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Phase Relations and Thermodynamic Properties of Spinelloid Phases in the System Mg2SiO4–Fe2SiO4–Fe3O4 at high Temperatures and Pressures

Koch, Mario

German Title: Phasenbeziehungen und thermodynamische Eigenschaften von Spinelloiden im System Mg2SiO4–Fe2SiO4–Fe3O4 bei hohen Temperaturen und Drucken

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Abstract

Experiments in the system Mg2SiO4–Fe2SiO4–Fe3O4 produced three spinelloid polytypes that are stable between 4 and 9 GPa and 1100°C. Spinelloid II is the first intermediate phase to appear at low pressures in Mg-poor compositions. With increasing pressure spinelloid II is replaced by an isochemical spinelloid V polytype between 6 and 6.5 GPa. Spinelloid III is relatively Si-rich and, depending on pressure, can coexist with either spinelloid II or V. Spinelloid III gives way to the assemblage olivine + spinelloid V between 7.5 and 8.0 GPa and its maximum Mg content is limited to ~0.15 mol % Mg2SiO4 at 7.5 GPa. Thus there is a very large gap in composition and pressure separating the stability fields of spinelloid III and (Mg,Fe)2SiO4-wadsleyite. At 12 GPa, olivine is replaced by wadsleyite with a rather narrow compositional range, that coexists with a spinel that contains a significant MgFe2O4 component. Above 16 GPa, ringwoodite replaces wadsleyite as the stable Si-rich phase. It also can coexist with a MgFe2O4-bearing spinel. It appears that the presence of Fe3+ has very little influence on the occurrence of wadsleyite and ringwoodite. Also no compelling evidence was found for the incorporation of significant amounts of Fe3+ in olivine, even at very high pressures. In Mg-rich compositions more relevant to the Earth's mantle, no spinelloid phase was found except for (Mg,Fe)2SiO4-wadsleyite, and the assemblage oliviness + spinelss is stable over a wide range of pressure. In such bulk compositions, the Fe3+-rich spinel is practically Si-free and contains a Mg-ferrite component. Thus there appears to be a mutual incompatibility between the Mg2SiO4 and Fe3+-rich components in high-pressure spinels. The interphase partitioning of Fe2+ and Mg for different mineral pairs yields consistent results with respect to bulk composition and shows no noticeable pressure dependence. Pyroxene, which appeared in some experiments due to a minor amount of oxidation, exhibits Mg-Fe2+ partitioning with olivine in agreement with literature data. This indicates that despite minor oxidation in some experiments, Mg-Fe2+ equilibrium was achieved, at least on a local scale. The molar volumes decrease systematically with decreasing magnetite content as well as increasing Mg-content in all three spinelloid polytypes and spinel.

Translation of abstract (German)

Bei Drücken von 4-9 GPa und einer Temperatur von 1100°C konnten drei Spinelloid-Polytypen im System Mg2SiO4-Fe2SiO4-Fe3O4 synthetisiert werden. Spinelloid II ist die erste Phase, welche bei niedrigen Drücken und in Mg-armen Zusammensetzungen stabil ist. Mit steigendem Druck wird Spinelloid II zwischen 6 und 6.5 GPa vom isochemischen Polytyp V abgelöst. Spinelloid III ist relativ Si-reich und kann, je nach Druck, entweder mit Spinelloid II oder V koexistieren. Bei 7.5 GPa weist Spinelloid III ein Maximum von ~0.15 mol % Mg2SiO4 auf und wird bei 8 GPa von der Paragenese Olivin + Spinelloid V abgelöst. Dies zeigt, daß es eine sehr große Mischungslücke sowohl in der Zusammensetzung als auch im Druck gibt, welche die Stabilitätsfelder von Spinelloid III und (Mg,Fe)2SiO4-Wadsleyit deutlich trennt. Bei 12 GPa wandelt sich Olivin in Wadsleyit um, welcher ein sehr eng begrenztes Stabilitätsfeld hat und mit MgFe2O4-haltigem Spinell koexistiert. Oberhalb von 16 GPa wird auch Wadsleyit instabil und es entsteht eine Paragenese aus Ringwoodit und MgFe2O4-haltigem Spinell. Der Einbau von Fe3+ scheint keinen Einfluß auf die Stabilitätsfelder von Wadsleyit und Ringwoodit zu haben. Ebenfalls wurde kein Hinweis darauf gefunden, daß Olivin Fe3+ in signifikanten Mengen einbauen kann. In Mg-reicheren Zusammensetzungen, welche von größerer Bedeutung für den Erdmantel sind, wurden mit Ausnahme von (Mg,Fe)2SiO4-Wadsleyit keine Spinelloide synthetisiert. Stattdessen ist die Paragenese Olivin + Spinell über einen sehr großen Druckbereich hinweg stabil. In solchen Bulk-Zusammensetzungen ist der Fe3+-reiche Spinell praktisch Si-frei und beinhaltet eine Mg-Ferrit Komponente, was auf eine gegenseitige Inkompatibilität zwischen Mg2SiO4 und Fe3+-reichen Komponenten in Hochdruck Spinellen hinweist. Die Fe2+-Mg Verteilung zwischen verschiedenen Mineralpaaren ist in sich konsistent mit Bezug auf die Bulk-Zusammensetzung und zeigt keinerlei Druckabhängigkeit. Der durch leichte Oxidation auftretende Pyroxen zeigt eine Fe2+-Mg Verteilung mit Olivin, die sehr gut mit Literaturdaten übereinstimmt, was auf die Einstellung eines zumindest lokalen Gleichgewichts in den Experimenten hindeutet. Die Molvolumina aller drei Spinelloide als auch Spinell nehmen kontinuierlich ab mit abnehmendem Fe3O4- und zunehmendem Mg-Gehalt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Woodland, Prof. Ph. Alan B.
Date of thesis defense: 27 June 2003
Date Deposited: 01 Jul 2003 09:03
Date: 2003
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
Controlled Keywords: Wadsleyit, Oberer Erdmantel, Mischkristall
Uncontrolled Keywords: Phasenbeziehungen , Spinelloid , Fe-Mg Verteilung , Molvolumen , Experimentelle MineralogiePhase relations , spinelloid , wadsleyite , Earth's mantle , Fe-Mg partitioning
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