Elastische Eigenschaften und Struktur von Karbonat-Mineralen unter Bedingungen des oberen Erdmantels

• Antragsteller: Dr. Sergio Speziale; Professor Dr. Björn Winkler
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 242495784

Der Zielsetzung des vorliegenden Antrags ist die akkurate und genaue experimentelle Bestimmung des kompletten elastischen Tensors der häufigsten Karbonat-Minerale als Funktion von Druck und Temperatur bis zu moderat hohen Drücken und Temperaturen (15 GPa und 800 K) sowie dessen Abhängigkeit von Zusammensetzung und Struktur, welche an denselben Proben bestimmt werden sollen. Wir werden unsere experimentellen Ergebnisse durch DFT-basierten Modellierungen, X-ray thermal diffuse scattering (TDS) und, an ausgewählten Proben, durch inelastic X-ray scattering (IXS) ergänzen. Die Kenntnis der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Karbonaten bei den in der Lithosphäre herrschenden Druck-und Temperaturbedingugnen kommt eine Schlüsselbedeutung zu, um den tiefen Kohlenstoffzyklus unserer Erde zu verstehen. Trotzdem ist der aktuelle Kenntnisstand über die elastischen Eigenschaften von Karbonaten und deren Abhängigkeit von Struktur und Zusammensetzung bei weitem nicht vollständig. Der vorliegende Antrag stellt sich somit als übergeordnetes Ziel, die p, T, x Abhängigkeit des elastischen Steifheitstensors unter Umgebungsbedingungen und Bedingungen, die im oberen Mantel herrschen, zu verstehen. Um dieses Ziel zu erreichen, wenden wir eine Kombination von Brillouinstreuung, Modellierung mittels Dichte-Funktional-Theorie, thermisch diffuser Streuung und inelastischer Röntgenstreuung an.Wir werden folgende Schritte vornehmen: (a) komplette Charakterisierung der Proben mittels Einkristall XRD, IR- und Raman spektroskopische Messungen, Kalorimetrie bei niedrigen Temperaturen, Elektronenstrahl-Mikrosonde und bei Bedarf Dilatometrie; (b) Brillouin Streu-Experimenten von 0 bis zu 15 GPa an natürlichen und synthetischen Proben, deren Zusammensetzung und Struktur gut bestimmt ist. Dadurch können wir die Druckabhängigkeit der elastischen Eigenschaften von Zusammensetzung und Ordnungsgrad bestimmen; (c) Ergänzende Brillouin Messungen bei hohem Druck und Temperatur, welche in widerstandsgeheizten Diamantstempelzellen durchgeführt werden, um die (Druck, Temperatur)- Abhängigkeiten des elastischen Tensors zu verstehen ; (d) synchrotron-basierte thermisch diffuse messungen, um die elastischen Koeffizienten bei hoher Temperatur zu bestimmen, sowie Messung von akustischen Phononen mittels hoch auflösender IXS; (e) komplementär zu den Experimenten werden DFT Rechnungen durchgeführt um den Einfluß von Anharmonizität und Ordnungsgrad zu bestimmen und Ausgangsdaten für die quantitative Auswertung der TDS Messungen zu bekommen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2125: "Structures, properties and reactions of carbonates at high temperatures and pressures"
• Kooperationspartner: Wolfgang Morgenroth, Ph.D.; Privatdozent Hans Josef Reichmann, Ph.D.