Nous avons étudié des magmas ferrifères silicatés magnésiens à la pression du manteau terrestre en utilisant la dynamique moléculaire (First Principles Molecular Dynamics). Les résultats de l’équation d’état que nous avons obtenus à partir de nos simulations ont été utilisés pour créer un modèle chimique et minéralogique pour les zones de très basse vitesse sismique (ULVZ, anomalies régionales dans le manteau proche de la limite noyau-manteau). De plus, nous avons étudié le comportement du Ni, du Co et du Fe dans ces magmas et établi la dépendance du spin en fonction de la concentration, de la pression, de la température et du degré de polymérisation du magma silicaté. Nous avons montré qu’une baisse du spin moyen peut être corrélée au changement de pente (kink) observé précédemment pour les coefficients de partage du Ni et du Co. Nous avons analysé la structure du magma pour toutes les compositions étudiées en fonction de la pression. Nos résultats donnent un nouvel aperçu de la coordination des éléments majeurs et traces dans les magmas silicatés de différents degrés de polymérisation. Nous interprétons l’anomalie de coordination Ni-O en fonction de la pression comme un changement d’état de spin. L’effet de la polymérisation du magma silicaté sur les coefficients de partage du Co, du Ni et du W entre le métal et le magma silicaté a été étudié par expériences multi-enclumes en conditions isobares et isothermes. Nous avons réalisé des simulations FPMD de magmas à des degrés de polymérisation similaires aux expériences afin d’expliquer le caractère de plus en plus lithophile du W lorsque le degré de polymérisation du magma silicaté diminue. Nous proposons une explication structurale pour expliquer l’affinité décroissante apparente du W dans les magmas silicatés dépolymérisés. / We explore Fe-bearing Mg-silicate melts through the pressure regime of the Earth’s mantle using First Principles Molecular Dynamics (FPMD). The equation of state results we obtained from our simulations are used to create a chemical and mineralogical model for Ultra-Low Velocity Zones (anomalous region on the mantle side of the core-mantle boundary). Furthermore we study the behaviour of Ni, Co, and Fe in these melts, and asses their spin-crossover dependencies on their concentration, pressure, temperature, and the degree of polymerization of the silicate melts. We show that a decrease in the average spin can be correlated with the previously observed kink in the partitioning coefficient of Ni and Co. We investigate the melt structure of all the compositions studied as a function of pressure. Our results provide new insight into the coordination of major and trace elements in silicate melts with different degrees of polymerization. We interpret the anomalous Ni-O coordination trend with pressure as the result of the spin state change. The effect of silicate melt polymerization on the partitioning of Co, Ni, and W between a metal and silicate melt, is investigated at isobaric and isothermic conditions using multi-anvil experiments. We have performed FPMD simulations of melts with similar degrees of polymerization as the experiments in order to explain the increasing lithophile character of W with the decrease in polymerization of the silicate melt. We propose a structural explanation for tungsten’s apparent increased affinity for depolymerized silicate melts.

Assuming that liquid iron alloy from the outer core interacts with the solid silicate-rich lower mantle the influence on the core-mantle reflected phase PcP is studied. If the core-mantle boundary is not a sharp discontinuity, this becomes apparent in the waveform and amplitude of PcP. Iron-silicate mixing would lead to regions of partial melting with higher density which in turn reduces the velocity of seismic waves. On the basis of the calculation and interpretation of short-period synthetic seismograms, using the reflectivity and Gauss Beam method, a model space is evaluated for these ultra-low velocity zones (ULVZs). The aim of this thesis is to analyse the behaviour of PcP between 10° and 40° source distance for such models using different velocity and density configurations. Furthermore, the resolution limits of seismic data are discussed. The influence of the assumed layer thickness, dominant source frequency and ULVZ topography are analysed. The Gräfenberg and NORSAR arrays are then used to investigate PcP from deep earthquakes and nuclear explosions. The seismic resolution of an ULVZ is limited both for velocity and density contrasts and layer thicknesses. Even a very thin global core-mantle transition zone (CMTZ), rather than a discrete boundary and also with strong impedance contrasts, seems possible: If no precursor is observable but the PcP_model /PcP_smooth amplitude reduction amounts to more than 10%, a very thin ULVZ of 5 km with a first-order discontinuity may exist. Otherwise, if amplitude reductions of less than 10% are obtained, this could indicate either a moderate, thin ULVZ or a gradient mantle-side CMTZ. Synthetic computations reveal notable amplitude variations as function of the distance and the impedance contrasts. Thereby a primary density effect in the very steep-angle range and a pronounced velocity dependency in the wide-angle region can be predicted. In view of the modelled findings, there is evidence for a 10 to 13.5 km thick ULVZ 600 km south-eastern of Moscow with a NW-SE extension of about 450 km. Here a single specific assumption about the velocity and density anomaly is not possible. This is in agreement with the synthetic results in which several models create similar amplitude-waveform characteristics. For example, a ULVZ model with contrasts of -5% VP / -15% VS and +5% density explain the measured PcP amplitudes. Moreover, below SW Finland and NNW of the Caspian Sea a CMB topography can be assumed. The amplitude measurements indicate a wavelength of 200 km and a height of 1 km topography, previously also shown in the study by Kampfmann and Müller (1989). Better constraints might be provided by a joined analysis of seismological data, mineralogical experiments and geodynamic modelling. / Unter der Annahme, dass flüssiges Eisen aus dem äußeren Erdkern mit dem festen, silikat-reichen Unteren Mantel reagiert, wird eine Einflussnahme auf die Kern-Mantel Reflexionsphase PcP erwartet. Ist die Kern-Mantel Grenze aufgeweicht, und nicht wie bislang angenommen ein diskreter Übergang, so zeichnet sich dies in der Wellenform und Amplitude von PcP ab. Die Interaktion mit Eisen führt zu teilweise aufgeschmolzenen Bereichen höherer Dichte, welche die seismischen Wellengeschwindigkeiten herabsetzen. Basierend auf den Berechnungen von kurzperiodischen synthetischen Seismogrammen, mittels der Reflektivitäts- und Gauss Beam Methode, soll ein möglicher Modellraum dieser Niedriggeschwindigkeitszonen ermittelt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es das Verhalten von PcP im Distanzbereich von 10° bis 40° unter dem Einfluss dieser Modelle mit diversen Geschwindigkeits- und Dichtekontrasten zu untersuchen. Ferner wird das Auflösungsvermögen hinsichtlich seismischer Daten diskutiert. Entscheidende Parameter wie Anomaliedicke, Quellfrequenz und Topographie werden hierbei analysiert. Tiefe Erdbeben und Kernexplosionen, die sich im entsprechenden Entfernungsbereich zum Gräfenberg und NORSAR Array befinden, werden anschließend im Hinblick auf PcP ausgewertet. Das seismische Auflösungsvermögen von Niedriggeschwindigkeitszonen ist stark begrenzt sowohl in Bezug auf Geschwindigkeits- und Dichtekontraste als auch hinsichtlich der Mächtigkeit. Es besteht sogar die Möglichkeit einer dünnen, globalen Kern-Mantel Übergangszone, selbst mit großen Impedanzkontrasten, ohne dass dies mit seismologischen Methoden detektiert werden könnte: Wird kein precursor zu PcP beobachtet aber das PcPmodel /PcPsmooth Amplitudenverhältnis zeigt gleichzeitig eine Reduktion von mehr als 10%, dann könnte eine sehr dünne Niedriggeschwindigkeitszone von ca. 5 km Mächtigkeit und einer Diskontinuität erster Ordnung vorliegen. Andererseits, ist PcP um weniger als 10% reduziert, könnte dies entweder auf eine dünne, moderate Niedriggeschwindigkeitszone oder einen graduellen Kern-Mantel Übergang hindeuten. Die synthetischen Berechnungen ergeben starke Amplitudenvariationen als Funktion der Distanz, welche auf den Impedanzkontrast zurückzuführen sind. Dabei ergibt sich ein primärer Dichteeffekt im extremen Steilwinkelbereich und ein maßgeblicher Geschwindigkeitseinfluss im Weitwinkelbereich. Im Hinblick auf die modellierten Resultate lässt sich eine 10 - 13.5 km mächtige Niedriggeschwindigkeitszone 600 km südöstlich von Moskau mit einer NW-SE Ausdehnung von mindestens 450 km folgern, wobei eine exakte Aussage über Geschwindigkeiten und Dichte nicht möglich ist. Dies ist im Konsens mit den synthetischen Berechnungen, wonach viele unterschiedliche Modelle ähnliche Amplituden- und Wellenformcharakteristiken erzeugen. Zum Beispiel erklärt ein Modell mit Kontrasten von -5% VP / -15% VS and +5% Dichte die gemessenen PcP Amplituden. Darüber hinaus können unterhalb des südwestlichen Finnlands und nord-nordwestlich des Kaspischen Meeres Undulationen an der Kern-Mantel Grenze selbst vermutet werden. Unter Berücksichtigung früherer Studien, z. B. von Kampfmann and Müller (1989), deuten die Messergebnisse auf eine laterale Topographie von 200 km und eine Höhe von 1 km hin. Eine Eingrenzung der potentiellen Anomaliemodelle kann nur durch eine gemeinsame Auswertung mit mineralogischen Experimenten und geodynamischen Modellierungen erfolgen.