Elastizität von Geomaterialien

Elastische Eigenschaften bestimmen das Verhalten von Materie unter Druck innerhalb der Elastizitätsgrenzen. Sie spiegeln die Natur der atomaren Bindung wider und liefern Informationen über physikalische Eigenschaften. Verschiedene wissenschaftliche Fachrichtungen, wie etwa Materialwissenschaften, Festkörperphysik, Geowissenschaften und Chemie zeigen deshalb starkes Interesse an der Bestimmung der elastischen Eigenschaften.

Diese Eigenschaften bestimmen ebenfalls die Ausbreitung der seismischen (akustischen) Wellen im Erdkörper. Ein quantitatives Verständnis des Elastizitätsverhaltens von Mineralen des Erdmantels und der Erdkruste ist deshalb von entscheidender Bedeutung für die Interpretation seismologischer Beobachtungen bezüglich der Zusammensetzung, Entwicklung, Dynamik und des thermischen Zustandes des Erdinneren.

Die elastischen Eigenschaften von Spinellen bei hohem Druck

Spinelle (AB2O4) gehören zu den am häufigsten vorkommenden Nicht-Silikaten der Erdkruste und des oberen Mantels. Ein charakteristisches Merkmal dieser Mineralgruppe ist die Fähigkeit, ein breites Spektrum von Kationen aufnehmen zu können.

Silikate können ebenfalls Spinellstruktur haben. Tatsächlich ist Ringwoodit (Mg,Fe)2SiO4 eines der am häufigsten vorkommenden Minerale in der Übergangszone (zwischen 410-660 km Tiefe).   

Wir untersuchen in diesem Projekt die Effekte der Kationensubstitution, der Inversion und der Kationenunordnung in einem weiten Druckbereich. Die angewandten Methoden sind Brillouin -und Ramanstreuung, Synchrotron -Röntgendiffraktometrie sowie 'First Principles' Berechnungen.

Abb.: Die elastischen Moduli Cij von Spinell-Galaxit (MgAl2O4-MnAl2O4) als Funktion der Mg-Mn Substitution

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Dr. Sergio Speziale

Dr. Hans Josef Reichmann

Dr. Ilias Efthimiopoulos

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Dr. Enrico Bruschini / Prof. Giovanni B. Andreozzi / Prof. F. Bosi - Sapienza Universität Rom, Italien

Der Effekt von chemischer Substitution auf die elastischen Eigenschaften von silikatischen Granaten

Granate (A3B2Si3O12) findet man häufig in der Erdkruste. Sie gehören zu den Hauptbestandteilen des oberen Mantels und der Übergangszone. Bisher wurden mehr als 30 Arbeiten veröffentlicht, die sich mit der Bestimmung des hanzen elastischen Tensors befassen. Durch die überaus große Anzahl chemischer Substitutionen ist unser Verständnis des Effekts dieser Substitutionen auf die elastischen Eigenschaften noch sehr unvollständig.

Wir untersuchen mittels Brillouinmessungen an einer Reihe von natürlichen und synthetischen Einkristallgranaten die Kationensubstitutionen. Zudem untersuchen wir den Effekt des OH-Einbaus in natürlichem Spessartin (Mn3Al2Si3O12) und Andradit (Ca3Fe2Si3O12).

Abb.: Die elastischen Konstanten von natürlichem Hydrospessartin (∼Mn3Al2(SiO4)2.5(H4O4)0.5) im Vergleich zum wasserfreien Endglied ∼Mn3Al2(SiO4)2.5(H4O4)0.5. Die durchgezogenen Linien sind Modellrechnungen basierend auf dem System Grossular (Ca3Al2Si3O12)-Hibschit (Ca3Al2(SiO4)1.74(O4H4)1.28).

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Dr. Sergio Speziale

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Prof. Charles A. Geiger, Universität Salzburg, Österreich

Prof. F. Bellatreccia / S. Grita, University Roma Tre, Rom, Italien

Prof. F. Bosi, Sapienza University, Rom, Italien

N. Satta, Bayerisches Geoinstitut, Universität Bayreuth

Elastische Eigenschaften von Portlandit bei hohen Drücken

Wir untersuchen die elastischen Eigenschaften von Portlandit, der ein wichtiger Bestandteil von Zement ist und einen Prototyp für ein anisotropes Schichtmineral darstellt. Die druckinduzierte Amorphisierung, die Effekte verschiedener experimenteller Anordnungen und mögliche Strategien zur Optimierung der Analyse der Volumina und axialer Deformationen für die Bestimmung der Zustandsgleichung anisotroper Festkörper sind hier von besonderer Bedeutung. Wir bestimmen die elastischen Eigenschaften und die Zustandsgleichung bei hohen Drücken in Diamantzellen und Vielstempelapparaturen.

Abb.: Isotherme Kompressionskurve von Portlandit (Ca(OH)2) berechnet aus Volumenmessungen mittels verschiedener Hochdruckgeräte. (LVP: Multi Anvil Presse, DAC: Diamant-Stempelapparatur). Farbige Symbole: unsere Messpunkte, durchgezogene und gestrichelte Linien: berechnete Kompressionskurven basierend auf den LVP und DAC Messpunkten. Die Kompressionskurven unterscheiden sich sehr bedingt durch die große Empfindlichkeit von Portlandit gegenüber nicht-hydrostatischer Druckverteilung in verschiedenen Hochdruckgeräten.

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Dr. Sergio Speziale

Dr. Hans Josef Reichmann

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Prof. Dr. Frank Schilling, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Silikatische Gläser bei hohen Drücken

Wir untersuchen strukturelle und elastische Eigenschaften von silikatischen Gläsern bei hohen Drücken mit Zusammensetzungen, die die wichtigsten Komponenten des Erdmantels enthalten. Bestimmungen der Schallwellengeschwindigkeiten werden benutzt um die in-situ Hochdruck-Dichten zu berechnen.

Abb.: Druckabhängigkeit der akustischen Geschwindigkeiten von MgSiO3-Glas bis 25 GPa bei Zimmertemperatur. Das Diagramm zeigt einen außergewöhnlichen Verlauf der Druckabhängigkeit bei ungefähr 7 GPa und eine große Hysterese bei der Dekompression. Dies sind typische Anzeichen von Veränderungen im Kompressionsverhalten von amorphen Silikaten.

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Dr. Sergio Speziale

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Zachary Geballe, Geophysical Laboratory, Carnegie Institution of Washington, USA

Raymond Jeanloz, University of California, Berkeley ,USA

Sang-Heon (Dan) Shim, Arizona State University, USA