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

• Antragsteller: Professor Dr. Tomoo Katsura
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 402695659

Es wird allgemein angenommen, dass der Erdmantel kleine Mengen Wasser in einer Konzentration von 10^(1) bis 10^(3) Gew. ppm. enthält. Dabei bleibt jedoch die Frage darüber, wie sich das Wasser im Erdinneren verteilt und zirkuliert. Obwohl die Wassergehalte in den oberen Bereichen des oberen Mantels durch natürlichen Probe bereits relativ gut bestimmt wurden, sind die Wassergehalte in der tiefen Asthenosphäre wegen des Mangels von natürlichen Proben umstritten. Kenntnisse über die Wasserverteilung zwischen Mineralen und Schmelzen bei Bedingungen der Asthenosphäre sind dabei ein Schlüssel zum Verständnis der Wasserverteilung im Mantel. Obgleich bisherige experimentelle Untersuchungen über Wasserverteilungskoeffizienten zwischen Mantelmineralen (Olivin und Orthopyroxen) und Schmelzen berichtet haben, stützen sich alle Schlussfolgerungen dieser Studien auf Daten aus Experimenten bei Drucken <4 GPa, was der Lithosphäre und der obersten Asthenosphäre entspricht. Es ist postuliert worden, dass die Wasserverteilungen in der tiefen Asthensophäre (bis zu 13 GPa) mit den Verteilungen in den flacheren Bereichen identisch sein sollten, aber die signifikante Druckabhängigkeit der Wasserlöslichkeit von Olivin deutet eine Möglichkeit großer Druckabhängigkeit der Wasserverteilungskoeffizienten an. Der Grund für den begrenzten experimentellen Druckbereich ist, dass keine basaltischen Schmelzen in typischen Vielstempel- oder Piston-Zylinder-Experimenten bei Drucken > 4 GPa zu Gläsern abgeschreckt werden können. Es war daher unmöglich, Wassergehalte in zu Gläsern abgeschreckten Schmelzen unmittelbar zu messen, und danach die Wasserverteilungskoeffizienten zwischen Mineralen und Schmelzen zu bestimmen.Um die der tiefen Asthenosphäre entsprechenden hohen Drucke zu erreichen, um die Wasserverteilungskoeffizienten zwischen Mineralien des oberen Erdmantels und Schmelzen zu untersuchen, werden wir in diesem Projekt für die Vielstempel-Experimente eine spezielle Hochdruckzelle mit einer viel schnelleren Abkühlungsgeschwindigkeit als typische Hochdruckzellen gestalten, damit wir basaltische Schmelzen bei höheren Drucken zu Gläsern abschrecken können. Durch unmittelbare Messungen der Wassergehalte in Gläsern und koexistierenden Forsterit und Enstatit werden wir ihre Wasserverteilungskoeffizienten als Funktion von Druck von 1 bis zu 13 GPa und Temperatur von 1300 bis zu 1900 K bestimmen. Die Vorarbeiten haben bereits bewiesen, dass eine mit Olivin koexistierender Schmelze bei einem Druck von 8 GPa abgeschreckt werden konnte. Sie haben auch darauf hingewiesen, dass die frühere Studien die Druck- und/oder Temperaturabhängigkeiten falsch bewertet haben könnten. Da der CO2-Gehalt in Schmelze die Wasserverteilung erheblich beeinflussen könnte, werden wir die Verteilungskoeffizienten des Wassers auch als Funktion des CO2-Gehalts untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen