Die P-T-Bedingungen des Übergangs der SiO₂-Polymorphe Coesit (Coe) - Stishovit (Sti) wurden in zahlreichen experimentellen Studien im reinen SiO₂-System untersucht (z. B. Ono et al., 2017). Coe und Sti können jedoch durch verschiedene Substitutionsmechanismen erhebliche Mengen an Al und H in ihre Strukturen einbauen. In diesem Projekt untersuchen wir den Einfluss von Al₂O₃ und H₂O auf die Lage des Coe-Sti-Übergangs bei P und T unter Verwendung der Multi-Anvil-Presse am Synchrotron PETRA III, Hamburg, in Kombination mit in situ Röntgenbeugungsmessungen. Als Ausgangsmaterial verwenden wir 100 % Sti, das vor unseren Gleichgewichtsexperimenten in situ bei 9 GPa und 900 °C aus einer Mischung von amorphem SiO₂ plus 1 Gew.-% γ-Al₂O₃ plus 10 Gew.-% H₂O (gefüllt in röntgentransparente Titankapseln) gebildet wurde.

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Dr. Christian Lathe

Dr. Bernd Wunder

Prof. Monika Koch-Müller (Gast)

Partner

Dr. Robert Farla, Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, PETRA III Extension

Die Anwesenheit von Wasser in der Erdkruste und im Erdmantel hat enorme Auswirkungen auf die dort ablaufenden geodynamischen Prozesse, da der eingebaute Wasserstoff die physikalischen Eigenschaften der Minerale, wie z.B. den Schmelzpunkt, das rheologische Verhalten (hydrolytical weakening) und die Transformationskinetik ändert. Außer in wasserhaltigen Mineralen wie Amphibol, Serpentin und Talk kann Wasserstoff auch in nominell wasserfreien Mineralen (NAMs), wie z.B. Coesite, Pyroxen, Granat und Olivin eingebaut werden. Der Wasserstoff in diesen Mineralen ist strukturell als Punktfehler eingebaut.
Eine geeignete Methode, Spuren von Wasserstoff in Mineralen nachzuweisen, ist die IR-Spektroskopie.


Transmissionselektronenmikroskopische Analysen von Olivin (Khisina et al., 2001) und Klinopyroxen (Koch-Müller et al., 2004) zeigten, dass die Anwesenheit von wasserhaltigen Einschlüssen die IR-Spektren beeinflussen kann und daher der Wassergehalt der Kristalle überschätzt werden kann. Eine korrekte Interpretation der IR-Spektren setzt also eine mikrostrukturelle Untersuchung der Minerale voraus.

Zur Zeit untersuchen wir den Einbaumechanismus und die Löslichkeit von Wasserstoff in folgende nominell wasserfreie Minerale:

Olivin, Pyroxen, Granat, Kyanit, Coesit, Stishovit.

Wir nutzen die Transmissionselektronenmikroskopie zur mikrostrukturellen Analyse, z.B. zur Prüfung auf die Anwesenheit von Einschlüssen. Zur Analyse des Einbaumechanismus und zur Lokalisierung des Wasserstoffs in den Strukturen nutzen wir konventionelle und Synchrotron-IR-Strahlung bei Raumbedingungen aber auch in-situ als Funktion von Druck oder Temperatur.

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Dr. Bernd Wunder

Prof. Monika Koch-Müller

Partner

Dr. Ulrich Schade, Helmholtz Zentrum Berlin, Institut Methoden der Materialentwicklung

Lawsonit (CaAl₂Si₂O₇(OH)₂-H₂O) ist ein wichtiges gesteinsbildendes Mineral mit 11,5 Gew.-% H₂O in seiner Kristallstruktur. Es kommt in Blauschiefern und Eklogiten vor, weshalb seine Entwässerung eine wichtige Rolle während Subduktionsprozessen spielt. Die wichtigste Entwässerungssreaktion von Lawsonit ist seine Zersetzung zu Granat, Kyanit, Coesit und H₂O im Druck-/Temperaturbereichen 4 - 8 GPa/800 - 1000°C. Der Ort der Reaktion im P/T-Raum ist jedoch aufgrund des begrenzten Datenmaterials in diesem Bereich nicht gut eingegrenzt. Ziel dieser Studie ist es daher, diese Wissenslücken durch die Durchführung von HP/HT-Experimenten mit der Multi-Anvil-Presse am Synchrotron PETRA III, Hamburg, in Kombination mit in situ Röntgenbeugungsmessungen zu schließen. Ausgangsmaterial ist sehr reiner natürlicher Lawsonit, der mit Wasser im Überschuss in röntgentransparente Ti-Kapseln gefüllt wird.

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Prof. Monika Koch-Müller

Dr. Christian Lathe

Partner

Dr. Melanie Sieber, Universität Potsdam

Dr. Robert Farla, Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, PETRA III Extension

Experimentelle Studien zeigen, dass dichte wasserhaltige Silikate unter Erdmantelbedingungen bis zu Tiefen größer als 200 km stabil sind: z.B. Phase A, Phase B, Phase E, „superhydrous phase B (shy B)“, Phase Egg. Wenn sie tatsächlich im Erdmantel vorkommen sollten, könnten sie Wasser bis in große Erdtiefen bringen und ihre Entwässerung in heißeren Zonen des Erdmantels könnte für die oft beobachteten Tiefenbeben verantwortlich sein. Zum tieferen Verständnis des Wasserzyklus der Erde ist es wichtig, mehr über die Stabilitäten und Phasenbeziehungen bei P und T zu lernen (z.B. Entwässerungsreaktionen).

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Dr. Bernd Wunder

Dr. Christian Lathe

Dr. Sergio Speziale

Prof. Monika Koch-Müller

Partner

Prof. Mainak Mookherjee, Florida State University, Tallahassee

Prof. Mark David Welch, The Natural History Museum, London

Dr. Hanns-Peter Liermann, Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Hamburg

Wir untersuchen das Schmelzverhalten von Karbonaten im System CaCO₃-MgCO₃ bei 6 und 9 GPa und hohen Temperaturen in einer Multi-Anvil-Presse. Wir benutzen den Rotationsmodus der Presse, um die Phasenbeziehungen während des Schmelzens der Karbonate im Mg-reichen Teil des Systems in der An- und Abwesenheit von H₂O zu untersuchen. Frühere Arbeiten berichteten über enorme Schwierigkeiten während des Abschreckens der Experimente, da sie die primär gewachsenen Kristalle nicht mehr von der abgeschreckten Schmelze unterscheiden konnten. Wir äquilibrieren das System bei 6 GPa und T über 6 Stunden durch kontinuierliche Rotationsbewegung der gesamten Presse und lassen so die primären Karbonate in der Schmelze schwimmen und wachsen. Kurz bevor wir die Heizung unterbrechen (T quenchen), stoppen wir die Rotation und können so die Kristalle von der Schmelze trennen, da sie absinken. Im Vergleich zu den Ergebnissen statischer Experimente zeigt das entsprechende  Phasendiagramm signifikante Unterschiede.

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Prof. Monika Koch-Müller

Dr. Hans Josef Reichmann

Partner

Dr. Melanie Sieber, Universität Potsdam

Dr. Robert Farla, Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Hamburg

Funding

DFG, GFZ