Genaue Bestimmung der Schmelzverhältnisse von primitive Peridotit unter Bedingungen des unteren Mantels bis zum 35 GPa mithilfe fortschrittlicher Vielstempelpresse-Technologie

• Antragsteller: Professor Dr. Tomoo Katsura
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461495683

Es wird vermutet, dass der Erdmantel in der Frühgeschichte der Erde stark aufgeschmolzen war. Das Resultat dieser Aufschmelzungsprozesse wird als der terrestrische Magma-Ozean bezeichnet. Die darauffolgende Kristallisation des terrestrischen Magma-Ozeans könnte zu Schichtungen in der Zusammensetzung der Erde geführt haben. Diese Struktur sollte dann der Ausgangszustand der Entwicklung des Erdmantels sein. Unter verschiedenen Parametern sind die Schmelzverhältnisse des primitiven Peridotits unter Bedingungen des unteren Mantels daher besonders wichtig, um den Kristallisationsprozess des Magma-Ozeans zu verstehen. In diesem Projekt werden diese Schmelz- und Kristallisationsprozesse mit Hilfe von Experimenten in Vielstempel-Pressen bestimmt.Obwohl es schon mehrere Studien zur Bestimmung der Schmelzverhältnisse von primitivem Peridotit gegeben hat, weisen diese Studien die folgenden Probleme auf. (1) Steile Temperaturgradienten in der experimentellen Probenkapsel verursachen eine Trennung der Schmelze von den Festkörpern, was zu einer falschen Interpretation der Kristallisationssequenz geführt haben kann. (2) Der mithilfe einer konventionellen Vielstempel-Presse erzeugte Druckbereich ist auf 25 GPa begrenzt. Das experiemntell erreichbare Druckintervall unter den Bedingungen des unteren Mantels beträgt so nur 2 GPa. (3) Der Temperaturbereich ist auf 2800 K begrenzt. Diese Obergrenze ist nicht ausreichend, um die Liquidus-Temperaturen im tiefen Mantel zu bestimmen. (4) Die Druckabschätzung könnte große Fehler enthalten haben, da die Druckkalibrierung trotz Druckabfall mit steigender Temperatur bei einer konstanten Presskraft bei viel niedrigeren Temperaturen als denen der Schmelzexperimente durchgeführt wurde. (5) Die Solidus-Temperaturen sind aufgrund der geringen produzierten Schmelzmengen schwierig zu bestimmen.Wir werden die folgenden Verbesserungen in der Vielstempel-Pressen-Technologie anwenden. (1) Temperaturgradienten in Proben werden mithilfe eines neu entwickelten Heizungsdesigns auf nahezu Null reduziert, um die Trennung der Schmelze von den Kristallen zu verhindern. (2) Der Druckbereich wird mithilfe der von uns entwickelten Ultrahochdruckerzeugung mittels einer Vielstempel-Presse mit Hartmetall-Stempeln auf 35 GPa erweitert. (3) Der Temperaturbereich wird mithilfe der neu entwickelten Bor-dotierten Diamantheizung auf 4000 K erweitert. (4) Probendrücke bei denselben Temperaturbedingungen und in derselben Hochdruckzelle wie in den Schmelzexperimenten werden mittels In-situ-Röntgenbeugung kalibriert. (5) Die Solidus-Temperaturen werden durch Beobachtung von plötzlichen Kornwachstum mittels In-Situ-Röntgenbeugung bestimmt.Mithilfe dieser Technologien werden die Schmelzverhältnisse des quasi-trockenen primitiven Peridotits „KLB-1“ bei Drücken von 25, 30 und 35 GPa und in einem Temperaturbereich von über dem Liquidus bis unter dem Solidus bestimmt. Die Menge des vorhandenen Wassers wird mit einem Subsolidus-Versuch ermittelt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen