Spinelle (AB₂O₄) gehören zu den am häufigsten vorkommenden Nicht-Silikaten der Erdkruste und des oberen Mantels. Ein charakteristisches Merkmal dieser Mineralgruppe ist die Fähigkeit, ein breites Spektrum von Kationen aufnehmen zu können.

Silikate können ebenfalls Spinellstruktur haben. Tatsächlich ist Ringwoodit (Mg,Fe)₂SiO₄ eines der am häufigsten vorkommenden Minerale in der Übergangszone (zwischen 410-660 km Tiefe).   

Wir untersuchen in diesem Projekt die Effekte der Kationensubstitution, der Inversion und der Kationenunordnung in einem weiten Druckbereich. Die angewandten Methoden sind Brillouin -und Ramanstreuung, Synchrotron -Röntgendiffraktometrie sowie 'First Principles' Berechnungen.

Abb.: Die elastischen Moduli Cij von Spinell-Galaxit (MgAl₂O₄-MnAl₂O₄) als Funktion der Mg-Mn Substitution

Granate (A₃B₂Si₃O₁₂) findet man häufig in der Erdkruste. Sie gehören zu den Hauptbestandteilen des oberen Mantels und der Übergangszone. Bisher wurden mehr als 30 Arbeiten veröffentlicht, die sich mit der Bestimmung des hanzen elastischen Tensors befassen. Durch die überaus große Anzahl chemischer Substitutionen ist unser Verständnis des Effekts dieser Substitutionen auf die elastischen Eigenschaften noch sehr unvollständig.

Wir untersuchen mittels Brillouinmessungen an einer Reihe von natürlichen und synthetischen Einkristallgranaten die Kationensubstitutionen. Zudem untersuchen wir den Effekt des OH-Einbaus in natürlichem Spessartin (Mn₃Al₂Si₃O₁₂) und Andradit (Ca₃Fe₂Si₃O₁₂).

Abb.: Die elastischen Konstanten von natürlichem Hydrospessartin (∼Mn₃Al₂(SiO₄)_2.5(H₄O₄)_0.5) im Vergleich zum wasserfreien Endglied ∼Mn₃Al₂(SiO₄)_2.5(H₄O₄)_0.5. Die durchgezogenen Linien sind Modellrechnungen basierend auf dem System Grossular (Ca₃Al₂Si₃O₁₂)-Hibschit (Ca₃Al₂(SiO₄)_1.74(O₄H₄)_1.28).

Wir untersuchen die elastischen Eigenschaften von Portlandit, der ein wichtiger Bestandteil von Zement ist und einen Prototyp für ein anisotropes Schichtmineral darstellt. Die druckinduzierte Amorphisierung, die Effekte verschiedener experimenteller Anordnungen und mögliche Strategien zur Optimierung der Analyse der Volumina und axialer Deformationen für die Bestimmung der Zustandsgleichung anisotroper Festkörper sind hier von besonderer Bedeutung. Wir bestimmen die elastischen Eigenschaften und die Zustandsgleichung bei hohen Drücken in Diamantzellen und Vielstempelapparaturen.

Abb.: Isotherme Kompressionskurve von Portlandit (Ca(OH)₂) berechnet aus Volumenmessungen mittels verschiedener Hochdruckgeräte. (LVP: Multi Anvil Presse, DAC: Diamant-Stempelapparatur). Farbige Symbole: unsere Messpunkte, durchgezogene und gestrichelte Linien: berechnete Kompressionskurven basierend auf den LVP und DAC Messpunkten. Die Kompressionskurven unterscheiden sich sehr bedingt durch die große Empfindlichkeit von Portlandit gegenüber nicht-hydrostatischer Druckverteilung in verschiedenen Hochdruckgeräten.

Wir untersuchen strukturelle und elastische Eigenschaften von silikatischen Gläsern bei hohen Drücken mit Zusammensetzungen, die die wichtigsten Komponenten des Erdmantels enthalten. Bestimmungen der Schallwellengeschwindigkeiten werden benutzt um die in-situ Hochdruck-Dichten zu berechnen.

Abb.: Druckabhängigkeit der akustischen Geschwindigkeiten von MgSiO₃-Glas bis 25 GPa bei Zimmertemperatur. Das Diagramm zeigt einen außergewöhnlichen Verlauf der Druckabhängigkeit bei ungefähr 7 GPa und eine große Hysterese bei der Dekompression. Dies sind typische Anzeichen von Veränderungen im Kompressionsverhalten von amorphen Silikaten.