Wasserstoff-Diffusion und elektrische Leitfähigkeit in Pyroxen
Final Report Abstract
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.
Publications
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