Determination of mineral-melt partitioning of Fe2+ and Fe3+: Constraints on redox evolution of the Earth's mantle

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K18655
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
• Research Institution: Ehime University
• Principal Investigator: Kuwahara Hideharu 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 助教 (50505394)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中田 亮一 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(高知コア研究所), 主任研究員 (50726958) ; 門屋 辰太郎 東京工業大学, 地球生命研究所, 特任助教 (60801347)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2024-03-31
• Keywords: マグマオーシャン / 下部マントル / 鉄価数 / XANES / 酸化還元度

Outline of Final Research Achievements

To constrain the vertical distributions ofFe2+ and Fe3+ in the Earth's mantle, we conducted high-pressure experiments on redox disproportionation of Fe2+ in the deep magma ocean and partitioning of Fe2+ and Fe3+ between bridgmanite and melt at the uppermost lower mantle conditions. Our results indicate that the surface of the Earth's magma ocean and solidified mantle would have been oxidized, probably more than today. To explain the descrepancy of the redox state of the mantle between our estimations and geological constraints since the Archean, we proposed the reduction of a shallow part of the mantle by late accreting impactors.

Free Research Field

比較惑星学、高圧地球科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

われわれ地球生命が地球上でどのように誕生したのか、またその当時の環境はどのようなものであったのか、という問いは科学史上最大の謎のひとつである。本研究課題で取り組んだマントルの酸化状態は表層に供給される火山ガス組成に大きな影響を与えるため、初期地球の大気組成や表層環境を推定する上で重要な手がかりを与えることが期待される。われわれの結果によって地球は誕生間もない頃、二酸化炭素や二酸化硫黄といった現在の生命には有毒な火山ガスが表層に供給され、生命が生きていくうえで過酷な惑星表層環境が形成していたことが示唆された。