Wasserstoff-Diffusion und elektrische Leitfähigkeit in Pyroxen

• Antragsteller: Professor Dr. Harald Behrens; Professor Dr. Roland Stalder
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 15109682

Pyroxene sind zusammen mit Olivin die wichtigsten wasserführenden Minerale im Oberen Erdmantel, wobei auf Ortho- bzw. Klinopyroxene jeweils ungefähr 30% des gespeicherten Wasserstoffs im Oberen Erdmantel entfallen. Wasserstoff ist seinerseits das mobilste chemische Element mit um Größenordnungen schnelleren Diffusionsgeschwindigkeiten in Pyroxen und Olivin als alle anderen Elemente. Die hohe Mobilität des Wasserstoffs hat nicht nur Auswirkungen auf die Entgasung des Erdmantels sondern auch auf dessen elektrischen und rheologischen Eigenschaften. Diese Zusammenhänge sind bisher kaum verstanden. In diesem Forschungsvorhaben soll die H-Diffusion in Orthopyroxenen in Abhängigkeit von Druck, Temperatur und der chemischen Zusammensetzung experimentell untersucht werden. Wir wollen hierzu insbesondere synthetische Einkristalle verwenden, in die gezielt Substitutionsdefekte (Fe, Al, Cr) eingebaut werden können. Die Anwendung der Synchroton-Infrarot-Spektroskopie ermöglicht es, die Diffusionsprozesse mit sehr hoher lokaler Auflösung zu verfolgen. Weiterhin soll der Einfluss des Wasserstoffs auf die elektrische Leitfähigkeit mit Hilfe der Impedanzspektroskopie bestimmt werden. Durch Kombination beider Prozesse (H-Diffusion und elektrische Leitfähigkeit) in einem Experiment sollen neue Erkenntnisse über die Teilleitfähigkeit von Wasserstoff und über die transportwirksamen Defekte in den Mineralen gewonnen werden. Die Ergebnisse sind unter anderem von großer Bedeutung für Leitfähigkeits-Modellrechnungen für den Oberen Erdmantel und den Mond. Darüber hinaus sollen die Diffusionsdaten auch zur Quantifizierung von Entwässerungsreaktionen von Mantelxenolithen beim Aufstieg an die Erdoberfläche verwendet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen