Messung von Si-Selbstdiffusionskoeffizienten in Wadsleyit als Funktion des Wassergehaltes

• Antragsteller: Professor Dr. Tomoo Katsura
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 251472533

Dynamische Massenbewegungen im Erdmantel sind die Ursache zahlreicher geologischer und geophysikalischer Phänomene. Das Verständnis der dynamischen Fliessbewegungen im Erdmantel ist von essentieller Bedeutung für die Festkörpergeophysik. Deformationsexperimente an Gesteinen deuten darauf hin, dass die Kriechfestigkeit von Mantelmineralen durch Hydratisierung (hydrolytic weakening) stark abnimmt. Da jedoch die technische Umsetzung von Deformationsexperimenten schwierig ist, ist auch unser Verständnis des Einflusses von Wasser auf die Mantelrheologie noch eingeschränkt. Messungen des Si-Diffusionskoeffizienten haben ein großes Potential, wichtige Informationen über die Rheologie von Mineralen bei hohen Temperaturen zu erlangen, weil das langsame Kriechen von Silikatmineralen bei diesen Temperaturen durch die Si-Diffusion kontrolliert wird. Wir haben bereits den Einfluss von Wasser auf den Si-Diffusionskoeffizient in Forsterit untersucht, weshalb wir wissen, dass der Einfluss von Wasser auf die Mantelrheologie viel kleiner ist als bisher angenommen wurde. In Deformationsexperimenten wurde ein Wassergehalts-Exponent der Rheologie von Olivin von 1,2 bestimmt. Unsere Studie zur Si-Diffusion in Olivin resultierte dagegen in einem Exponent von nur 0,3. Untersuchungen an anderen Mantelminerale, wie z.B. Wadsleyit, welcher das dominierende Mineral in der Übergangszone im Erdmantel darstellt, sollten aussagekräftigere Schlussfolgerungen zulassen, da Wadsleyit (oder auch Ringwoodit) deutlich mehr Wasser enthalten können als Olivin. In diesem Projekt werden wir den Si-Diffusionskoeffizienten von Wadsleyit mit einem Wassergehalt von <1 bis 1000 ppm bei Temperaturen zwischen 1400 und 1600 K untersuchen, wobei der Einfluss von Temperatur und Wassergehalt bestimmt wird. Für diese Art von Experiment ist das Verwenden von Einkristallen für aussagekräftige Resultate unumgänglich. Deshalb werden die Einkristalle von Wadsleyit mit Techniken vergleichbar zu vorangegangenen Experimenten synthetisiert. Für Fe-haltigen Wadsleyit wird die Sauerstoff-Fugazität in den Synthese- und Diffusionsexperimenten mit mit einem Mo + MoO2-Puffer kontrolliert. Das Messen des Si-Diffusionskoeffizienten für Wadsleyit erfolgt mit Hilfe von Experimenten, die bereits mit Forsterit erfolgreich entwickelt und durchgeführt wurden. Aufbauend auf die Ergebnisse dieses Projektes werden wir unser Verständnis über die Wirkung des Wassers auf die Mantelrheologie verbessern, und einen wichtigen Baustein für unser Wissen über dynamische Prozesse im Erdmantel liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen