Klärung des „Paradoxons des Fe-O-Systems“ zum Verständnis der Mineralogie der tiefen Erden und von Supererden

• Antragstellerin: Professorin Dr. Elena Bykova
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 497931379

Prozesse auf den Oberflächen der Erde, von erdähnlichen Planeten und von Supererden werden durch ihre Zusammensetzung und Prozesse in ihrem Inneren beeinflußt. Das Vorhandensein einer Atmosphäre und deren Zusammensetzung, die Bildung eines Geodynamos, die Plattentektonik, d.h. die wichtigsten Bedingungen für die Bewohnbarkeit eines Planeten, sind alle eng mit der Mineralphysik und Geochemie ihres Inneren verknüpft. Die wichtigsten Minerale der tiefen Erde sind insostrukturell zu bekannten Eisenoxiden (z.B. Ringwoodit ist isostrukturell zu Fe3O4, Akimotoit zu Hämatit (Fe2O3), Periklas zu Wüstit). Im Gegensatz zu ihren silikatischen Gegenstücken können Eisenoxide im Allgemeinen unter viel milderen (aber immer noch sehr hohen) p,T-Bedingungen synthetisiert werden. Sie sind daher perfekte Modellverbindungen für die Untersuchung komplexer Phasen und von Umwandlungen von Mineralen in Planeten im Multi-Megabar-Bereich. Bisher wurden aber keine Silikate mit den Strukturen komplexer Eisenoxide, die vor Kurzem von uns entdeckt wurden, synthetisiert. Dieses sogenannte „Fe-O-System-Paradox" ist erstaunlich und soll hier verstanden werden.Wir können gegenwärtig nicht ausschließen, dass das Verhalten des Fe-O-Systems und das von Silikaten tatsächlich grundlegend verschieden ist oder dass die Bedingungen innerhalb der Erde oder in Supererden die Bildung von komplexen Silikaten verhindern. Viel wahrscheinlicher ist es aber, dass die bisher verwendeten experimentellen Methoden und die bisher zugänglichen p,T-Bedingungen für den Nachweis solcher komplexer Phasen ungeeignet waren. Das wesentliche Hindernis zur Lösung des "Fe-O-System-Paradoxes" ist der Mangel an experimentellen Daten über das Verhalten planetarer Materialien bei Drücken > 100 GPa und Temperaturen > 2500 K. Die Kristallstrukturen für die meisten Verbindungen, die z.B. im Inneren von Supererden vorkommen sollten, sind unbekannt. Einkristall-Röntgenbeugung (SCXRD) in Diamantstempel-Zellen, bei Bedingungen, wie sie im tiefen Erdinneren herrschen, sind von meinen Mitarbeitern und mir in den letzten Jahren entwickelt worden. Dies eröffnet den Weg, nicht nur die Kristallstrukturen unter wirklich extremen Bedingungen zu bestimmen, sondern erlaubt es auch, die chemische Zusammensetzung einzugrenzen. Im Rahmen des Projekts werde ich die Technologie zu SCXRD-Messungen bei Drücken bis zu 250 GPa weiterentwickeln. Ich werde die neuen experimentellen Möglichkeiten dann anwenden, um das "Fe-O-System-Paradox" aufzulösen und die Strukturen und Kristallchemie von Mineralen im System Fe-Mg-Al-Si-O bei Drücken über 100 GPa und Temperaturen über 2500 K zu verstehen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Internationaler Bezug: Schweden
• Großgeräte: fast speed gated CCD camera ; set of high-accuracy motors with controllers
• Gerätegruppe: 5430 Hochgeschwindigkeits-Kameras (ab 100 Bilder/Sek) ; 6930 Elektrische Steuergeräte und Anlagen
• Kooperationspartner: Professor Dr. Igor Abrikosov