Al, Si-Interdiffusion in Bridgmanit und die Viskosität des unteren Mantels

• Antragsteller: Nobuyoshi Miyajima, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie ; Physik des Erdkörpers ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 404345772

Die Viskosität des Erdmantels ist ein wichtiger Parameter in allen Modellen der Mantelkonvektion und des thermischen Zustands der Erde. Dennoch ist die Viskosität des unteren Erdmantels, des größten Reservoirs unseres Planeten, bisher kaum untersucht worden. Die Viskosität der Feststoffe hängt mit der Verformungs-Kriechrate zusammen. Deformation bei hoher Temperatur erfolgt durch Transport von der Materie durch die Bewegung von Gitterdefekten. Daher können Viskositäten aus Diffusions-Daten über die Nabarro-Herring und Weertman Modelle abgeschätzt werden. In diesem Antrag werden einige vorläufige Daten gezeigt, wonach Diffusionskoeffizienten von Silizium in Majorit und Silikat-Perowskit (Bridgmanit) verschieden sind und die Diffusivität von Silizium in Perowskit stark abhängig ist vom Al-Gehalt im System. In dem vorgeschlagenen Projekt soll die Diffusivität von Silizium in Silikat-Perowskit, der wichtigsten Phase des unteren Erdmantels, weiter untersucht werden: (i) Al, Si-Interdiffusion in Magnesium-Silikat-Perowskit soll mit Multi-Anvil-Experimenten systematisch untersucht werden (ii) Die Abhängigkeit der Si Diffusivität von der chemischen Zusammensetzung und dem Al-Substitutions-Mechanismus soll mit verschiedenen Diffusions-Paare (z. B. mit Kristallgitterdefekte) untersucht werden. (iii) Aus den experimentellen Ergebnissen wird die Viskosität im unteren Mantel abgeschätzt werden, mit der Annahme, dass plastische Verformung durch die langsamste diffundierenden Spezies in den konstituierenden Mineralien kontrolliert wird. Die Ergebnisse dieser Studie werden entscheidende Hinweise geben auf die Art der Konvektion und chemische Mischung in Erdmantel. Die relative Bedeutung von Konvektion über den gesamten Mantel und von separater Konvektion im unteren und oberen Mantel sowie die Wahrscheinlichkeit des Überlebens primitiver Reservoire im tiefen Erdmantel kann nur mit Viskositätsdaten quantitativ abgeschätzt werden. Diese Studie wird die hierfür benötigten Daten liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen