund eines Magmaozeans. Durch dieses Modell können aber weder die absoluten Gehalte von Nickel und Kobalt erklärt werden noch ist es möglich, anhand der beschriebenen Druckabhängigkeit zurück zu den ex-perimentell ermittelten Verteilungskoeffizienten bei Atmosphärendruck zu extrapolieren. Die Werte liegen mehr als eine halbe Größenordnung höher als die anhand der Druckabhängigkeit bestimmten. Zusätzlich beschreiben RUBIE ET AL. (2003), dass das Einstellen eines Metall/Silikat-Gleichgewichts am Grunde eines Magmaozeans 300- bis 800-mal länger dauert, als der Magmaozean zum kristallisieren braucht. Deshalb wurden im Rahmen dieser Arbeit neue Versuche zur Bestimmung des druck- und temperaturabhängigen Metall/Silikat-Verteilungsverhaltens durchgeführt. Die Versuche wurden in vertikalen Gasmischöfen, Stempelzylinderpressen und Vielstempelpressen bei Temperaturen zwischen 1300 und 2300 °C und in einem Druckbereich zwischen Atmosphärendruck und 25 GPa durchgeführt. Dabei wurden silikatische Schmelzen mit Eisen, Nickel und Kobalt als reine Metallphasen sowie mit einer Fe54Ni29Co17-Legierung equilibriert. Die Versuche erlauben es, den Einfluss von Temperatur und Druck auf das Metall/Silikat-Verteilungsverhalten voneinander zu trennen und im Folgenden unabhängig voneinander betrachten zu können. Zusätzlich wurden in der Stempelzylinderpresse Versuche zum Metall/Silikat-Verteilungsverhalten von Germanium mit einer Ge75Fe25-Legierung und einer Si-likatschmelze basaltischer Zusammensetzung durchgeführt (0.5-3.5 GPa, 1400 und 1500 °C). Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen eine Änderung der Temperaturabhängigkeit der Metall/Silikat-Verteilungskoeffizienten von Nickel von einer starken Abhängigkeit in einem Druckbereich von Atmosphärendruck bis 2.5 GPa zu einer schwachen Abhängigkeit bei Drücken ab 5 GPa. Der Metall/Silikat-Verteilungskoeffizient von Kobalt zeigt das gleiche, aber weniger stark ausgeprägte Verhalten. Die genaue Kenntnis der Temperaturabhängigkeit erlaubt eine präzisere Betrachtung der Druckabhängigkeit. Die Druckanhängigkeit der Metall/Silikat-Verteilungskoeffizienten von Nickel und Kobalt zeigen eine Änderung von einer starken Druckabhängigkeit bei Drücken bis 3.5 GPa zu einer schwachen bei Drücken ab 5 GPa. Dies hat zur Folge, dass die Druckabhängigkeiten bei Drücken oberhalb 5 GPa nicht mehr konvergieren, wie von LI&AGEE beschrieben, sondern beinahe parallel verlaufen. Dass heißt, dass das chondritische Ni/Co-Verhältnis im Erdmantel nicht durch eine Überkreuzung der Druckabhängigkeiten, also durch Metall/Silikat-Gleichgewicht am Boden eines Magmaozeans, erklärt werden kann.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Pressure and temperature dependent metal/silicate partitioning of Nickel ans Cobalt: Implications for planetary differentiation processes.	English

Translated abstract:

Abstract

Language

Earth, Moon and the other terrestrial planets contain an iron-nickel rich metallic core which separates form the mantle silicate shortly after or during the accretion of the planet. The for-mation of an iron rich metallic core is one of the most important events in the history of the terrestrial planets. Nevertheless the processes which took place at core formation and the con-ditions at core formation are not completely understood. A key for understanding core forma-tion processes is the partition behavior of siderophile (iron loving) elements (e.g. Ni, Co, Ge, PGE´s) between metal and silicate phases. In the case of chemical equilibrium between metal and silicate the siderophile elements are moving in the metal phase and are therefore depleted in the silicate. The affinity of an element to a metal phase is described by the metal/silicate partition coefficient (Dmet/sil). It is defined by the concentration of the investigated element in the metal phase divided by the concentration of the element in the silicate phase. If one compares the concen-trations of the siderophile elements which are calculated from experimentally determined metal/silicate partition coefficients for one atmosphere and estimated conditions at core for-mation (1600 °C and an oxygen fugacity 2.3 log units below the iron-wuestite buffer) with the abundances of the siderophile elements in Earth�s mantle, one can see that the calculated con-centrations are partly several orders of magnitude lower than the observed concentrations. This phenomenon is called the siderophile element anomaly. Nickel and cobalt have an exceptional position in the siderophile elements not only because of their overabundance but also because of the nearly chondritic Ni/Co ratio (~18.2). LI&AGEE (1996) explained the chondritic Ni/Co ratio with different pressure dependences of the metal/silicate partition coefficient of nickel and cobalt. Nickel is more dependent on pressure than cobalt. Hence a crossover at a pressure of approximately 28 GPa will occur. This will produce the chondritic Ni/Co ratio. LI&AGEE (1996)claim that the chondritic Ni/Co ratio is produced by metal/silicate equilibrium at the bottom of a magma ocean. However this model can�t explain the absolute concentrations of nickel and cobalt in Earth�s mantle. Furthermore if one takes the described pressure dependences to extrapolate back to one atmosphere the extrapolated partition coefficients are half an order of magnitude lower than experimentally determined. Additionally RUBIE ET AL. (2003) found out that the time which is needed to reach equilibrium between metal and silicate on the ground of a magma ocean is 300 to 800 times larger than the magma ocean needs to crystallize. Because of that a new series of experiments were performed. The metal/silicate partition behavior of Ni and Co has been investigated in vertical gasmixing furnaces, piston cylinder ap-parati and multi anvil presses within a pressure (p) range from 10-5 GPa (1 atm.) to 25 GPa and temperatures (T) ranging from 1300 to 2300°C. In all experiments pure metal phases (Fe, Ni, Co) or an Fe54Ni29Co17 alloy were equilibrated with silicate melts of different composi-tion. These experiments allow to disentangle the effects of temperature and pressure on the metal/silicate partitioning of nickel and cobalt. Additional experiments to determine the pres-sure dependence of the metal/silicate partition coefficient of germanium were performed in a piston cylinder apparatus (0.5 � 3.5 GPa, 1400 to 1500 °C). The results show a change of the temperature dependence in the metal/silicate partition coef-ficient of nickel from a strong dependence at a pressure range up to 2.5 GPa to a weak tem-perature dependence from 5 GPa. The metal/silicate partition coefficient of cobalt shows the same but less pronounced behavior. The exact knowledge of the temperature dependence allows a more precise look on the pressure dependence. The pressure dependence of the metal/silicate partition coefficient of nickel and cobalt show a change of the pressure dependences from a strong pressure dependence at pressures below 3.5 GPa to a weak at pressures higher than 5 GPa. The change in pressure dependences leads to equal pressure dependences of nickel and cobalt at high pressures higher than 5 GPa. The crossover of the pressure dependences, as assumed by LI&AGEE (1996), would not occur in the pressure regime of the Earth�s mantle. The chondritic Ni/Co ratio does not result from metal/silicate equilibration at the bottom of a deep magma ocean. The experiments with germanium show an increase of metal/silicate partition coefficient with increasing pressure. However to produce the high germanium concentration in Earth mantle, the partition coefficient has to decrease with increasing pressure. This may provide further evidence for a different processe other than metal/silicate equilibration at high pressures.

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