Übergangsmetallionen und Wasser im Erdmantel
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In der zweiten Projektphase wurden die optischen Absorptionsspektren von Ferroperiklas und von Silikat-Perowskit erstmals bis in den Megabar-Bereich gemessen. Zwischen 51 und 60 GPa verändert sich das Absorptionsspektrum von Ferroperiklas drastisch; dieser Effekt kann auf Spin-Paarung von Fe2+ zurückgeführt werden. Die Kristallfeldparameter von Fe2+ im low-spin-Zustand bei 60 GPa konnten erstmals bestimmt werden. Die Daten (∆ = 10 546 cm^-1, B = 377 cm^-1) deuten darauf hin, dass die Spin-Paarung verursacht wird durch die stärkere Kovalenz der Fe-O-Bindung unter hohem Druck, nicht jedoch durch die Zunahme der Kristallfeldaufspaltung. Im Gegensatz zu Ferroperiklas zeigt das Absorptionsspektrum von Silikat-Perowskit selbst bei 125 GPa keinerlei grundsätzliche Veränderungen, die auf eine Änderung des Spin-Zustandes hindeuten würden. Im Gegensatz zur bisher weit verbreiteten Annahmen bleiben sowohl Ferroperiklas als auch Silikat-Perowskit bis zu Drücken im Megabar-Bereich optisch sehr gut durchlässig. Aus den gemessenen Absorptionsspektren konnte der Strahlungsanteil der thermischen Leitfähigkeit im unteren Mantel berechnet werden. An der Kern-Mantel Grenzfläche wird eine Strahlungsleitfähigkeit von 10 W m^-1 K^-1 erreicht. Der Anstieg der Strahlungsleitfähigkeit mit der Temperatur ist jedoch schwächer als T^3, da mit steigender Temperatur das Maximum der thermischen Emission sich in einen Spektralbereich verschiebt, in dem die Probe stärker absorbiert. Die neuen Daten zeigen, dass (1) bisherige Modelle den Wärmefluss durch die Kern-Mantel-Grenze unterschätzen, (2) die Wärmeleitung im unteren Mantel durch den Strahlungsanteil dominiert wird, und (3) „Super-Plumes" im unteren Mantel durch Strahlungsleitfähigkeit stabilisiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2007) Optical absorption spectra of ferropericlase to 84 GPa. Am Mineral 92: 433-436
Keppler H, Kantor I, Dubrovinsky LS
- (2008) Optical absorption and radiative thermal conductivity of silicate perovskite to 125 Gigapascals. Science 322: 1529-532
Keppler H, Dubrovinsky LS, Narygina O, Kantor I
- (2009) Plate tectonics: Why only on Earth? Europhysics News 40, 4: 27-30
Keppler H
