Elastische und strukturelle Eigenschaften von Geomaterialien unter extremen Bedingungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Erdmantel ist von fundamentaler Bedeutung für die Entwicklung und Dynamik unseres Planeten. Die Materialbewegungen im Erdmantel haben einen direkt Einfluss auf die Bewegung der Erdplatten an der Oberfläche. Geochemische Kreisläufe verbinden die geochemischen Reservoire des Erdmantels mit der Oberfläche und Atmosphäre. Der Erdmantel spielt daher eine entscheidende Rolle für die Entwicklung eines bewohnbaren Planeten. Das umfangreichste Bild der Struktur und Dynamik des Erdmantels liefert die Interpretation des Ausbreitungsverhaltens von Erdbebenwellen durch die tiefe Erde. Für die Interpretation dieser Daten in Bezug auf die chemische/mineralogische Zusammensetzung und die Dynamik des Erdinneren benötigen wir allerdings umfangreiche Informationen über die physikalischen (elastischen) Eigenschaften von Mantelmineralen und deren Änderung mit chemischer Zusammensetzung bei relevanten Druck- und Temperaturbedingungen. Im DFG-geförderten Projekt wurden diese Daten mit verbesserten und neuartigen Methoden experimentell gemessen. Es wurden im Projekt zahlreiche methodische Fortschritte in Bezug auf die Messmethoden erzielt, insbesondere wurde eine Möglichkeit entwickelt die elastischen Eigenschaften verschiedener Minerale bei exakt gleichen Druck- und Temperaturbedingungen zu messen und so kleine Änderungen in den Eigenschaften durch chemische Variationen zu quantifizieren. Weiterhin wurde ein flexibles System zum Heizen winziger Proben in Hochdruckkammern entwickelt und eine verbesserte Routine zur Datenauswertung implementiert. Durch Verwendung der neuen Methoden wurden zahlreiche wissenschaftliche Fortschritte erreicht, wobei die wichtigsten wissenschaftlichen Ergebnisse des Projekts in zwei Bereichen erzielt wurden: (1) Im Projekt wurden zahlreiche neue Messungen durchgeführt, die zum Verständnis der physikalischen Signatur von „Wasser“ in der Übergangszone des Erdmantels (410-660 km Tiefe) beitragen. „Wasser“ kann in diesen Tiefen in die Kristallstruktur der vorherrschenden Minerale eingebaut werden und es besteht die Möglichkeit, dass die Übergangszone mehr gebundenes „Wasser“ enthält als alle Weltmeere zusammen. Es wurde die Hypothese aufgestellt, das dieses „Wasser“ die Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Erdbebenwellen erheblich verlangsamen könnte und somit eine messbare Signatur in den geophysikalischen Messungen hinterlassen könnte. Unsere umfangreichen Messungen haben gezeigt, dass die Signatur von „Wasser“ wahrscheinlich eine deutlich andere ist als, in den vergangenen Jahren angenommen. Bei den Druck- und Temperaturbedingungen der Übergangszone werden die Erbebenwellengeschwindigkeiten kaum durch das strukturell gebundene „Waser“ erniedrigt. Allerdings hinterlässt das „Wasser“ möglicherweise eine eindeutige Signatur an der 410 km-Diskontinuität, der Grenze zwischen dem oberen Erdmantel und der Übergangszone. Zukünftige geophysikalische Messungen könnten versuchen dieses Signal zu messen und so die Verteilung von „Wasser“ im Erdmantel besser zu verstehen. (2) Es wurden erstmalig die (anisotropen) elastischen Eigenschaften von Eisen-Aluminiumhaltigen Bridgmanite bei hohem Druck bestimmt. Bridgmanite ist das häufigste Mineral in der Erde und macht den größten Teil des unteren Erdmantels (660 – 2890 km Tiefe) aus. Die Messungen wurden in thermodynamischen Modellierungen verwendet, um die mineralogische Zusammensetzung des unteren Erdmantels zu verstehen. Der Vergleich der experimentbasierten Modelle mit geophysikalischen Messungen zeigt, dass eine pyrolitische Mantelzusammensetzung eine gute Näherung darstellt. Die Ergebnisse tragen erheblich zur Lösung der aktuellen Debatte zur Zusammensetzung des unteren Erdmantels dar. Unsere Ergebnisse deuten allerdings auch auf Änderungen der Struktur oder Zusammensetzung der Minerale oder des Mantels mit der Tiefe hin. Weitere Studien werden benötigt um die chemische Zusammensetzung des Erdmantels unterhalb von etwa 1200 km Tiefe zu klären.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2017): Evidence for a Fe3+-rich pyrolitic lower mantle from (Al,Fe)-bearing bridgmanite elasticity data. Nature, 543, 543-546
Kurnosov, A.; Marquardt, H.; Frost, D.J.; Boffa Ballaran, T.; Ziberna, L.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nature21390) - (2017): Multi-sample loading technique for physical property measurements in the diamond-anvil cell. High-Pressure Research. 37, 159-169
Schulze, K.; Buchen, J.; Marquardt, K.; Marquardt, H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1080/08957959.2017.1299719) - (2017): The equation of state of wadsleyite solid solutions: Constraining the effects of anisotropy and crystal chemistry. American Mineralogist, 102, 2494-2504
Buchen, J.; Marquardt, H.; Boffa Ballaran, T.; McCammon, C.; Kawazoe, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.2138/am-2017-6162) - (2018): Elastic softening of (Mg0.8Fe0.2) O ferropericlase across the iron spin crossover measured at seismic frequencies, Geophysical Research Letters, 45, 6862-6868
Marquardt, H.; Buchen, J.; Mendez, A.; Kurnosov, A.; Wendt, M.; Rothkirch, A.; Pennicard, D.; Liermann, H.-P.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1029/2018GL077982) - (2018): Equation of state of polycrystalline stishovite across the tetragonalorthorhombic phase transition, Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 123, 7347- 7360
Buchen, J.; Marquardt, H.; Schulze, K.; Speziale, S.; Boffa Ballaran, T.; Nishiyama, N.; Hanfland, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1029/2018JB015835) - (2018): Low sensitivity of seismic velocities to water in the shallow transition zone. Earth Planetary Science Letters, 498, 77-87
Buchen, J.; Marquardt, H.; Boffa Ballaran, T.; Speziale, S.; Kurnosov; A.; Kawazoe, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.epsl.2018.06.027) - (2018): Seismically Invisible Water in Earth’s Transition Zone? Earth and Planetary Science Letters, 498, 9-16
Schulze, K.; Marquardt, H.; Kawazoe, T.; Boffa Ballaran, T.; McCammon, C.; Koch-Müller, M.; Kurnosov, A.; Marquardt, K.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.epsl.2018.06.021) - (2019): A waveguide-based flexible CO2 laser heating system for diamond-anvil cell applications. Comptes Rendus Geosciences, 351, 280-285
Kurnosov, A.; Marquardt, H.; Dubrovinsky, L.; Potapkin, V.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.crte.2018.09.008)
