Monitor für Kristallisations-Bedingungen

Studien der letzten 20 Jahre haben immer wieder gezeigt, dass nominell wasserfreie Minerale unter Bedingungen des Oberen Erdmantels deutliche Gehalte an OH-Defekten aufweisen, und dass die Kenntnis des Einbaus und der Verteilung von OH von großer Bedeutung für viele Bereiche der Geowissenschaften ist, wie z.B. Petrologie, Geochemie und Mineralphysik. Im Oberen Erdmantel können Pyroxene als Hauptwasserträger angesehen werden. Beschaffenheit und Kozentration von OH-Defekten in Pyroxenen hängt von vielen petrologisch interessanten Parametern ab, wie z.B. Druck, Temperatur, SiO2 -Aktivität und Sauerstoff-Fugazität und kann daher als Sensor für die physiko-chemischen Bedingungen benutzt werden. Im Rahmen dieses Projektes beabsichtigen wir, die räumliche Verteilung von OH-Defekten in Pyroxenen aus Hochdruck-Synthesen zu untersuchen. Die Defekt-Verteilung soll dabei mit Hilfe einer neuartigen Technik auf der m-Skala analysiert werden. Dabei werden die Proben mit einem FT-IR Mikroskop untersucht, dass mit einem so genannten Flächendetektor (engl.: focal plane array detector, FPA) ausgestattet ist. Der FPA Detektor besteht aus 64 x 64 MCT Detektoren, wobei jeder Messpunkt durch die Position des jeweiligen Detektor-Elementes bestimmt wird und keine optische Apertur zur Maskierung des Messpunktes mehr notwendig ist. Auf diese Weise ist es möglich, auf einer Fläche von 170 x 170 m IR-Spektren mit einer Ortsauflösung von 2,65 m (also genauso gut oder besser als die physikalische Auflösung bedingt durch Wellenlänge der Strahlung) in weniger als einer Minute zu erfassen. Räumliche Variationen von OH-Defekten können so auch in sehr kleinen Kristallen entdeckt und als Monitor für die vorherrschenden Kristallisations-Bedingungen während des Wachstums verwendet werden. Die Proben sollen auch mittels Transmissions-Elektronen-Mikroskopie (TEM) untersucht werden, um zu überprüfen, inwieweit die Bildung planarer Defekte (eines sehr effizienten Weges, um OH in den Kristall einzubauen) berücksichtigt werden muss. Außerdem sollen die Proben mittels Mikrosonde, Ionensonde, Raman- und Mößbauer- Spektroskopie charakterisiert werden. Die neuen Einblicke, die aus den Experimenten gewonnen werden, sollen auf natürliche Proben aus dem Erdmantel angewendet werden. Die Ergebnisse dieses Projektes lassen tiefere Einblicke bezüglich des Einflusses der SiO2-Aktivität und der Sauerstoff-Fugazität auf die Defekt-Chemie von Pyroxenen und der Entwicklung von Kristallisations-Bedingungen in Hochdruck-Experimenten im Allgemeinen erwarten. Neben dem Beitrag auf dem Gebiet der experimentellen Petrologie könnte dieses Projekt zum Verständnis des globalen Wasserkreislaufes beitragen, welcher seinerseits die Plattentektonik und das Ausmaß vulkanischer Aktivität beeinflusst und damit schlussendlich Einfluss auf das Klima hat.

Fehlstellen (Defekte) in Kristallen bergen wichtige Informationen bezüglich der Entstehungsbedingungen von Kristallen. Sehr interessante Fehlstellen sind in diesem Zusammenhang solche, bei denen Protonen in den Kristall eingebaut werden, da die daraus resultierenden OH-Defekte deutlichen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften der Kristalle haben und mittels Infrarot (IR)-Spektroskopie gut nachzuweisen sind. In diesem Projekt wurde der Einfluss von Druck und chemischer Zusammensetzung des Augangsmaterials auf OH-Defekte in Pyroxenen, wichtige gesteinsbildende Minerale der Erdkruste und des Oberen Erdmantels, untersucht. Wichtigstes Ergebnis ist die Formulierung eines Barometers, mithilfe dessen der Entstehungsdruck abgeschätzt werden kann. Neben der Untersuchung natürlicher Proben wurde zunächst ein chemisch stark vereinfachstes Modellsystem untersucht, welches den Vorteil hat, dass die Bildung der Fehlstellen wesentlich besser verstanden werden kann. So wurden im Modellsystem bestehend aus den chemischen Komponenten MgO-SiO2-H2O mittels IR-Spektroskopie vor allem zwei Arten von Fehlstellen nachgewiesen, welche eine deutliche und gegenläufige Druckabhängigkeit zeigten. Ein Vergleich mit einem Datensatz natürlicher gut charakterisierter Proben (v.a. in Bezug auf Herkunftstiefe) aus dem Erdmantel von weltweiten Lokalitäten zeigte, dass die Bildung von Fehlstellen in der Natur aufgrund der höheren chemischen Komplexität deutlich komplizierter ist und dass die Menge an Fehlstellen im Vergleich zu einfachen Modellmaterial mit dem Druck zunimmt, während diese in natürlichen Proben abnimmt. In den naturnäheren Systemen, wo weitere wichtige defektbildende chemische Elemente wie Chrom, Aluminium, Calcium und Natrium berücksichtigt wurden, lag die Komplexität der Defektchemie sowie der Drucktrend zwischen dem Trend des einfachen Modellsystems und dem der natürlichen Proben. Die Ergebnisse weisen also darauf hin, dass eine Anwendung als Barometer für natürliche Proben aus dem Erdmantel kristallchemisch gerechtfertigt ist. Neben dem Druck ist auch der Einfluss der Begleitminerale wichtig für den Einbau von OH-Defekten (und damit indirekt von Wasser). Der so eingebaute Spurengehalt an Wasser kann dadurch um mehr als einen Faktor 2 variieren. Der Wassergehalt der (nominell wasserfreien) Pyroxene lag in diesem Projekt zwischen 0,05 und 0,25 Gew.%. Weitere Ergebnisse wurden auf dem methodischen Sektor geliefert: so konnte gezeigt werden, dass durch Anwendung eines bildgebenden Verfahrens (IR-imaging) die Defektverteilung unter wechselnden Umgebungsbedingungen währenddes Kristallwachstums dokumentiert werden kann. Konkret konnten im Kristall Zonierungen visualisiert werden, die auf wechselnde Begleitminerale im Laufe der Kristallisation schließen lassen. Nicht zuletzt wurde durch Vergleichsmessungen mit einer unabhängigen Methode (Sekundärionen-Massenspektrometrie) eine neue Kalibrierung für die Quantifizierung der IR- spektroskopischen Daten erarbeitet.