Phasenübergänge, Mikrostrukturen und ihre seismischen Signale aus dem Erdmantel

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Carmen Sanchez-Valle, Ph.D.; Dr. Sergio Speziale; Professorin Dr. Christine Thomas
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers ; Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 390989765

Unsere Kenntnis der Erde ist auf einem Zusammenspiel von verschiedenen Forschungsgebieten aufgebaut: So führen Phasentransformationen in Mineralien zu physikalischen Grenzschichten und die Analyse seismischer Signale dieser Grenzschichten bringt wichtige Informationen über Struktur, Komposition und Dynamik der Erde. Aufgrund extremer Bedingungen von Druck und Temperatur im Erdinneren werden Mineralien drastischen Umwandlungen unterworfen und ihre Eigenschaften müssen in Laboratorien unter realistischen Bedingungen untersucht werden. Parallel dazu ist die Seismologie eines der wenigen Mittel zur direkten Beobachtung tiefer Erdstrukturen, da seismische Wellenformen durch den physikalischen Zustand der Materie beeinflusst werden. Der Übergang zum unteren Mantel in 660km Tiefe ist zum Beispiel durch Seismologie bestimmt worden, Mineralphysik zeigte, dass er vor allem durch die Zersetzung des Minerals Ringwoodit, in Ferroperiklas und Bridgmanit entsteht. Können wir unser Erdmodell über einen einfachen Vergleich zwischen seismischen Diskontinuitäten und mineralogischen Reaktionstiefen hinaus bringen? Können wir seismische Signale von Grenzschichten verwenden, um Prozesse in der Erde zu charakterisieren? Wird dies unsere aktuelle Sicht von der Erde verändern? Das sind die Fragen, die das TIMEleSS-Projekt beantworten soll. Phasenumwandlungen induzieren Veränderungen in der Struktur des Materials, Dichte, elastische Eigenschaften und Mikrostrukturen, d.h. die Anordnung von Mineralphasen, Korngrößen, Kornorientierungen und Deformationen. Grenzen mit diskontinuierlichen physikalischen Eigenschaften in der Erde beeinflussen seismische Signale. Teile seismischer Signale und deren Verbindung zu tiefen Erdprozessen sind nicht vollständig verstanden. Dies gilt vor allem für Tiefen zwischen 600 und 1700 km mit komplexen Strukturen bei 660 km, Mikrostrukturen im unteren Mantel und einer möglichen Diskontinuität bei ca 1000 km. Am Ende dieses Projektes wollen wir Einflüsse von Phasenumwandlungen und Mikrostrukturen auf seismische Wellen verstehen und modellieren und diese neue Erkenntnis nutzen, um physikalische Prozesse zu interpretieren. Dieses Projekt erfordert experimentelle Hochdruck/-temperaturstudien und moderne In-situ-Verfahren zum Verständnis von Mikrostrukturen, die durch Phasenübergänge in relevanten Mineralen induziert werden. Parallel dazu werden seismische Studien durchgeführt, d.h. neue Wellenkombinationen analysiert, die bei gemeinsamer Verwendung Möglichkeiten zum Verstehen physikalischer Parameter von Mantelstrukturen bieten. Durch Kombination beider Felder wollen wir Verbindungen zwischen Phasentransformation, Mikrostrukturen und den damit zusammenhängenden seismischen Signalen besser verstanden werden. Ziel von TIMEleSS ist es, neue Ansätze zu entwickeln und Fragen zu lösen, die nicht durch eine einfache Analyse thermodynamischer Phasenübergänge erklärt werden können, da sie mikrostrukturelle und dynamische Prozesse der tiefen Erde enthalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Sébastien Merkel