Project

Back to overview

Oxygen fugacity and density of deep magma oceans

Applicant Petitgirard Sylvain
Number 197344
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Departement Erdwissenschaften ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Geophysics
Start/End 01.01.2021 - 31.12.2024
Approved amount 308'464.00
Show all

All Disciplines (2)

Discipline
Geophysics
Geochemistry

Keywords (5)

high pressure experiment; Thermodynamic models; Magma ocean; Oxygen fugacity; Planetary and athmosphere formation

Lay Summary (French)

Lead
La structure et la composition de la terre primitive ainsi que son atmosphère primordiale sont principalement influencés par les conditions redox qui ont régnées dans l’océan magmatique lors de la formation de la terre. Le Fer, avec ces trois états de valences possibles, contrôle la fugacité d’oxygène ainsi que les propriétés physiques des magmas a haute pressions. L’état redox du Fer joue donc un rôle fondamental dans le contrôle de la fugacité d’oxygène et donc sur la composition, la valence et la spéciation des espèces chimiques dans l’intérieur des planètes et de leurs atmosphères. Toutefois les modèles de fugacité d’oxygène disponibles pour les magmas ne sont pas contraints au-delà de 23 GPa, alors que l’océan magmatique a pu s’étendre jusqu’à 60-80 GPa. De plus ces modèles sont basés sur des compositions andésitiques non représentatives de la composition chimique du manteau terrestre.
Lay summary

L’objectif de ce projet est d’apporter de nouvelles données sur l’évolution de la fugacité d’oxygène en fonction de la pression sur des compositions similaires au manteau terrestre. Pour cela nous proposons 4 axes de recherches :

  • Mesurer les densités de verres de compositions mantéliques pour différents états redox en fonction de la pression. Ces mesures permettront de calculer la fugacité d’oxygène pour n’importe quelle pression.
  • Contraindre l’état de spin du Fer en fonction de la pression par spectroscopie Mössbauer.
  • Etablir un modèle thermodynamique de fugacité d’oxygène en fonction de p-T et états de spin, et le testé par des mesures directes du rapport Fe3+/TotFe sur des liquides synthétisés et trempés a hautes pression et haute température.
  • Utiliser ces données dans des simulations numériques de cristallisation d’océan magmatique pour connaitre l’évolution chimique possible du manteau terrestre et de son atmosphère primitive.

Contexte scientifique et social du projet de recherche

Ce travail apportera des données inédites sur les conditions redox dans les océans magmatiques et donc sur la formation des planètes et de leurs atmosphères. L’impact de ce projet s’étend de l’astrophysique aux science de la terre mais également aux aspects fondamentaux de la physique des verres et liquides sous pressions.  

Direct link to Lay Summary Last update: 04.10.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Project partner

Abstract

The structure and composition of the early Earth’s interior and of its primordial atmosphere were influenced by the redox state of its magma ocean. Iron, as the most abundant transition metal on Earth, plays a central role in controlling both i) oxygen fugacity (fO2) and ii) structural properties in the deep mantle, due to its multiple oxidation states (Fe3+, Fe2+ and Fe metal) and electronic spin transitions at high pressure. Oxygen fugacity therefore provides the crucial link between the composition and evolution of planetary interiors and atmospheres by setting the redox state of magma oceans, and thus the valence and speciation of elements. However, current models of how fO2 varies with depth in the Earth are unconstrained for pressures beyond 23 GPa, and are based on data from andesitic compositions that are not representative of the Earth’s mantle. This proposal aims to measure, using state of the art experimental techniques, the density difference, or reciprocally, the molar volume difference (deltaV), between iron-bearing silicate glasses representative of magma ocean compositions as a function of iron oxidation state, over the mantle’s entire pressure range up to 135 GPa in-situ with diamond anvil cells (DAC). In parallel, we will investigate the electronic structure and spin state of iron using synchrotron Mössbauer spectroscopy. We will then examine the use of glasses as analogues for liquids by determining the Fe3+/totalFe ratio, and thus the fO2, of quenched liquids from ambient pressure up to lower mantle pressures using Mössbauer spectroscopy on laser-heated DAC samples. This novel dual approach permits Fe3+/totalFe to be independently determined and cross-checked by glass bulk density measurements and Mössbauer spectra in both glasses and quenched liquids.The experimental data will be used to build thermodynamic models to determine: i) the density equations of state for Fe-bearing magmas as a function of pressure with known oxidation state, ii) the molar volumes of FeO and FeO1.5 in realistic magma compositions as a function of depth, and iii) the variation of spin state with depth and its effect of the physical properties of Earth’s deep mantle. These experimentally-derived thermodynamic models will be combined with numerical simulations of mantle convection to understand i) the fate of magmas at depth, ii) their influence on the chemistry of the primordial mantle and atmosphere and iii) assessment of the conditions of Earth’s and planetary core formation. This study will provide crucial information about the density, electronic structure and evolution of iron in compositionally-relevant magmas at pressures > 25 GPa, applicable for the formation of Earth’s core (40 - 60 GPa), the present-day core-mantle boundary (CMB) and hot super-Earth exoplanets.
-