Noble gases in silicate perovskite: Solubility, dissolution mechanism and influence on the equation of state
Final Report Abstract
Die Löslichkeit der Edelgase Argon, Krypton und Xenon in MgSiO3-Perovskit, dem wichtigsten Mineral des unteren Erdmantels, wurde erstmals gemessen. Hierzu wurde MgSiO3-Perowskit in Multi-Anvil-Experimenten bei 25 GPa und 1600 bis 1800 °C in einer Edelgasatmosphäre synthetisiert. Die Argon-Gehalte in den Proben wurden mit Elektronenstrahl-Mikrosonde, die Gehalte an Krypton und Xenon mit Laser-Ablations-ICP/MS-gemessen. Hierzu mussten neue Messmethoden entwickelt werden. Die Daten zeigen dass die Löslichkeit von Argon in Silikat-Perowskit extrem hoch ist, bis über 1 Gew. %, während die Löslichkeit von Krypton etwas geringer und die von Xenon (ca. 300 ppm) viel geringer ist. Die Ergebnisse sind konsistent mit dem Einbau von Edelgasen auf Sauerstoff-Leerstellen, deren Ladung durch die Substitution von geringen Mengen von Al3+ gegen Si4+ im Perowskit kompensiert wird. Die unterschiedlichen Löslichkeiten der Edelgase ergeben sich daraus dass der Radius von Ar ähnlich ist dem Radius einer Sauerstoff-Leerstelle, während Xenon für diese Leerstellen viel zu groß ist. Die Arbeitshypothese dieses Projektes wurde daher in vollem Umfang bestätigt. Durch Zufall wurde während dieses Projektes außerdem festgestellt, dass Phase X, ein kompliziertes Silikat mit K+-Leerstellen, ebenfalls bis zu 0.5 Gew. % Argon aufnehmen kann. Die hier erhaltenen Daten geben eine einfache Erklärung für die relative Häufigkeit der Edelgase auf der Erde. Ein Charakteristikum der „terrestrischen Edelgassignatur" ist die starke Abreicherung von Xenon relativ zu Argon. Diese Verarmung von Xenon war bisher kaum zu erklären, da Xenon im Vergleich zu Argon sehr viel weniger leicht in den Weltraum entweichen sollte. Bei der Kristallisation eines Magmenozeans wurde wahrscheinlich eine große Menge von Argon in der Perowskit-Phase des unteren Mantels gespeichert, während die Edelgase an der Erdoberfläche durch hydrodynamischen Verlust weitgehend verloren gingen. Reste dieser ursprünglichen Atmosphäre wurden dann später durch Entgasung von Argon (aber nicht von Xenon) aus dem unteren Mantel wieder aufgefüllt. Dies erklärt nicht nur die viel höhere Häufigkeit von Argon, sondern auch die unterschiedlichen isotopischen Zusammensetzungen. Während die Xenon-Isotope starke hydrodynamische Fraktionierung zeigen, fehlt dieser Effekt in den Argon-Isotopen. Hochdruck-Röntgenbeugungexperimente mit dem Ar-reichen Perowskit zeigen ein sehr ungewöhnliches Verhalten. Die Röntgenreflexe sind bei niedrigem Druck zunächst stark verbreitert werden aber mit zunehmendem Druck schärfer was möglicherweise auf einen Wechsel der Gitterposition von Argon beruht. Die wichtigsten Resultate dieses Projektes wurden in Nature publiziert. Hierzu gab es eine breite Resonanz in verschiedenen Tageszeitungen, im Rundfunk und im Internet. Die Veröffentlichung in Nature wurde begleitet durch einen „News“-Artikel auf der Internetseite von Nature, zusammen mit einem Podcast -Interview: http://www.nature.com/news/the-mysterious-case-of- the-missing-noble-gas-1.11564 Die Veröffentlichung hat dementsprechend einige Resonanz gefunden in Tageszeitungen, z.B.: Die Presse, Wien: http://diepresse.com/home/science/1301980/Warum-wir-viel-zu-wenig-Xenon-in-unserer-Luft-haben Tagesspiegel Berlin: http://www.tagesspiegel.de/wissen/geowissenschaften-edelgas-aus-der-tiefe/7239546.html Ein längerer Beitrag zu dem Thema wurde im Bayerischen Rundfunk gesendet. Außerdem gab es verschiedene Darstellungen und Diskussionen im Internet, z.B. Pour la Science, Frankreich: http://www.pourlascience.fr/ewb pages/a/actu-pourquoi-l-atmosphere-manque-de-xenon-30528.php Scienceticker: http://www.scienceticker.info/2012/10/10/edelgas-speicher-im-erdmantel/ Royal Society of Chemistry: http://www.rsc.org/chemistryworld/2012/10/xenon-puzzle-answer-atmosphere-perovskite
Publications
- (2012) The origin of the terrestrial noble-gas signature. Nature 490: 531-534
Shcheka SS, Keppler H
(See online at https://doi.org/10.1038/nature11506)
