Wärmetransporteigenschaften von Mineralien
Final Report Abstract
Die meisten platten tektonischen Prozesse werden vom Wärmehaushalt der Erde angetrieben. Die Wärmetransporteigenschaften Wärmeleitfähigkeit, Wärmewiderstand und Temperaturieitfähigkeit sind dabei fundamentale Größen zum Verständnis des dynamischen Wärmehaushaltes der Erde. Nur vereinzelte und meist unpräzise Messungen sind zum Wärmetransport von Mineralen und Gesteinen, insbesondere bei höheren Temperaturen und Drücken, bekaimt. Als anisotrope Größen müssen die Wärmetransporteigenschaflen richtungsabhängig untersucht werden, um sie vollständig beschreiben zu können (Tensor 2. Stufe). Mit Hilfe eines neuartigen hochauflösenden Transientenverfahrens [Schilling 1999] wird der Tensor der Temperaturleitfähigkeit von ausgewählten Einkristallen (Quarz [Höfer & Schilling 2002], Feldspäten [Höfer & Schilling 2002], Karbonate [Gratz et al. in preparation], Olivinen [Gibert et al. 2003a, 2003b, 2005], Granaten [Marquardt et ai, 2008]) und Gesteinen (Peridotite [Gibert et al. 2003a & 2004]) in bisher nicht möglicher Auflösung als Funktion der Temperatur ermittelt. Neben der Bestimmung der Wärmetransporteigenschaften war es Ziel dieses Vorhabens, die Wärmetransportmechanismen über Phononen und Photonen quantitativ zu trennen [Gibert et al., 2003b, 2005]. Dazu wird ein interdisziplinärer Ansatz verfolgt, um über die Interrelation verschiedener Eigenschaften (z.B. elastische Eigenschaften, Absorptionsspektroskopie) die zugrunde liegenden Mechanismen zu verstehen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die klassische Debye-Theorie die Wärmetransporteigenschaften von Mineralen nur unzureichend beschreibt. Deshalb wurden auch theoretische Arbeiten durchgeführt, um die am Wärmetransport beteiligten interatomaren Wechselwirkungen besser zu verstehen und Mischkristallsysteme detaillierter zu beschreiben [Marquardt et al., 2008]. Der Einfluss von Rissen und Dehydratatiuonsreaktionen auf den Wärmetransport wurde durch Seipold und Schilling [2003] näher untersucht. Die Anwendung der Methodik auf maflsche Granulite wurde von Labani et al. 2006 dargestellt. Im Rahmen des Vorhabens ergab sich eine interessante Zusammenarbeit im Bezug auf die Wärmetransporteigenschaften von Polymeren, die von der Industrie interessiert aufgegriffen wurde und flir die Entwicklung neuer Materialien eingesetzt wird (Weidenfeiler et al. 2002, 2003, 2004). Fortschritte: Durch das Vorhaben konnte eine Datenbasis zum Wärmetransport wichtiger Gesteinsbildender Minerale (Quarz, Feldspäten, Karbonate, Olivine und Granate) als Funktion der Temperatur in bisher nicht gekannter Genauigkeit erstellt werden. Im Rahmen dieses Vorhabens konnte die Übertragung von Einkristalldaten auf polykristalline Aggregate [Gibert et al. 2003a] erfolgreich gezeigt werden. Dabei werden Orientierungsbeziehungen in den polykristallinen Aggregaten bestimmt (EBSD) und über numerische Verfahren die Aggregat ei genschaften aus den Einkristalldaten bestimmt. Der Einfluss von Symmetrie [Höfer & Schilling, 2002] und chemischer Zusanunensetzung [Marquardt et al., 2008] sowie die Quantifizierung des radiativen Wärmelransport in semi transparenten Mineralen [Gibert et al., 2003 b, 2005] sind weitere Erkenntnisse die zu einem vertieften Prozess Verständnis beim Wärmetransport beigetragen haben.
Publications
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Schilling F.R. (1999) A transient technique to measure thennal diffusivity at elevated temperatures, European Journal of Mineralogy, 11, 1115-1124.
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Hoefer M., Schilling F.R. (2002) Heat-Transfer in Quartz, Orthoclase, and Sanidine at Elevated Temperature, Physics and Chemistry of Minerals, 29, 571-584.
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Weidenfeiler B., Höfer M.. Schilling F.R. (2002) Thermal and Electrical Properties of Magnetite Filled Polymers, Composites Part A, Applied Sciences and Manufacturing, 33, 1041-1053.
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Gibert B., Schilling F.R., Tommasi A., Mainprice D. (2003a) Thermal diffusivity of olivine single-crystals and polycrystalline aggregates at ambient conditions - a comparison, Geophysical Research Letters, 30, 22,2172
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Gibert B., Schilling F.R., Tommasi A., Mainprice D. (2003b) Heat transfer by radiation in San Carlos olivine single crystals and upper mantle rocks, Lithos, 73
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Seipold U., Schilling F.R. (2003) Heat Transport in Serpentinite, Tectonophysics, 370, 147- 162.
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Schilling F.R., Wunder B. (2004) Temperature distribution in piston-cylinder assemblies: Numerical simulations and laboratory experiments, European Journal of Mineralogy, 16, 7- 14
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Weidenfeiler B., Höfer M., Schilling F.R. (2004) Thermal Conductivity, Thermal Diffusivity, and Specific Heat Capacity of Particle Filled Polymers, Composites Part A, Applied Sciences and Manufacturing, 35, 423-430.
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Gibert B., Schilling F.R., Gratz K., Tommasi A. (2005) Quantifying heat transfer by radiation in San-Carlos olivine single crystals. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 151, 129-141
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Weidenfeiler B., Höfer M., Schilling F.R. (2005) Cooling behavior of particle filled polypropylene during injection molding process. Composites Part A, Applied Sciences and Manufacturing, 345-351.
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Labani R., Förster H.-J., Schilling F.R., Förster A. (2006): Thermal diffusivity of felsic to mafic granulites at elevated temperatures, Earth and Planetary Science Letters, 251, 3-4, 241- 253.
