Kristallisation des irdischen Magmaozeans: Thermo- und Geodynamik

• Antragsteller: Dr. Gerd Steinle-Neumann; Dr. Nicola Tosi
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers ; Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 276817549

Die Abkühlung und Kristallisation des Magmaozeans, der in Folge der Mond-formenden Kollision auf der jungen Erde entstanden ist, bestimmte die ursprüngliche chemische und thermische Struktur des Erdmantels. Damit bestimmt die Kristallisation auch die Anfangsbedingung für die folgende Entwicklung des Inneren unseres Planeten, die durch thermo-chemische Konvektion bestimmt wird. Ein Modell der Schichtung, die aus einem solchen Szenario entsteht, erfordert eine genaue Beschreibung mehrerer Parameter. Erstens müssen Phasendiagrame für die Mantelzusammensetzung bis 140 GPa bestimmt werden, insbesondere die Liquidus-Kurven und eutektischen Zusammensetzungen. Zweitens werden die Verteilungskoeffizienten der Hauptelemente (FeO, CaO, Al2O3) zwischen Schmelze und kristallisierenden Mineralien benötigt. Drittens ist die Kenntnis der Dichte der Schmelze sowie des Kristallits notwendig. Im Rahmen des vorgelegten Projekts werden wir ein vorhandenes thermodynamisches Modell zu Phasengleichgewichten und dem Schmelzverhalten im System MgO-SiO2 durch gezielte Experimente in der Vielstempelpresse auf die Systeme FeO-MgO-SiO2 (FMS) und CaO-MgO-SiO2 (CMS) erweitern. Im FMS System wird der Schwerpunkt der Experimente auf die Bestimmung der Liquidus-Kurve auf der MgSiO3-Seite des eutektischen Punkt liegen. Das CMS System ist das chemisch einfachstes System, in dem alle Phasen des tiefen Erdmantel vorkommen: Bridgmanit, Periklas und Ca-Perowskit, und die Bestimmung der eutektischen Punkt in diesem System ist deshalb von zentraler Wichtigkeit, da diese die Phasenzusammensetzung des kristallisierten Magmaozeans über einen weiten Bereich des Erdinnern bestimmt. Die Experimente werden auch benutzt werden, um Verteilungskoeffizienten zwischen der Schmelze und den Mineralien zu bestimmen. Hier ist FeO hervorzuheben, da es einen großen Einfluss auf die Dichte hat. Die hieraus resultierende thermodynamische Beschreibung wird in ein Modell der fraktionellen Kristallisation des Magmaozeans integriert. Ergebnisse aus durchzuführenden Molekulardynamik-Simulationen zur Dichte von Schmelzen in den CMS, FMS und MgO-Al2O3-SiO2 Systemen werden es erlauben, den Auftrieb (positiv oder negativ) der kristallisierenden Phasenzusammensetzung zu berechnen. Die aus der Kristallisation entstehende Dichteschichtung ergibt ein physikalisch und chemisch konsistentes Bild des thermischen und chemischen Zustands des Erdmantels umgehend nach Ende seiner Kristallisation, und dient damit als neuartiger Startpunkt in der Geodynamik. Wir werden numerische Simulatione zur Dynamik im Erdinneren dazu nutzen, die gekoppelte Entwicklung des Mantels und Kerns über die gesamte Erdgeschichte zu beschreiben. Dabei hoffen wir, Zustände und Prozesse zu identifizieren, die in der Entstehung und Entwicklung der Platentektonik und des Magnetfelds sowie von chemischen Heterogenitäten von zentraler Wichtigkeit sind.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1833: Building a Habitable Earth
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Dr. Doris Breuer; Dr. Sylvain Petitgirard; Dr. Ana-Catalina Plesa; Professor Dr. David Rubie