Eigenschaften von Pyroxenen mit 6-fach koordiniertem Si

Pyroxene zählen zu den wichtigsten geologischen Materialien der terrestrischen Planeten. In Erdkruste und Erdmantel sind diese Phasen in einem grossen Druck- und Temperaturbereich stabil und zwar sowohl in metamorphen, als auch magmatischen Gesteinen. Lange Zeit galt es als sicher, dass in Pyroxenen das Silizium ausschliesslich in tetraedrischer Koordination auftreten kann. Diese Annahme erwies sich jedoch als falsch durch die Hochdrucksynthese eines Klinopyroxens Na(Mg 0.5 Si 0.5 )Si2 O6 (NaPx) bei 15 GPa/1600C, der sowohl tetraedrisches, also auch oktaedrisches Silizium enthält und der in der Folge auch als natürliche Phase in Form eines Diamanteinschlusses beschrieben wurde. Die Entdeckung von Pyroxenen mit 6-fach koordiniertem Si ist von fundamentaler Bedeutung für ein Verständnis der Kristallchemie von Silikaten bei hohen Drucken und Temperaturen, weil ein Wechsel der Silizium-Koordination von vierfach zu sechsfach in jeder Silikatphase einen sehr starken Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften wie Dichte und elastische Parameter hat. Auf der Basis von Ergebnissen einer Vorstudie schlagen wir eine systematische Untersuchung der Druck-Temperatur-Stabilität, sowie der kristallchemischen und thermochemischen Eigen-schaften von Klinopyroxenen mit 6-fach koordiniertem Silizium in vereinfachten chemischen Systemen vor. Es soll die Stabilität von NaPx in einem Druck-Temperatur Bereich von ca. 5-20 GPa und 1400-1600C mit einer Vielstempelpresse untersucht, sowie Mischkristalle von NaPx mit Diopsid, Enstatit, Jadeit, Kosmochlor und K-Klinopyroxen synthetisiert werden. Folgende Methoden sollen zur Untersuchung der Pyroxen-Synthesen angewendet werden: Einkristall- und Pulver-Diffraktometrie mit Röntgen- und Synchrotron Strahlungsquellen unter Umgebungsbedigungen, sowie bei hohen Drucken in einer Diamantstempelzelle, Elektronenstrahl-Mikosondenanalytik, Laser Raman-Spektroskopie, sowie Tieftemperatur- Kalorimetrie. Ziel der Untersuchungen ist eine Eingrenzung der Druck-Temperatur-Stabilität von NaPx, sowie eine umfassende Charakterisierung der synthetisierten Pyroxene bezüglich ihrer kristallchemischen und thermochemischen Eigenschaften, sowie ihres elastischen Verhaltens und eventuell vorhandener (nicht- quenchbarer) Strukturänderungen. Die Ergebnisse dieser Studie werden neue Erkenntnisse zur Hochdruck- Hochtemperatur Kristallchemie und den Phasenbeziehungen einer der wichtigsten Silikatklassen überhaupt bringen und eine Einschätzung der potentiellen Stabilität von Pyroxenen mit 6-fach koordiniertem Silizium im Erdmantel und in der Übergangszone ermöglichen. Da (Klino)Pyroxene nicht nur zu den wichtigsten terrestrischen Silikaten gehören, sondern auch als Bestandteil fast aller Meteoritenklassen auftreten, glauben wir, mit dieser Studie einen wichtigen, allgemeinen Beitrag zum Verständnis der inneren Struktur erdähnlicher Planeten leisten zu können.

Pyroxene zählen zu den wichtigsten geologischen Materialien der terrestrischen Planeten. In Erdkruste und Erdmantel sind diese Phasen in einem grossen Druck- und Temperaturbereich stabil und zwar sowohl in metamorphen, als auch magmatischen Gesteinen. Lange Zeit galt es als sicher, dass in Pyroxenen das Silizium ausschliesslich in tetraedrischer Koordination auftreten kann. Diese Annahme erwies sich jedoch als falsch durch die Hochdrucksynthese eines Klinopyroxens Na(Mg 0.5 Si 0.5 )Si2 O6 (NaPx) bei 15 GPa/1600C, der sowohl tetraedrisches, also auch oktaedrisches Silizium enthält und der in der Folge auch als natürliche Phase in Form eines Diamanteinschlusses beschrieben wurde. Die Entdeckung von Pyroxenen mit 6-fach koordiniertem Si ist von fundamentaler Bedeutung für ein Verständnis der Kristallchemie von Silikaten bei hohen Drucken und Temperaturen, weil ein Wechsel der Silizium-Koordination von vierfach zu sechsfach in jeder Silikatphase einen sehr starken Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften wie Dichte und elastische Parameter hat. Auf der Basis von Ergebnissen einer Vorstudie schlagen wir eine systematische Untersuchung der Druck-Temperatur-Stabilität, sowie der kristallchemischen und thermochemischen Eigen-schaften von Klinopyroxenen mit 6-fach koordiniertem Silizium in vereinfachten chemischen Systemen vor. Es soll die Stabilität von NaPx in einem Druck-Temperatur Bereich von ca. 5-20 GPa und 1400-1600C mit einer Vielstempelpresse untersucht, sowie Mischkristalle von NaPx mit Diopsid, Enstatit, Jadeit, Kosmochlor und K-Klinopyroxen synthetisiert werden. Folgende Methoden sollen zur Untersuchung der Pyroxen-Synthesen angewendet werden: Einkristall- und Pulver-Diffraktometrie mit Röntgen- und Synchrotron Strahlungsquellen unter Umgebungsbedigungen, sowie bei hohen Drucken in einer Diamantstempelzelle, Elektronenstrahl-Mikosondenanalytik, Laser Raman-Spektroskopie, sowie Tieftemperatur- Kalorimetrie. Ziel der Untersuchungen ist eine Eingrenzung der Druck-Temperatur-Stabilität von NaPx, sowie eine umfassende Charakterisierung der synthetisierten Pyroxene bezüglich ihrer kristallchemischen und thermochemischen Eigenschaften, sowie ihres elastischen Verhaltens und eventuell vorhandener (nicht- quenchbarer) Strukturänderungen. Die Ergebnisse dieser Studie werden neue Erkenntnisse zur Hochdruck- Hochtemperatur Kristallchemie und den Phasenbeziehungen einer der wichtigsten Silikatklassen überhaupt bringen und eine Einschätzung der potentiellen Stabilität von Pyroxenen mit 6-fach koordiniertem Silizium im Erdmantel und in der Übergangszone ermöglichen. Da (Klino)Pyroxene nicht nur zu den wichtigsten terrestrischen Silikaten gehören, sondern auch als Bestandteil fast aller Meteoritenklassen auftreten, glauben wir, mit dieser Studie einen wichtigen, allgemeinen Beitrag zum Verständnis der inneren Struktur erdähnlicher Planeten leisten zu können.