Erforschung der Wasserbindung in Bridgmanit: Abhängigkeit von Druck, Temperatur und Zusammensetzung

• Antragsteller: Professor Dr. Tomoo Katsura
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 576446491

Das Verständnis der Wasserspeicherungsmechanismen im unteren Erdmantel ist eine fundamentale Herausforderung der Geowissenschaften, da sie direkt Mantelkonvektion, Plattentektonik und den tiefen Wasserkreislauf beeinflusst. Bridgmanit (Bdm), das häufigste Mineral im unteren Mantel, hat das Potenzial, bedeutende H₂O-Mengen zu speichern, und ist daher kritisch für Studien des Erdinneren. Die H₂O-Löslichkeit in Bdm bleibt jedoch aus drei Hauptgründen schlecht verstanden. Erstens ist der Druckbereich der Vielstempel-Pressenexperimente auf 26 GPa begrenzt, nur die Oberseite des unteren Mantels. Unsere H₂O-Stishovit-Studie zeigt einen exponentiellen Anstieg der H₂O-Löslichkeit, was auch in Bridgmanit auftreten kann. Zweitens könnte die Segregation von wässriger Flüssigkeit/Schmelze vom Feststoff während der Synthese durch den steilen Temperaturgradienten in der winzigen Kammer von Ultrahochdruck-Temperatur-Experimenten die H₂O-Sättigung von Bridgmanit verhindern. Drittens ist die Charakterisierung von Bdm-Proben aus Ultrahochdruck-Temperatur-Experimenten herausfordernd. Insbesondere könnten wässrige Einschlüsse in Bdm-Kristallen zu einer Überschätzung des H₂O-Gehalts führen. Das aktuelle Projekt adressiert diese Probleme durch fortschrittliche Vielstempel-Experimentaltechnologie und komplementäre analytische Methoden, um die H₂O-Löslichkeit in Bridgmanit als Funktion von Druck, Temperatur und Zusammensetzung genau zu bestimmen. Wir entwickelten Ultrahochdruckerzeugung mit einer Vielstempel-Presse mit Karbidstempeln für 50 GPa bei Manteltemperatur, was die präzise Bestimmung der Druckabhängigkeit der Löslichkeit in Bdm ermöglicht. Wir entwickelten auch den Null-Temperatur-Gradient-Ofen, der ein homogenes Temperaturfeld erzeugt und Flüssigkeitssegregation verhindert. Er ermöglicht auch die einfache Synthese von Bdm-Einkristallen durch lang anhaltende Koexistenz von Flüssigkeit und Feststoff. Mit diesen Technologien synthetisieren wir Bdm-Einkristalle mit reinen MgSiO₃ (MS), Al-haltigen (MSA) und Fe,Al-haltigen (MSFA) Zusammensetzungen bei 27, 33, 41 und 50 GPa bei 2000 K zur Bestimmung der Druckabhängigkeit. Wir synthetisieren auch MSFA Bdm bei 1700 und 2300 K bei 50 GPa zur Bestimmung der Temperaturabhängigkeit. Die erhaltenen Kristalle werden durch Rasterelektronenmikroskopie, Elektronenstrahlmikroanalyse und Einkristall-Röntgenbeugung charakterisiert. Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie, Sekundärionen-Massenspektrometrie, elastische Rückstoß-Detektionsanalyse und Neutronenbeugung quantifizieren den H₂O-Gehalt in Bdm-Kristallen. Polarisierte FT-IR-Spektroskopie zeigt die Abhängigkeit der OH-Banden von der kristallographischen Orientierung. NanoSIMS, Transmissionselektronenmikroskopie und Atomsonden-Tomographie stellen die homogene H₂O-Verteilung und das Fehlen wässriger Einschlüsse sicher. Wir versuchen auch Einkristall-Neutronenbeugung zur Bestimmung der H-Position in Bdm.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen