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

By Philip Kegler

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

Topics: ddc:550
Year: 2006
OAI identifier: oai:USBKOELN.ub.uni-koeln.de:1725

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