Änderungen der Korngrenzcharakterverteilung in Olivin-dominierten Gesteinen als Funktion des Chemismus
Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Generell fehlen uns Informationen über die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Kristalldefekten unter Bedingungen des Erdinneren. Ein besseres Verständnis der auf Korn-Maßstab ablaufenden Prozesse ist erforderlich, um die im Labor untersuchten Parameter und Prozesse mit größerer Sicherheit auf die Erde zu extrapolieren. So verbessert sich auch das Verständnis über geodynamische Prozesse auf großem Maßstab sowie die Interpretation geophysikalischer Beobachtungen, wie zum Beispiel elektrische Leitfähigkeit und seismische Anisotropie. Wir untersuchten die Verteilung und Entwicklung der Olivinkorngrenzen während der experimentellen Deformation und ihre Rolle bei der Deformation im DisGBS-Regime (dislocation-accommodated grainboundary sliding, versetzungsbedingtes Korngrenzgleiten). Frühere Studien zeigen, dass DisGBS der Hauptverformungsmechanismus für Olivin im überwiegenden Teil des oberen Erdmantels ist. Der Schwerpunkt unserer Studie lag auf der Charakterisierung des Korngrenzcharacters und den Wechselwirkungen zwischen Versetzungen und Korngrenzen. Diese Wechselwirkungen sind in Mineralen bisher nur wenig verstanden und in Olivin noch nicht quantitativ untersucht worden. Wir zeigen, dass die Verformungsrate durch Assimilation von Versetzungen in Korngrenzen stark beeinflusst wird und zeigen dass die dynamische Rekristallisation von Olivin spezifische Korngrenzen erzeugt, die sich mit fortschreitender Deformation entwickeln. Der effektive Beitrag der Korngrenzen zur Rheologie des oberen Mantels korreliert mit dem Anteil der Korngrenzen in den Gesteinen des oberen Mantels, ihrer Korngrößenverteilung. Die Korngrößenverteilung im Erdmantel wird durch das Gleichgewicht zwischen Abbauprozessen (Rekristallisation in einem Spannungsfeld) und Ausheilungsprozessen (Kornwachstum) gesteuert. Das Kornwachstum, einer der Hauptprozesse die Korngröße zu kontrollieren, ist jedoch für Olivin unter Bedingungen des oberen Mantels immer noch wenig erforscht. Experimentelle Daten zur Kinetik von Olivin-Kornwachstum sind bisher auf Drücke von bis zu 1,2 GPa beschränkt. Um die Auswirkungen des Drucks auf das Kornwachstum von Olivin zu bewerten, führte ich Experimente bei Drücken im Bereich von 1 bis 12 GPa unter Verwendung von Stempel- Zylinder-Pressen und Vielstempel-Pressen durch. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen auf, dass die Wachstumsrate von Olivin Kristallen mit zunehmendem Druck abnimmt. Außerdem weisen die Ergebnisse darauf hin, dass die Korngrenzendiffusion der Hauptprozess für Kornwachstum bei hohem Druck ist. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen präsentiere ich die erste Gleichung, die die Auswirkung eines Aktivierungsvolumens auf das Kornwachstum von Olivin berücksichtigt. Die Ergebnisse zeigen, dass unter Bedingungen des tiefen oberen Mantels (Tiefen von 200 bis 400 km) die Auswirkung des Drucks auf die Hemmung des Kornwachstums der Auswirkung einer Temperaturerhöhung mit zunehmender Tiefe entgegenwirkt. In dieser Arbeit zeige ich Abschätzungen der Viskosität als Funktion der Tiefe unter Berücksichtigung der hier vorhergesagten Korngrößenentwicklung. Die Abschätzungen zeigen an, dass die Viskosität unter den Bedingungen des tiefen oberen Mantels ungefähr konstant ist. Diese Ergebnisse stimmen mit geophysikalischen Beobachtungen überein, die Viskositäten in der Größenordnung von 10^21 Pa∙s im tiefen oberen Mantel angeben. Über das angestrebte Ergebnis des Projekts hinaus initiierte unsere Arbeit weitere laufende Studien: (i) Wie sensitiv sind Korngrenzcharkterstudien, was für Effekte können durch verschiedene Datenmanipulationen hervorgerufen werden (ii) Wie vermitteln Korngrenzen Verformungen: Bikristallverformungsstudien (iii) Wie hoch ist die Viskosität einer Korngrenze? Bikristallkorngrenzen-Gleitstudien.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2017) Quantitative electron backscatter diffraction (EBSD) data analyses using the dictionary indexing (DI) approach: Overcoming indexing difficulties on geological materials. Am. Mineral. 102, 1843–1855
Marquardt, K. et al.
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(2018) A transmission x-ray microscopy and NEXAFS approach for studying corroded silicate glasses at the nanometre scale. Phys. Chem. Glas. 59, 11–26
Kutzschbach M., Guttmann P., Marquardt K., Werner S., Henzler K. D. and Wilke M.
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(2018) Mg lattice diffusion in iron-free olivine and implications to conductivity anomaly in the oceanic asthenosphere. Earth Planet. Sci. Lett. 484, 204–212
Fei H., Koizumi S., Sakamoto N., Hashiguchi M., Yurimoto H., Marquardt K., Miyajima N. and Katsura T.
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(2018) Seismically invisible water in Earth’s transition zone? Earth Planet. Sci. Lett. 498, 9–16
Schulze K., Marquardt H., Kawazoe T., Boffa Ballaran T., McCammon C., Koch-Müller M., Kurnosov A. and Marquardt K.
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(2018) The structure and composition of olivine grain boundaries: 40 years of studies, status and current developments. Phys. Chem. Miner. 45, 139–17
Marquardt, K. & Faul, U. H.
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(2018) Weathering of Bibearing tennantite. Chem. Geol. 499, 1–25
Keim M. F., Staude S., Marquardt K., Bachmann K., Opitz J. and Markl G.
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(2019) Intragranular plasticity vs. grain boundary sliding (GBS) in forsterite: Microstructural evidence at high pressures (3.5–5.0 GPa). Am. Mineral. 104, 220–231
Bollinger, C., Marquardt, K. & Ferreira, F.
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(2019) Lead diffusion in CaTiO3: A combined study using Rutherford backscattering and TOF-SIMS for depth profiling to reveal the role of lattice strain in diffusion processes. Am. Mineral. 104, 557–568
Beyer, C., Dohmen, R. Rogalla, D.; Becker, H.-W., Marquardt, K.; Vollmer, Chr.
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(2020) Evidence for complex iron oxides in the deep mantle from FeNi(Cu) inclusions in superdeep diamond
Anzolini C., Marquardt K., Stagno V., Bindi L., Frost D. J., Pearson D. G., Harris J. W., Hemley R. J. and Nestola F.
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(2020) Role of inclination dependence of grain boundary energy on the microstructure evolution during grain growth. Acta Mater. 188, 641–651
Salama H., Kundin J., Shchyglo O., Mohles V., Marquardt K. and Steinbach I.
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(2021). Grain boundary diffusion and its relation to segregation of multiple elements in Yttrium Aluminum Garnet
Polednia, J., Dohmen, R., Marquardt, K.
