Messung der Si-Korngrenzendiffusion von Forsterit in Abhängigkeit des Wassergehalts: Bestimmung der Steigerung der Kriechrate in verschiedenen Regionen des oberen Erdmantels

• Antragsteller: Professor Dr. Tomoo Katsura
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 247132310

Eine Bestimmung rheologischer Eigenschaften von Mantelmineralien ist für das Verständnis der Manteldynamik von zentraler Wichtigkeit. Deformationsexperimente weisen darauf hin, dass Wasser die Kriechfestigkeit von Mantelmineralien schwächt und Materialströme im Mantel verstärkt. Diese Erkenntnis ist unter Umständen jedoch den technischen Schwierigkeiten der Experimente geschuldet, und es ist daher wichtig, die starke Abhängigkeit des Kriechverhaltens vom Wassergehalt durch eine unabhängige Methode zu überprüfen. Messungen des Si-Diffusionskoeffizienten stellt eine solche alternative Methode dar, da Si die niedrigste Diffusionsrate in Mantelmineralien hat und damit die Prozess-Rate bestimmt.Unsere bisherigen Messungen von Si-Diffusion durch das Innere der Mineralien von Forsterit weist darauf hin, dass weder Dislokations- noch Nabarro-Herring-Kriechen durch Wasser stark beeinflusst wird. Kriechmechanismen entlang der Kerngrenzen werden jedoch durch Wasser verstärkt: Coble Kriechen, Druck-Lösungs-Kriechen und Kerngrenzen-Gleiten. Coble Kriechen wird durch Kerngrenzen Diffusion ausgelöst und kann deshalb selbst unter nicht wassergesättigten Bedingungen durch Wasser ausgelöst werden. Der Einfluss des Wassergehalts auf Manteldynamik wäre deshalb signifikant falls Coble-Kriechen durch Wasser stark begünstigt würde. Andrerseits spielt nur ungebundenes Wasser bei Druck-Lösungs-Kriechen und Kerngrenzen-Gleiten eine zentrale Rolle, und diese Mechanismen sollten deshalb nur bei Wassersättigung verstärkt werden. Da Wassersättigung im Mantel nur unter vulkanischen Fronten auftritt, sollte Wasser keinen starken Einfluss auf dessen Dynamik haben, wenn Coble-Kriechen nicht durch Wasser verstärkt wird.Aus diesen Gründen werden wir in dem vorgeschlagenen Projekt Messungen der Diffusionsrate von Si entlang der Kerngrenzen mit Wasser, aber nicht-gesättigten Bedingungen, durchführen. Wir werden porenfreie, klein-kristalline Forsterit Aggregate mit Hilfe der Vakuum-Sinter-Technik herstellen, die mit Wasser bis zu einer Konzentration von 25.000 ppm an den Kerngrenzen gedopt werden. Eine Beschichtung mit 29Si-gedoptem Forsterit wird als dünne Schicht auf die Probe aufgetragen. Diffusionsexperimente werden unter Mantelbedingungen in der Vielstempelpresse durchgeführt. Die daraus resultierenden Diffusionsprofile werden mit SIMS bestimmt und der Wassergehalt mit FTIR Spektroskopie gemessen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen