The characterization of the volcanic volatile outgassing is central for investigating the composition and the development of rocky planet atmospheres. I have analysed the volcanic gas release via numerical simulations of the volatile pathway from the mantle to the atmosphere of a planet. The thesis has been carried out as a subproject within the Transregional Collaborative Research Center TRR 170 ”Late accretion onto terrestrial planets” which gave the opportunity to collaborate with other subprojects and research institutions. The aim of the thesis was to develop a numerical model for characterising the volcanic outgassed composition during the early Earth evolution. The core of this research is the volatile chemical speciation model which simulates the volcanic outgassing considering the C-O-H system. I designed the model following the ”Mass balance and equilibrium” method (French, 1966; Holloway, 1981; Holland, 1984; Huizenga, 2005; Fegley, 2013; Gaillard and Scaillet, 2014; Schaefer and Fegley, 2017) taking into consideration the principal factors that define the outgassed composition of a silicate melt namely: pressure, temperature and redox state. The volatile chemical speciation is calculated considering that the volatile species are in chemical equilibrium with the silicate melt and an ideal gas behaviour. The redox state of the system was reproduced by using some of the most common petrological mineral buffers (Holloway et al., 1992), for both reducing or oxidising conditions. The collected results demonstrate how the magma redox state is the driving parameter that affects the final outgassed composition. In reducing conditions (QIF and IW buffers) the principal outgassed species are H2 and CO whereas, in oxidising states (NiNiO and QFM buffers) the dominant volatile species are H2O and CO2. In order to investigate the volatile outgassing at a global scale, the volatile chemical speciation model was coupled with different models that reproduce the mantle convection regime (Noack and Breuer, 2013; Noack et al., 2014, 2017) and the corresponding outgassed atmospheres (Dorn et al., 2018). The coupling of the models is employed to investigate the volatile outgassing at different conditions. In Guimond et al. (2021), we investigated the early Earth evolution outgassing during the magma ocean stage. Still considering a global Earth magma ocean, in Katyal et al. (2020) we simulated the degassed atmospheric composition, H2 escape and the infrared emission/transmission. Ortenzi et al. (2020) analyses the degassing for rocky planets considering a stagnant lid regime and calculating the outgassed atmospheric compositions and radial extents. The volatile chemical speciation model was extended to include also the sulphur species (H2S, S2 and SO2) and for simulating the real gas behaviour. At the moment the simulations of the C-O-H-S system are only for a limited range of temperature and pressure, and the model needs further improvements for being employed in global outgassing simulations. In conclusion, the thesis includes a detailed description of the developed volatile chemical speciation models showing both their points of weakness and their versatility for investigating the volatile composition of outgassed atmospheres at different planet evolutionary stages.
Um die Entstehung und Entwicklung von Atmosphären terrestrischer Planeten zu verstehen, ist es von zentraler Bedeutung das Verhalten und die Charakteristiken freiwerdender volatiler Stoffe bei vulkanischen Ausgasungsprozessen zu untersuchen. In dieser Dissertation wird mittels numerischer Simulierung der Weg vulkanischer Gase von ihrer gebundenen Form im Mantel bis hin zu ihrer freien Form in der Atmosphäre zurückverfolgt und deren Zusammensetzung analysiert. Die Promotionsarbeit ist im Rahmen des Transregio Sonderforschungsbereiches 170 (SFB TRR 170) ”Late accretion onto terrestrial planets” angefertigt worden, wodurch Möglichkeiten zu Kollaborationen mit weiteren Gruppen und Instituten innerhalb des Projektes genutzt werden konnten. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines numerischen Modells zur Bestimmung der Gaszusammensetzung, die während der Frühgeschichte und Evolution der Erde durch vulkanische Prozesse ausgegast wurde. Im Zentrum steht dabei das Modell zur chemischen Speziierung von volatilen Elementen, das die Zusammensetzung des Gases innerhalb des C-O-H Systems simuliert. Es wurde mittels der Massenbilanzierungs- und Gleichgewichtsmethode entworfen (French, 1966; Holloway, 1981; Holland, 1984; Huizenga, 2005; Fegley, 2013; Gaillard and Scaillet, 2014; Schaefer and Fegley, 2017) und berücksichtigt die wichtigsten Faktoren, die die Ausgasungsprozesse silikatischer Schmelzen beeinflussen, nämlich Druck, Temperatur und Redox-Zustand. Die volatile chemische Speziierung wird unter Berücksichtigung des chemischen Gleichgewichts mit der silikatischen Schmelze unter der Annahme von idealem Gasverhalten berechnet. Der Redox-Zustands des Systems wird sowohl für reduzierende als auch oxidierende Bedingungen durch die in der Petrologie üblichen Mineralpuffer reproduziert (Holloway et al., 1992). Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Zusammensetzung der ausgegasten Verbindungen hauptsächlich durch den Redox-Zustand des Magmas bestimmt wird. In reduzierenden Bedingungen (QIF und IW Puffer) wird hauptsächlich H2 und CO frei, während in oxidierenden Bedingungen (NiNiO und QFM Puffer) überwiegend H2O und CO2 ausgast. Um die Ausgasungsprozesse global zu untersuchen, wurde das volatile Speziierungs-Modell mit weiteren Modellen zur Reproduktion verschiedener Mantelkonvektionsregime (Noack and Breuer, 2013; Noack et al., 2014, 2017) und deren zugehörigen ausgegasten Atmosphären (Dorn et al., 2018) kombiniert. Durch die Verbindung der Modelle lässt sich das Ausgasen unter verschiedenen Umwelteinflüssen und Bedingungen untersuchen. In Guimond et al. (2021) wurde die Entwicklung der Ausgasung während der Magma Ocean Phase der frühen Erdgeschichte untersucht. Katyal et al. (2020) haben weiterhin, unter der Berücksichtigung eines globalen Magma Ozeans, die Zusammensetzung der ausgegasten Atmosphäre, den H2 Verlust und die infrarot Emission sowie Transmission simuliert. In Ortenzi et al. (2020) wurden hingegen die Ausgasungsprozesse für terrestrische Planeten im ’Stagnant Lid Regime’ simuliert sowie die Zusammensetzung und die radiale Ausdehnung der Atmosphäre berechnet. Des Weiteren wurde das volatile Speziierungs-Modell um Schwefel Verbindungen (H2S, S2 und SO2) und das Verhalten von realen Gasen erweitert. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind die Simulationen des C-O-H-S Systems jedoch durch limitierte Druck- und Temperaturbereiche beschränkt und benötigen Verbesserungen, um für die globalen Ausgasungssimulationen verwendet werden zu können. Zusammengefasst beinhaltet diese Dissertation eine detaillierte Beschreibung des entwickelten Gas-Speziierungs-Modell, wobei sowohl die Schwächen als auch die Vielseitigkeit der Methode zur Untersuchung der Zusammensetzung ausgegaster Atmosphären während verschiedener planetarer Entwicklungsstufen aufgezeigt werden.
