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Fe and C rich melting and redox equilibria in the deep Earth - from Fe(II)-disproportionation to banded iron formation recycling, experiments from 3 to 40 GPa

English title Fe and C rich melting and redox equilibria in the deep Earth - from Fe(II)-disproportionation to banded iron formation recycling, experiments from 3 to 40 GPa
Applicant Schmidt Max Werner
Number 130100
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Geochemie und Petrologie ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Mineralogy
Start/End 01.04.2010 - 31.03.2012
Approved amount 579'126.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Mineralogy
Geophysics
Geochemistry

Keywords (15)

experimental petrology; deep Earth; lower mantle; Fe(II)-disproportionation; redox equilibria; carbonatite melting; banded iron formation; geochemical mantle anomalies; recycling; transition zone; Deep Carbon recycling; Earth mantle; Diamond formation; Redox reactions; Archean banded iron formation

Lay Summary (German)

Lead
Lay summary
Der tiefe Kohlenstoffkreislauf in dem Oberflaechensedimente in hunderte km Tiefe versenkt werden und im Gegenzug CO2 durch Vulkanismus an die Erdoberflaeche gelangt, ist Bestandteil des globalen CO2-Kreislaufes. Das Verstaendniss des sich ueber viele Millionen Jahre erstreckenden tiefen Kreislaufs und seine Veraenderung ueber erdgeschichtliche Zeitraeume ist ein wichtiger Beitrag zum langfristigen Kohlenstoffbudget an der Oberflaeche.CO2 wird durch Vulkanismus aus der tiefen Erde an die Oberflaeche gebracht und in Subduktionszonen von der Oberflaeche in Form von Karbonat wieder in die tiefe Erde versenkt. Der ueberwaeltigende Teil des Oberflaechen-Kohlenstoffs liegt in seiner oxidierten Form als CO2 oder Karbonatmineralien vor. Diese oxidierte Form ist im tiefen, stark reduzierten Erdmantel nicht stabil und wird zu Graphit oder Diamant umgewandelt. Um die Prozesse des tiefen Kohlenstoffkreislaufs zu verstehen werden in diesem Projekt Redox-Reaktionen zwischen Kohlenstoff und Eisen-haltigen Mineralien und Schmelzen untersucht. Metallisches Eisen, welches bei >300 km Tiefe im Mantel stabil ist, und Eisenoxid-Komponenten der Silikatmineralien sind dabei die Redox-Partner die oxidieren wenn Kohlenstoff reduziert wird (und umgekehrt).Dieses Projekt untersucht diesen Kreislauf durch geochemisch/mineralogische Hochdruckexperimente bis 300 000 bar und 2000 Grad Celsius unter drei Aspekten: Subduzierte Karbonat-haltige Sedimente koennen im oberen Mantel aufschmelzen, die Schmelzen reagieren dann mit dem Metall-haltigen Mantel zu Diamant und verfestigen sich dabei zu einem Mineralgemisch, das C-reiche Domaenen im Erdmantel bildet. Das Wiederaufschmelzen solcher Domaenen ist der Ausgangspunkt CO2-reichen Vulkanismus. Zweitens, im unteren Mantel wandeln sich Karbonate ebenfalls zu Diamant um, dabei bilden sich stark oxidierte Silkatmineralien. Wenn durch Mantelkonvektion solche Domaenen wieder in den oberen Mantel gelangen kommt es zum Wiederaufschmelzen, dabei werden moeglicherweise die tiefsten Schmelzen des Mantels gebildet. Drittens gab es vor 2.5-2 Milliarden Jahren einen Sedimenttyp der nur aus Eisenoxiden und Karbonaten bestand. Groesser 90% dieser Sedimente sind in die Tiefe verschluckt worden (der Rest wird zur Eisenerzgewinnung genutzt), die mineralogischen Reaktionen in diesen Sedimenten und deren Aufschmelzen in der Tiefe ist vollkommen unbekannt, kann aber zu Mantelbereichen fuehren, deren vulkanische Produkte heute an die Oberflaeche gelangen.Dieses Projekt, dass der Grundlagenforschung zuzurechnen ist, untersucht auch die sekulaere Entwicklung des tiefen Kohlenstoffkreislaufs und die zu erwartenden langfristigen Schwankungen desselben.
Direct link to Lay Summary Last update: 21.02.2013

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Elasticity of phase D and implication for the degree of hydration of deep subducted slabs.
Rosa Angelika, Sanchez-Valle Carmen, Ghosh Sujoy, Elasticity of phase D and implication for the degree of hydration of deep subducted slabs., in Geophys.Res.Lett., 39(na), na-na.
Element partitioning during pelite melting at 8, 13, and 22 GPa and the sediment signature in the EM mantle component.
Grassi Daniele, Schmidt Max W., Günther Detlef, Element partitioning during pelite melting at 8, 13, and 22 GPa and the sediment signature in the EM mantle component., in Earth Planet. Sci. Lett., 327-328, 84-96.
Melting of carbonated pelites at 8-13 GPa: generating K-rich carbonatites for mantle metasomatism
Grassi Daniele, Schmidt Max W., Melting of carbonated pelites at 8-13 GPa: generating K-rich carbonatites for mantle metasomatism, in Contrib. Min. Petrol., 162, 169-181.
Redox freezing and melting in the Earth’s deep mantle resulting from carbon-iron redox coupling.
Rohrbach Arno, Schmidt Max W., Redox freezing and melting in the Earth’s deep mantle resulting from carbon-iron redox coupling., in Nature, 472, 209-212.
Sound velocities of ferromagnesian carbonates and the seismic detection of carbonates in eclogites and the mantle
Sanchez-Valle Carmen, Ghosh Sujoy, Rosa Angelika, Sound velocities of ferromagnesian carbonates and the seismic detection of carbonates in eclogites and the mantle, in Geophys.Res.Lett., 38(na), na-na.
The melting of carbonated pelites from 70 to 700 km depth
Grassi Daniele, Schmidt Max W., The melting of carbonated pelites from 70 to 700 km depth, in J. Petrol., 52, 765-789.

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
140541 Subduction derived carbonatites, related mantle metasomatism, and redox coupling of Fe and C - experiments from 2 to 35 GPa 01.04.2012 Project funding (Div. I-III)
120006 Core formation and metal-silicate equilibria in the lower mantle and deep recycling of subducted carbonated sediments 01.04.2008 Project funding (Div. I-III)

Abstract

The dynamics of the Earth is intimately related to magmas and fluids which transfer elements from one geochemical reservoir to the other, and which are responsible for large scale geochemical cycles. At depth > 200 km, Fe and C bearing redox and melting equilibria are main drivers in deep melt generation. Three projects are grouped along this main theme: (i) Redox equilibria and carbonatite melting which involve the disproportionation of ferrous to ferric+metallic iron in the deep mantle, the influence of water on these equilibria, and the H-storage capacity of mantle minerals at realistic oxygen fugacities will all serve to understand the origin of melting in the transition zone and lower mantle. (ii) We will investigate the subduction of ancient, oxidized, extremely dense sediments, the banded iron formations (BIF), which are mainly composed of Fe-oxides and -carbonates and quartz and which are in great disequilibrium with the reduced mantle. This, in order to understand to what extent BIFs are assimilated into the mantle, what geochemical mantle signature can be derived, and whether BIFs may descend to the core-mantle boundary. (iii) We will investigate the infiltration of oxidized pelitic sediment derived carbonatites into the reduced mantle and the generation of K- and C-rich mantle domains, which may ultimately give rise to kimberlites and diamonds. In these projects, experiments between 3 and 40 GPa will allow to define the reactions and geochemical transfers involved in these processes and give rise to appropriate quantitative models for improving our picture of the dynamic deep Earth.
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