Bestimmung des Drei-Phasen-Stabilitätsfelds des Postspinell-Übergangs in (Mg,Fe)2SiO4: Erörterung der extremen Schärfe der 660-km-Diskontinuität und deren Bedeutung für die chemische Struktur und die Dynamik des tiefen Erdmantels

• Antragsteller: Professor Dr. Tomoo Katsura
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257122795

Ein grundlegendes Verständnis von Aufbau und Dynamik des tiefen Erdmantels ist eines der Hauptziele der Geowissenschaften. Seismische Beobachtungen deuten darauf hin, dass die Dicke der 660-km-Diskontinuität weniger als 2 km beträgt, was einem Druckunterschied von 0.1 GPa entspricht. Die 660-km-Diskontinuität wäre also extrem dünn und stünde damit in einem Gegensatz zur mit wahrscheinlich 7 km wesentlich dickeren 410-km-Diskontinuität. Die 660-km-Diskontinuität wird in erster Linie durch den Postspinell-Übergang, d. h. den Zerfall von Ringwoodit zu Perowskit plus Periklas-Wüstit erklärt. Da diese Minerale feste Lösungen von Mg und Fe darstellen, sollte der Postspinell-Übergang in einem definierten P-T Bereich auftreten, in dem drei Phasen aus Ringwoodit und Perowskit sowie Periklas miteinander koexistieren. Es muss somit eine spezielle Erklärung für die extreme Schärfe der 660-km-Diskontinuität gefunden werden, wofür die Bestimmung des Druckintervals des Postspinell-Übergangs notwendig ist. Wenn die Schärfe der 660-km-Diskontinuität nicht durch den Postspinell-Übergang erklärt werden kann, müssten Aufbau und Dynamik des tiefen Erdmantels neu diskutiert werden. Eine Arbeitshypothese ist, dass oberer und unterer Erdmantel unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen und Mantelkonvektion in zwei getrennten Stockwerken ablaufen würde. Eine alternative Hypothese ist, dass die langsame Kinetik der Kernbildung den Beginn des Postspinell-Übergangs behindern würde, wohingegen das Wachstum von Perowskit und Periklas aus Ringwoodit sehr schnell ablaufen würde, sobald ihre Kernbildung begonnen hat. Wenn sich nachwiesen lässt, dass der Postspinell-Übergang in einem extrem engen Bereich stattfindet, könnte das Auftreten von vertikalem Mantelfließen aufgrund globaler Variationen in der Schärfe der Diskontinuität beurteilt werden.Frühere Studien konnten wegen wenig präziser Druckbestimmungen und langsamer Kinetik den Druckinterval des Postspinell-Übergangs nicht sicher festlegen. Die bisherige Präzision bei Druckbestimmungen lag bestenfalls bei 0.3 GPa, was im Vergleich mit dem voraussichtlichen Druckinterval zu groß ist. Allerdings hat der Antragsteller ein experimentelles Verfahren entwickelt, mit der Probendrücke mit einer Präzision von 0.04 GPa messbar sind. Zusätzlich hat er eine Merthodik entwickelt, mit der sich unter Verwendung eines Flussmittels Gleichgewichtszusammensetzungen von Mineralen des unteren Mantels bestimmen lassen. Durch die Kombination dieser zwei Methoden wird es möglich sein, das Stabilitätsfeld von Perowskit+Periklas+Ringwoodit für Druck-Zusammensetzung-Lage bei einer Temperatur von 2000 K zu bestimmen. Basierend auf der Form des Dreiphasenbereichs wird das Druckintervall des Postspinell-Übergangs im Erdmantel mithilfe der Fe-Mg-Verteilungskoeffizienten mit Majorit abgeschätzt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Japan
• Beteiligte Personen: Yuji Higo, Ph.D.; Dr. Norimasa Nishiyama