H2O-Löslichkeiten in Al-freien und Al-haltigen Hochdruck-Kieselsäure-Polymorphen als Funktion von Druck und Temperatur: H2O-Speicherung im unteren Erdmantel

• Antragsteller: Professor Dr. Tomoo Katsura
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 518398967

Um den Wasserkreislauf in der tiefen Erde zu verstehen, muss man die H2O-Löslichkeit in den Mantelmineralen kennen. Einige Minerale im oberen Mantel haben eine hohe H2O-Speicherkapazität, aber die H2O-Löslichkeit in Peridotitmineralen im unteren Mantel ist vernachlässigbar. Daher vermuten wir, dass Siliziumdioxidminerale in basaltischen Fragmenten subduzierter Platten H2O im unte-ren Mantel beherbergen. In Experimenten mit laserbeheizten Diamant-Stempel-Zellen (LH-DAC) wurde eine große H2O-Löslichkeit in Hochdruck-SiO2-Mineralen, nämlich Stishovit und SiO2 mit CaCl2-Struktur, unter den Bedingungen des oberen Teils des unteren Mantels, der als mittlerer Mantel bezeichnet wird, festgestellt. Die Ergebnisse der LH-DAC-Studien waren jedoch widersprüchlich. Daher werden wir die H2O-Löslichkeit in Stishovit und CaCl2-strukturiertem SiO2 unter Bedingungen des mittleren Erdmantels mit unserer fortschrittlichen Multianvil-Technologie unter-suchen. Da bekannt ist, dass Al die H2O-Löslichkeit von Stishovit erhöht und als ein wichtiges Sekundärkation für Stishovit gilt, werden in diesem Projekt sowohl Al-haltige als auch Al-freie Systeme untersucht. Dieses Projekt besteht aus zwei Teilprojekten. Unterprojekt I ist eine In-situ-Röntgenbeugungsstudie unter Verwendung der Multi-Anvil-Presse an der Strahllinie P61B von PETRA-III am DESY. Zunächst werden wir untersuchen, ob während und nach der Dekompres-sion H2O-Verluste aus den Hochdruck-SiO2-Mineralen auftreten. Als nächstes werden wir die Be-ziehung zwischen Volumen und H2O-Gehalt bei Umgebungstemperatur und hohem Druck be-rechnen. Anschließend messen wir die Volumina von Hochdruck-SiO2-Mineralen bei Drücken von 10, 20, 30, 40 und 50 GPa und steigenden Temperaturen bis 2000 K in 100 K-Schritten. Bei jedem Temperaturschritt wird die Probe einmal auf Umgebungstemperatur abgeschreckt und der H2O-Gehalt wird anhand der oben ermittelten Beziehung zwischen Volumen und H2O-Gehalt be-stimmt. Gleichzeitig werden die Aufspaltungen der Peaks (120)-(210), (211)-(121), (130)-(310) und (031)-(301) sorgfältig beobachtet, um den Phasenübergang zwischen Stishovit und SiO2 mit CaCl2-Struktur zu bestimmen. Im Teilprojekt II werden Einkristalle aus Al-freiem und Al-haltigem Hochdruck-Siliziumdioxid bei Drücken von 14 - 35 GPa und Temperaturen von 1300 - 2300 K synthetisiert. Die synthetisierten Einkristalle werden zur Bestimmung des H2O-Gehalts mittels Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie und Sekundärionen-Massenspektrometrie verwendet. Vor der Züchtung von Einkristallen wird die maximale Al2O3-Löslichkeit in Abhängigkeit von Druck und Temperatur im Al-tragenden System bestimmt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen