Spinels at elevated Pressure and Temperature: Linking Geo- and Material-Scientific Projects
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes LINK wurden die in-situ-XRD-Multi-Anvil-Apparaturen MAX80 und MAX200x (DESY) weiterentwickelt, die Präzision der Apparaturen erhöht und die Genauigkeit überprüft. Für die Auswertung wurde erstmals an den Apparaturen die Rietveld-Methode systematisch eingesetzt und dadurch die Präzision bei der Bestimmung der Gittermetrik deutlich erhöht. Durch die Nutzung der neu aufgebauten zweistufigen Multi-Anvil-Apparatur wurde der Untersuchungsbereich auf Drücke > 20 GPa und Temperaturen > 2000 K erweitert. Damit steht nun in Europa eine Experimentiereinheit zur Verfügung um an großvolumigen Proben XRD in-situ-Untersuchungen bis in den p-T-Bereich des unteren Erdmantels durchführen zu können. Mit unabhängigen Methoden unter Verwendung von Diamantstempelapparaturen (Ultraschall-Interferometrie im GHz Bereich, Brillouin-Experimente) wurde die Genauigkeit der Bestimmung von Kompressionsmodulen verschiedener Methoden getestet. Die thermoelastischen Eigenschaften von Spinellen mit unterschiedlichem Fe-Gehalt wurden bestimmt. Für die Untersuchungen wurden drei Spinelle mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung untersucht. Dabei wurde der Eisengehalt systematisch variiert. Magnetit (Fe Fe2O4) und Franklinit (Zn Fe2O4) aus der Gruppe der Ferritspinelle sowie Gahnit (Zn Al2O4) aus der Gruppe der Aluminatspinelle. Es wurden energiedisperive Pulver-Röntgenbeugungs-Experimente an zwei verschiedenen Multi-Anvil-Pressen durchgeführt. An der MAX80 (F2.1 Beamline), einer einstufigen Anlage, wurden isotherme Experimente in einem Druckbereich bis 5 GPa und Temperaturen von 500, 700, 900 und 1100 K durchgeführt. An der MAX200x (W2 Beamline), einer zweistufigen Anlage, wurden Hochdruckexperimente bis 15 GPa durchgeführt. Aus den p-V-Daten wurde mit Hilfe der Birch-Murnaghan Zustandsgleichung zweiter und dritter Ordnung isotherme Kompressionsmodul berechnet. Die Änderung der thermischen Ausdehnung mit dem Druck sowie der thermische Grüneisenparameter wurden bestimmt. Die Module einer Gahnit Einkristall-Probe wurden mit Hilfe der Brillouin-Spektroskopie ermittelt. In einem Druckbereich von 0 bis 21,4 GPa wurden die Geschwindigkeiten der Kompressions- und Scherwellen gemessen. Die elastischen Eigenschaften C11, C12, C44 wurden unter Verwendung der Christoffel-Gleichung und der röntgenographisch ermittelten Dichte bestimmt. Es ergibt sich dabei dynamisch bestimmte Module bei Normalbedngungen von C11 = 295 GPa, C12 = 163 GPa, C44 = 139 GPa und dem Voigt-Reuss-Hill-Mittelwert für das Kompressionsmodul Ks=207 GPa. Die Änderung der Module mit dem Druck von C'11 und C'12 beträgt 3,9 bzw. 4,2, während C'44 einen deutlich geringeren Wert von 0,6 aufweist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2007). In situ X-ray synchrotron high-pressure measurements of magnetite. Geochimica et Cosmochimica Acta, 71, 15, Suppl. 1, A1097
Wehber, M.; Lathe, C.; Schilling, F. R.
- (2009). Elastic Shear Anisotropy of Ferropericlase in Earth's Lower Mantle. Science, 324, 5924, 224-226
Marquardt, H.; Speziale, S.; Reichmann, H. J.; Frost, D. J.; Schilling, F. R.; Garnero, E. J.
- (2009). Single-crystal elastic properties of (Y, Yb)3Al5O12. Journal of Applied Physics, 106, 9, 093519
Marquardt, H.; Speziale, S.; Jahn, S.; Ganschow, S.; Schilling, F. R.
- (2009). Single-crystal elasticity of (Mg0.9Fe0.1)O to 81 GPa. Earth and Planetary Science Letters, 287, 3-4, 345-352
Marquardt, H.; Speziale, S.; Reichmann, H. J.; Frost, D. J.; Schilling, F. R.
- (2009). Thermal diffusivity of natural and synthetic garnet solid solution series. Physics and Chemistry of Minerals, 36, 2,107-118
Marquardt, H.; Ganschow, S.; Schilling, F. R.
- (2010). High-pressure synthesis of FeO-ZnO solid solutions with rock salt structure: in situ X-ray diffraction studies. High Pressure Research, 30, 1, 39-43
Sokolov, P. S.; Baranov, A. N.; Lathe, C.; Solozhenko, V. L.
- (2010). Structural and magnetic phase transitions in Pr0.15Sr0.85MnO3 at high pressure. The European Physical Journal B - Condensed Matter and Complex Systems, 77, 3, 407-411
Kozlenko, D. P.; Dang, N. T.; Jirak, Z.; Kichanov, S. E.; Lukin, E. V.; Savenko, B. N.; Dubrovinsky, L S.; Lathe, C.; Martin, C.
- (2010). Techniques for measuring the elastic wave velocities of melts and partial molten systems under high pressure conditions. Journal of Physics and Chemistry of Solids Vol. 71, pp 1108-1117
H.J. Mueller, K. Roetzler, F.R. Schilling, C. Lathe, M. Wehber
