Lélia Libon

• Carbonates carried in subducting slabs may play a major role in sourcing and storing carbon in the deep Earth’s interior. Current estimates indicate that between 40 to 66 million tons of carbon per year enter subduction zones, but it is uncertain how much of it reaches the lower mantle. It appears that most of this carbon might be extracted from subducting slabs at the mantle wedge and only a limited amount continues deeper and eventually reaches the deep mantle. However, estimations on deeply subducted carbon broadly range from 0.0001 to 52 million tons of carbon per year. This disparity is primarily due to the limited understanding of the survival of carbonate minerals during their transport to deep mantle conditions. Indeed, carbon has very low solubility in mantle silicates, therefore it is expected to be stored primarily in accessory phases such as carbonates. Among those carbonates, magnesite (MgCO3), as a single phase, is the most stable under all mantle conditions. However, experimental investigation on the stability ofCarbonates carried in subducting slabs may play a major role in sourcing and storing carbon in the deep Earth’s interior. Current estimates indicate that between 40 to 66 million tons of carbon per year enter subduction zones, but it is uncertain how much of it reaches the lower mantle. It appears that most of this carbon might be extracted from subducting slabs at the mantle wedge and only a limited amount continues deeper and eventually reaches the deep mantle. However, estimations on deeply subducted carbon broadly range from 0.0001 to 52 million tons of carbon per year. This disparity is primarily due to the limited understanding of the survival of carbonate minerals during their transport to deep mantle conditions. Indeed, carbon has very low solubility in mantle silicates, therefore it is expected to be stored primarily in accessory phases such as carbonates. Among those carbonates, magnesite (MgCO3), as a single phase, is the most stable under all mantle conditions. However, experimental investigation on the stability of magnesite in contact with SiO2 at lower mantle conditions suggests that magnesite is stable only along a cold subducted slab geotherm. Furthermore, our understanding of magnesite’s stability when interacting with more complex mantle silicate phases remains incomplete. In the first part of this dissertation, laser-heated diamond anvil cells and multi-anvil apparatus experiments were performed to investigate the stability of magnesite in contact with iron-bearing mantle silicates. Sub-solidus reactions, melting, decarbonation and diamond formation were examined from shallow to mid-lower mantle conditions (25 to 68 GPa; 1300 to 2000 K). Multi-anvil experiments at 25 GPa show the formation of carbonate-rich melt, bridgmanite, and stishovite with melting occurring at a temperature corresponding to all geotherms except the coldest one. In situ X-ray diffraction, in laser-heating diamond anvil cells experiments, shows crystallization of bridgmanite and stishovite but no melt phase was detected in situ at high temperatures. To detect decarbonation phases such as diamond, Raman spectroscopy was used. Crystallization of diamonds is observed as a sub-solidus process even at temperatures relevant and lower than the coldest slab geotherm (1350 K at 33 GPa). Data obtained from this work suggest that magnesite is unstable in contact with the surrounding peridotite mantle in the upper-most lower mantle. The presence of magnesite instead induces melting under oxidized conditions and/or foster diamond formation under more reduced conditions, at depths ∼700 km. Consequently, carbonates will be removed from the carbonate-rich slabs at shallow lower mantle conditions, where subducted slabs can stagnate. Therefore, the transport of carbonate to deeper depths will be restricted, supporting the presence of a barrier for carbon subduction at the top of the lower mantle. Moreover, the reduction of magnesite, forming diamonds provides additional evidence that super-deep diamond crystallization is related to the reduction of carbonates or carbonated-rich melt. The second part of this dissertation presents the development of a portable laser-heating system optimized for X-ray emission spectroscopy (XES) or nuclear inelastic scattering (NIS) spectroscopy with signal collection at near 90◦. The laser-heated diamond anvil cell is the only static pressure device that can replicate the pressure and temperatures of the Earth’s lower mantle and core. The high temperatures are reached by using high-powered lasers focused on the sample contained between the diamond anvils. Moreover, diamonds’ transparency to X-rays enables in situ X-ray spectroscopy measurements that can probe the sample under high-temperature and high-pressure conditions. Therefore, the development of portable laser-heating systems has linked high-pressure and temperature research with high-resolution X-ray spectroscopy techniques to synchrotron beamlines that do not have a dedicated, permanent, laser-heating system. A general description of the system is provided, as well as details on the use of a parabolic mirror as a reflective imaging objective for on-axis laser heating and radiospectrometric temperature measurements with zero attenuation of incoming X-rays. The parabolic mirror improves the accuracy of temperature measurements free from chromatic aberrations in a wide spectral range and its perforation permits in situ X-rays measurement at synchrotron facilities. The parabolic mirror is a well-suited alternative to refractive objectives in laser heating systems, which will facilitate future applications in the use of CO2 lasers.…
• Karbonate, die von subduzierenden Platten mitgeführt werden, könnten eine wichtige Rolle bei der Transport und Speicherung von Kohlenstoff im tiefen Erdinneren spielen. Aktuellen Schätzungen zufolge gelangen pro Jahr zwischen 40 und 66 Millionen Tonnen Kohlenstoff über Subduktionszonen ins Erdinnere, aber es ist unbekannt, wie viel davon den unteren Erdmantel erreicht. Es gibt Hinweise darauf, dass der größte Teil dieses Kohlenstoffs aus den subduzierenden Platten am Mantelkeil extrahiert wird und nur eine begrenzte Menge den tiefen Erdmantel erreicht. Die Schätzungen über tief subduzierten Kohlenstoff reichen von 0,0001 bis 52 Millionen Tonnen Kohlenstoff pro Jahr. Diese Diskrepanz ist in erster Linie auf das begrenzte Wissen über die Stabilität von Karbonatmineralen während ihres Transports in den tiefen Erdmantel zurückzuführen. In der Tat hat Kohlenstoff eine sehr geringe Löslichkeit in Mantelsilikaten, daher wird erwartet, dass er hauptsächlich in akzessorischen Phasen wie Karbonaten gespeichert wird. Unter diesen Karbonaten nurKarbonate, die von subduzierenden Platten mitgeführt werden, könnten eine wichtige Rolle bei der Transport und Speicherung von Kohlenstoff im tiefen Erdinneren spielen. Aktuellen Schätzungen zufolge gelangen pro Jahr zwischen 40 und 66 Millionen Tonnen Kohlenstoff über Subduktionszonen ins Erdinnere, aber es ist unbekannt, wie viel davon den unteren Erdmantel erreicht. Es gibt Hinweise darauf, dass der größte Teil dieses Kohlenstoffs aus den subduzierenden Platten am Mantelkeil extrahiert wird und nur eine begrenzte Menge den tiefen Erdmantel erreicht. Die Schätzungen über tief subduzierten Kohlenstoff reichen von 0,0001 bis 52 Millionen Tonnen Kohlenstoff pro Jahr. Diese Diskrepanz ist in erster Linie auf das begrenzte Wissen über die Stabilität von Karbonatmineralen während ihres Transports in den tiefen Erdmantel zurückzuführen. In der Tat hat Kohlenstoff eine sehr geringe Löslichkeit in Mantelsilikaten, daher wird erwartet, dass er hauptsächlich in akzessorischen Phasen wie Karbonaten gespeichert wird. Unter diesen Karbonaten nur Magnesit (MgCO3) ist unter allen Mantelbedingungen stabil. Experimentelle Untersuchungen über die Stabilität von Magnesit im Kontakt mit SiO2 bei niedrigeren Mantelbedingungen legen jedoch nahe, dass Magnesit nur entlang einer kalten subduzierten Plattengeotherme stabil ist. Im ersten Teil dieser Dissertation wurden Hochdruck- und Hochtemperaturexperimente unter Verwendung der laserbeheizten Diamantstempelzellen und Vielstempel-Pressen durchgeführt, um die Stabilität von Magnesit im Kontakt mit eisenhaltigen Mantelsilikaten bei Bedingungen im unteren Mantel zu untersuchen. Die aus dieser Arbeit gewonnenen Daten legen nahe, dass Magnesit im Kontakt mit dem umgebenden Peridotitmantel im oberen Teil des unteren Mantel instabil ist. Das Vorhandensein von Magnesit induziert stattdessen das Schmelzen unter oxidierten Bedingungen und/oder fördert die Bildung von Diamanten unter reduzierten Bedingungen in einer Tiefe von ~700 km. Infolgedessen werden die Karbonate aus den Platten entfernt und nicht in größere Tiefen transportiert, was für das Vorhandensein einer Barriere für die Kohlenstoffsubduktion an der Spitze des unteren Mantels spricht. Darüber hinaus liefert die Reduktion von Magnesit, aus der Diamanten entstehen, einen zusätzlichen Beweis dafür, dass die Kristallisation von Diamanten in großer Tiefe mit der Reduktion von Karbonaten oder karbonatreicher Schmelze zusammenhängt. Im zweiten Teil dieser Dissertation wird die Entwicklung eines portabel Laserheizsystems vorgestellt, das für die Röntgenemissionsspektroskopie (XES) und die Spektroskopie mit nuklearer inelastischer Streuung (NIS) optimiert ist. Das Signal kann hierbei aus einer Diamantstempelzellein einem Winkel von nahezu 90◦ gesammelt werden. Die laserbeheizte Diamantstempelzelle ist das einzige statische Druckgerät, das den Druck und die Temperaturen des unteren Erdmantels und des Erdkerns erzeugenkann. Die hohen Temperaturen werden durch den Einsatz von Hochleistungslasern erreicht, die auf die Probe gerichtet sind, welche sich zwischen den Diamantstempeln befindet. Darüber hinaus ermöglicht die Transparenz von Diamanten im Wellenlängenbereich von Röntgenstrahlung in-situ röntgenspektroskopische Messungen, mit denen die Probe unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen untersucht werden kann. Um hierbei ausreichende Intensitäten im ausgehenden Signal zu erreichen, wurde das portabel Laserheizsystem für den Einsatz an Synchrotronanlagen konzipiert, die über keine eigenen Laserheizanlagen für Diamantstempelzellen verfügen. Beschrieben wird der allgemeine Aufbau des Systems. Außerdem werden Einzelheiten der Verwendung eines Parabolspiegels als reflektivem abbildenden Objektivs für die Laserheizung dargelegt. Der Parabolspiegel ist eine gut geeignete Alternative zu refraktiven Objektiven in Laserheizsystemen und wird künftige Anwendungen beim Einsatz von CO2-Lasern erleichtern.…