Hydrogen in Minerals - HydroMin (FP 21)
Final Report Abstract
Die Löslichkeit von Wasser in reinem Diopsid und in der Mischkristallserie Diopside – Ca-Tschermak-Komponente wurde experimentell untersucht. Die Wasserlöslichkeit in reinem Diopsid ist relativ gering, mit einem maximalen Wert von 568 ppm bei 30 kbar und 1000 ˚C. Die Wasserlöslichkeit wird beschrieben durch die Gleichung CH2O = A fH2O exp(-ΔH1bar / RT) exp(-PΔVsolid / RT) mit A = 0.0185 ppm/bar, fH2O = Wasser-Fugazität, ΔH1bar = -11117 J/mol, R = Gaskonstante, T = Temperatur in K, ΔVsolid = 14.62 cm3/mol and P = Druck in bar. Die Infrarotspektren von reinem Diopsid zeigen bei niedriger SiO2-Aktivität eine Bande bei 3650 cm-1 (wahrscheinlich assoziiert mit Si-Leerstellen), bei hoher SiO2- Aktivität dagegen mehrere Banden zwischen 3480 und 3280 cm-1 (wahrscheinlich assoziiert mit Ca- oder Mg-Leerstellen). In der Mischkristallreihe Diopsid – Ca-Tschermak-Komponente steigt die Wasserlöslichkeit mit dem Al-Gehalt drastisch an, wobei bei gegebenem Druck und Temperatur der Wassergehalt proportional zum Gehalt an Al ist. Bei 25 kbar und 1100 ˚C wurde ein maximaler Wassergehalt von 2591 ppm beobachtet für einen Pyroxen mit 8,4 Gew. % Al2O3. Die Wasserlöslichkeit nimmt mit steigender Temperatur ab. Die experimentellen Daten zeigen, dass im obersten Erdmantel der größte Teil des Wassers in Pyroxenen gelöst ist, während im tieferen Teil des oberen Mantels Olivin der Hauptspeicher von Wasser ist. In subduzierten Platten kann ein wesentlicher Teil des bei Dehydratationsreaktionen frei werdenden Wassers durch Klinopyroxene tiefer in den Mantel transportiert werden. Die Zustandsgleichung von vier Klinopyroxenen mit unterschiedlichem Gehalt an Wasser und Al wurde bestimmt. Während Wasser allein kaum einen Effekt auf den Kompressionsmodul hat, wird der Pyroxen durch Einbau von Al fester. Da mit steigender Wasser-Aktivität die Löslichkeit von Al im Pyroxen ansteigt, wird dieser Effekt eine mögliche Reduktion des Kompressionsmoduls von Olivin durch den Einbau von Wasser ganz oder teilweise kompensieren. Diese Untersuchungen zeigen daher, dass ein Nachweis von Wasser im oberen Mantel durch die Messung von P- Wellengeschwindigkeiten praktisch unmöglich ist.
