Chemische Reaktionen zwischen Karbonaten und pyrolitischem Erdmantel und Entstehung ultratiefer Diamanten

• Antragsteller: Professor Dr. Leonid Dubrovinsky
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 242495784

Obwohl Kohlenstoff eine äußerst wichtige Rolle in der Chemie, Biochemie und in der Dynamik der Erde spielt, sind Erscheinungsformen, Quelle und Entwicklung von Kohlenstoffreservoiren im tiefen Erdinneren kaum bekannt. Diamanten aus dem unteren Erdmantel bestätigen nicht nur das Vorhandensein einer oder mehrerer kohlenstoffreicher Phasen in Tiefen unterhalb 660 km, sondern transportieren auch Informationen über chemische und physikalische Zustände der Materie im unzugänglichen Erdinneren an die Erdoberfläche. Bereits im Jahre 1984 wurde erkannt, dass Materie aus dem unteren Erdmantel in kleinsten Einschlüssen in einigen Diamanten präsent sein könnte. Es wird nicht mehr bezweifelt, dass sich aus den Einschlüssen Hinweise auf den Chemismus im Erdmantel, die Bildungsbedingungen von Diamanten sowie auf dynamische Prozesse im Erdmantel ergeben. Neben den im unteren Erdmantel als verbreitet angesehenen Mineralen finden sich auch Karbonate in Diamanten aus sehr großer Tiefe. Dieser Hinweis auf Karbonate im unteren Erdmantel lässt auch den Schluss zu, dass sie möglicherweise eine Kohlenstoffquelle für die Bildung von Diamanten sind. Jedoch haben wir nur sehr beschränkte Kenntnisse über chemische Wechselwirkungen von (Ca, Mg, Fe)-Karbonaten mit anderen Phasen im pyrolitischen unteren Mantel bzw. an der Kern/Mantel-Grenze bei entsprechenden Druck-/Temperaturbedingungen. Wir wollen die chemischen Wechselwirkungen von Mg-, Ca-, Fe,Na-Karbonaten mit Ferroperiklas. Silikat-Perowskit, Ringwoodit und Materialgemischen mit pyrolitischer Zusammensetzung untersuchen; dafür sollen laserbeheizte Diamantstempelzellen bei Drücken bis zu 130 GPa und Temperaturen bis über 3000 K zum Einsatz kommen. Als wesentliche in-situ Methoden sollen Röntgenbeugung, Raman-, Mössbauer- und Adsoprtionsspektroskopie eingesetzt werden (Mössbauerspektroskopie sowohl institutsintern als auch an Synchrotron-Anlagen). Das gewonnene Probenmaterial wird systematisch untersucht; dabei wird die Probenpräparation mit Hilfe einer fokussierten Ionenquelle (FIB) durchgeführt, die analytischen Bestimmungen mit elektronenmikroskopischen Methoden. Uns wird dann eine vollständige Beschreibung der Zusammensetzung und des Mikrogefüges des gewonnenen Probenmaterials zur Verfügung stehen, wodurch sich bestehende Ansätze der experimentellen Petrologie auf Bedingungen bis in den untersten Erdmantels und die D-Lage verschieben lassen. Unsere Ergebnisse werden die Problematik hinsichtlich der Existenz von Kohlenstoff im homogenen Mantel klären, sowie mögliche chemische Reaktionen, die Karbonate an den Rändern abtauchender Platten betreffen und die Rolle von Karbonaten als Kohlenstoffquelle für Diamanten aus sehr großen Tiefen. Wir werden einen besonderen Schwerpunkt auf eine Erklärung der anomal hohen Anteile von Ferroperiklas- und Magnesiowüstit-Einschlüssen in ultratiefen Diamanten sowie auf vorherrschendes Eisen(III) in Silikateinschlüssen legen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2125: "Structures, properties and reactions of carbonates at high temperatures and pressures"
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr. Natalia Dubrovinskaia