Bestimmung der Wasserverteilungskoeffizienten zwischen Mineralen des oberen Erd-mantels und Schmelzen als Funktion von Druck und Temperatur sowie CO2-Gehalt mit-hilfe der Schnellabkühlungszelle in einer Vielstempel-Hochdruck-Apparatur
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Verteilungskoeffizienten von Wasser zwischen Mantelmineralen und Schmelzen sind entscheidend für das Verständnis der Wasserkreisläufe im Mantel. Wasserhaltige Schmelzen lassen sich nur schwer zu Gläsern abschrecken, was eine genaue Bestimmung der Wasserverteilung verhindert. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, entwickeln wir das Rapid-Quench-System, das eine Abkühlung der Probe mit wesentlich höheren Raten ermöglicht. Das System basiert auf zwei wesentlichen Innovationen. Die eine ist ein externes Kühlsystem. Die gesamte Baugruppe ist in eine zirkulierende Kühlflüssigkeit eingetaucht, die auf eine Temperatur von -25°C gekühlt wird. Die andere ist die Baugruppe mit geringer thermischer Trägheit. Die Abmessungen des Heizelements wurden reduziert, um die Wärmeproduktionsrate zu verringern. Die vom Heizer erzeugte Wärme wird über eine Wolframhülse und Stäbe an die Stempel abgeleitet. Aufgrund dieser Neuerungen konnte die Abkühlungsrate von 700 K/s auf 7000 K/s erhöht werden, also um eine Größenordnung. Wir synthetisierten zum ersten Mal wasserhaltige peridotitische Gläser. Obwohl wir geplant hatten, die Wasserverteilung unter den gesamten Bedingungen des oberen Mantels zu untersuchen, ist der Druckbereich der abschreckenden Schmelze, die mit Olivin koexistiert, auf 6 GPa begrenzt, da das Abschrecken schwieriger ist, als ich vor Beginn dieses Projekts erwartet hatte. Die peridotitischen Gläser unterscheiden sich von den basaltischen Gläsern durch folgende Merkmale. 1) Die peridotitischen Gläser zeigen fast keine Peaks von H2O-Molekülen. 2) Die peridotitischen Gläser zeigen Dublettenpeaks von Hydroxylgruppen, während die basaltischen Gläser Einzelpeaks zeigen. 3) Die Hydroxylgruppen-Peaks der peridotitischen Gläser befinden sich bei niedrigeren Wellenzahlen. Aufgrund dieser Unterschiede konnte die Wasserverteilung mit der FT-IR-Spektroskopie nicht genau bestimmt werden. Ich plane, in Zusammenarbeit mit Dr. Wiedenbeck am GFZ die H2O-Gehalte in den peridotitischen Gläsern mittels SIMS zu bestimmen, was jedoch durch den COVID-19 unterbrochen wird. Dennoch zeigen die vorläufigen Ergebnisse deutlich, dass der Wasserverteilungskoeffizient mit steigendem Druck zunimmt. Der Projektumfang wird durch die Zusammenarbeit mit anderen Forschern auf die experimentelle Vulkanologie und Mineralphysik erweitert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A rapid-quench technique for multianvil high-pressure-temperature experiments, Review of Scientific Instruments, 91, 065105, 2020
Bondar, D., Fei, H., Withers, A. C., Katsura, T.
