Wasserstoff-Diffusion und elektrische Leitfähigkeit in Pyroxen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die elektrische Leitfähigkeit des Oberen Erdmantels weist an vielen Stellen der Erde eine deutlich messbare Anisotropie auf. Die Ursache dafür, sowie für lokal erhöhte elektrische Leitfähigkeiten im Oberen Erdmantel ist bis heute nicht eindeutig geklärt. Im Rahmen dieses Projektes wurden Leitfähigkeitsmessungen an verschiedenen dotierten Orthopyroxen-Einkristallen durchgeführt, um den Einfluss des Wassergehaltes auf die elektrische Leitfähigkeit zu erforschen. Im Rahmen des Projektes wurde eine Reihe von Pyroxen-Kristallen unter 25 kbar Hochdruck synthetisiert. Von allen Kristallen wurden kristallographisch orientierte, beidseitig polierte Schnitte angefertigt und die Wasserstoff- Diffusion im Bereich von 1-5000 bar und 600-1000 °C ermittelt. Außerdem wurden an Kristallen mit derselben Zusammensetzung elektrische Leitfähigkeitsmessungen durchgeführt. Hierzu wurden im Laufe des Projektes verschiedene Messzellen entwickelt und verwendet. Wichtigste Erkenntnisse, die im Laufe des Projektes zur Wasserstoff gewonnen wurden, sind: (1) die H-Diffusion in Orthopyroxen ist anisotrop (D||[001]> D||[100]≥ D||[010], (2) die Dotierung hat einen starken Einfluss auf die H-Diffusivität; besonders Fe bewirkt generell eine Beschleunigung, Al und Cr eine Verlangsamung, (3) Fe-haltige Enstatite weisen eine geringere Aktivierungsenergie der H-Diffusion auf als reiner Enstatit wird durch Fe verringert (4) In Fe-haltigen Enstatiten wird die Aktivierungsenergie durch die Anwesenheit von Al und Cr erhöht. Trotz der Vielzahl an Leitfähigkeitsmessungen konnte kein einwandfreier Zusammenhang zwischen Dotierung der Orthopyroxen-Kristalle, dem Wassergehalt und der elektrischen Leitfähigkeit hergestellt werden. Insbesondere konnte keine signifikante Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit von H2O-haltigem Orthopyroxen gegenüber H2O-ärmerem oder H2O-freiem Orthopyroxen festgestellt werden. So tragen Protonen in den deutlich H2O-reicheren Al-dotierten Kristallen nicht nennenswert zur elektrischen Leitung bei, was wahrscheinlich auf ihre geringe Mobilität bei starker Bindung an Al-Defekte zurückzuführen ist. Auch bei den mit Fe dotierten Proben gibt es keinen klaren Trend. Hier weisen zwar Fe-reiche Proben in der Gesamtheit höhere Leitfähigkeiten auf, es gibt allerdings keinen offensichtlichen Zusammenhang mit der Dotierung. Die Leitfähigkeit entlang [001] weist sowohl bei den Al- als auch die Fedotierten Proben die höchsten Werte auf (ca. 0,3-0,5 log-Einheiten höher als entlang der anderen kristallographischen Richtungen). Inwieweit dieser Befund etwas mit der erhöhten H-Diffusionsgeschwindigkeit entlang [001] zu tun hat, konnte in diesem Projekt nicht restlos geklärt werden, zumal die Unterschiede in der H-Diffusivität entlang [010] und [100] nicht in den Leitfähigkeitsdaten abgebildet wurde. Unter Einbeziehungen verschiedener möglicher Leitungsmechanismen wurden auf der Basis der ermittelten Wassergehalte und der gewonnenen Leitfähigkeits- und H-Diffusions-Daten Modellberechnungen zur elektrischen Leitfähigkeit durchgeführt. Die unterschiedlichen Rechenmodelle zeigen oft nur geringe Abweichungen voneinander, daher konnte der Einfluss der Protonen auf die Leitfähigkeit schlussendlich nicht eindeutig bewiesen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2006). D/H exchange in pure and Cr-doped enstatite: implications for hydrogen diffusivity. Physics and Chemistry of Minerals 33, 601-611
Stalder, R. & Behrens, H.
- (2006). Hydrogen diffusion and electrical conductivity in pyroxenes. Mineralogical Society of America short course: Water in Nominally Anhydrous Minerals, p. 75
Schlechter, E. , Stalder, R. Behrens, H.
- (2006). Hydrogen self-diffusion in pure and Cr-doped enstatite. Beihefte zum European Journal of Mineralogy 18, 133
Stalder, R., Behrens, H., Schlechter, E.
- (2006). OH-mapping of synthetic enstatite crystals. BESSY II Jahresbericht 2006, 186
Schlechter, E., Stalder, R.
- (2007). A new method to eliminate the influence of in-situ contamination in SIMS analysis of hydrogen. Journal of Analytical Atomic Spectrometry 22, 1415-1419
Ludwig, T. & Stalder, R.
- (2007). Dehydration-hydration mechanisms in synthetic diopside. 6th European Conference on Mineralogy and Spectroscopy, p. 77
Sundvall, R., Skogby, H., Stalder, R.
- (2007). Influence of Fe on hydrogen diffusivity in orthopyroxene. European Journal of Mineralogy 19, 899-903
Stalder, R., Purwin, H., Skogby, H.
- (2007). Influence of hydrogen on electrical conductivity in enstatite. Geochimica et Cosmochimica Acta 71, A891
Schlechter, E., Stalder, R., Behrens, H.
- (2007). Investigation of hydrogen diffusion using dielectric spectroscopy. 6th European Conference on Mineralogy and Spectroscopy, p. 71
Schlechter, E., Stalder, R., Behrens, H.
- (2007). OH incorporation in synthetic diopside. European Journal of Mineralogy 19, 373-380
Stalder, R. & Ludwig, T.
- (2007). Spatial distribution of hydrous defects in orthopyroxene. WIRMS in Awaji Island/Japan
Stalder, R.
- (2008). Electrical conductivity of synthetic hydrogenbearing enstatite. 12th International Conference on Experimental Mineralogy, Petrology, Geochemistry, Conference Series, Innsbruck University Press, p.88
Schlechter, E., Stalder, R., Behrens, H.
- (2009). Dehydration-hydration mechanisms in synthetic Fe-poor diopside. European Journal of Mineralogy 21, 17-26
Sundvall, R., Skogby, H., Stalder, R.
- (2009). Hydrogen diffusion in synthetic Fe-free diopside. European Journal of Mineralogy 21, 963-970
Sundvall, R., Skogby, H., Stalder, R.
- (2009). Hydrogen incorporation in Fe- and Na-doped diopsides. European Journal of Mineralogy 21, 691-704
Purwin, H, Stalder, R., Skogby, H.
