Aktivitätskoeffizienten von Si und Cr in Fe-Ni-Legierungen und ihre Relevanz für die Thermodynamik planetarer Differentiationsprozesse

Die Erde und viele andere planetare Körper besitzen Eisennickel-Kerne. Diese resultieren aus einer zumindest partiellen Aufschmelzung in der Frühphase ihrer Geschichte. Durch die Gravitation hat sich dabei das schwerere Metall vom leichteren Silicat abgetrennt und ist in den Mittelpunkt des Körpers gesunken. Auf diese Weise entstand daraus der Metallkern. Während dieses Segregationsprozesses stand das Metall im Gleichgewicht mit dem Silicat. Eine geringe Menge des Elements Silicium wird � abhängig von Temperatur und Sauerstoffpartialdruck � aus der Oxidationsstufe +IV zum elementaren Silicium reduziert. Dieses Si wandert in die Metallphase und wird mit ihr in den Kern extrahiert. Die Menge des Si im Fe-Ni-Kern ist demnach ein empfindlicher Indikator für Temperatur und Sauerstoffpartialdruck bei der Kernbildung. Die meisten Gruppen der Eisenmeteorite werden als Derivate solcher Metallkerne angesehen, die sich während des Aufschmelzens von Planetesimalen gebildet haben. Der Si-Gehalt in Eisenmeteoriten sollte daher Temperatur und Sauerstoffpartialdruck bei ihrer Bildung widerspiegeln. Bisher waren die Si-Gehalte in Eisenmeteoriten nicht bekannt, weil diese unter den Nachweisgrenzen der verwendeten analytischen Methoden (Elektronenstrahl- Mikroanalyse) liegen. Auch der zu weiteren Berechnungen notwendige Aktivitätskoeffizient von Silicium in Eisennickel-Legierungen war bisher nicht ausreichend bekannt. In dieser Arbeit wurden daher die Aktivitätskoeffizienten von Si in FeNi mittels Ofenexperimenten bestimmt. Dazu wurden als Modellsysteme Silicatschmelzen verwendet, die mit FeNi-Legierungen verschiedener Zusammensetzungen bei unterschiedlichen Temperaturen äquilibriert wurden. Der Si-Gehalt wurde dann per Elektronenstrahl-Mikroanalyse bestimmt und der Aktivitätskoeffizient gamma(Si Me) berechnet. Exemplarisch sollen hier die für Meteorite wichtigen Werte für einen Ni-Massenanteil von 0 (jeweils erster Wert) und 10 % (zweiter Wert) wiedergegeben werden: 1250 °C: 3,3E-4 und 2E-4; 1300 °C: 2,9E-4 und 2,1E-4; 1350 °C: 4,5E-4 und 2,5E-4; 1400 °C: 5,6E-4 und 4,5E-4. Der Aktivitätskoeffizient von Chrom in Eisennickel-Legierungen wurde auf ähnliche Weise bestimmt, indem festes Cr2O3 mit Metall äquilibriert wurde. Danach wurde ebenfalls eine Elektronenstrahl-Mikroanalyse des Cr-Gehalts im Metall durchgeführt und der Aktivitätskoeffizient gamma(Cr Me) berechnet. Wieder sollen hier die für Meteorite wichtigen Werte bei Ni-Massenanteilen von 0 und 10 % angegeben werden: 1300 °C: 2,2 und 1,9; 1350 °C: 0,72 und 3,03; 1400 °C: 1,52 und 1,34. In Kooperation mit dem Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques in Nancy, Frankreich, wurden mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie die Si- Gehalte verschiedener magmatischer und nicht-magmatischer Eisenmeteorite bestimmt. Sie liegen für alle untersuchten Eisenmeteorite bei ca. 0,2 µg/g. Zusammen mit den Aktivitätskoeffizienten von Si in FeNi konnten dann Äquilibrierungstemperaturen für Eisenmeteorite berechnet werden. Es zeigte sich, daß diese bei relativ niedrigen Werten um 1250 °C lagen. Durch Massenbilanzrechnungen konnte weiterhin gezeigt werden, daß die beobachteten niedrigen Si-Gehalte nur durch solche niedrigen Temperaturen in Verbindung mit niedrigen Sauerstoffpartialdrücken erklärt werden können. Dieselben Si-Gehalte könnten zwar auch mit höheren Sauerstoffpartialdrücken bei höheren Temperaturen erreicht werden, dies hätte aber gleichzeitig ein Ansteigen des Ni-Gehaltes des Kern zufolge. Die meisten Eisenmeteorite enthalten aber geringere Ni-Gehalte, womit eine Entstehung bei hohen Temperaturen und Sauerstoffpartialdrücken sehr unwahrscheinlich ist