Einbau von H in nominell wasserfreie Minerale (NAMs)

Die Anwesenheit von Wasser in der Erdkruste und im Erdmantel hat enorme Auswirkungen auf die dort ablaufenden geodynamischen Prozesse, da der eingebaute Wasserstoff die physikalischen Eigenschaften der Minerale, wie z.B. den Schmelzpunkt, das rheologische Verhalten (hydrolytical weakening) und die Transformationskinetik ändert. Außer in wasserhaltigen Mineralen wie Amphibol, Serpentin und Talk kann Wasserstoff auch in nominell wasserfreien Mineralen (NAMs), wie z.B. Coesite, Pyroxen, Granat und Olivin eingebaut werden. Der Wasserstoff in diesen Mineralen ist strukturell als Punktfehler eingebaut.
Eine geeignete Methode, Spuren von Wasserstoff in Mineralen nachzuweisen, ist die IR-Spektroskopie.
Transmissionselektronenmikroskopische Analysen von Olivin (Khisina et al., 2001) und Klinopyroxen (Koch-Müller et al., 2004) zeigten, dass die Anwesenheit von wasserhaltigen Einschlüssen die IR-Spektren beeinflussen kann und daher der Wassergehalt der Kristalle überschätzt werden kann. Eine korrekte Interpretation der IR-Spektren setzt also eine mikrostrukturelle Untersuchung der Minerale voraus.

Zur Zeit untersuchen wir den Einbaumechanismus und die Löslichkeit von Wasserstoff in folgenden nominell wasserhaltigen Mineralen:

Ringwoodit (Mg,Fe)2SiO4; Majorite (Mg,Fe)3 (Si, Al)2 (SiO4)3; Akimotoite MgSiO3

Wir nutzen die Transmissionselektronenmikroskopie zur mikrostrukturellen Analyse, z.B. zur Prüfung auf die Anwesenheit von Einschlüssen. Zur Analyse des Einbaumechanismus und zur Lokalisierung des Wasserstoffs in den Strukturen nutzen wir konventionelle und Synchrotron-IR-Strahlung bei Raumbedingungen aber auch in-situ als Funktion von Druck oder Temperatur.

Abb.: Abbildung eines Omphazit-Kristalls und einiger IR Spektren, die an verschiedenen Stellen durch den Kristall mit Synchrotronstrahlung aufgenommen wurden. Das rote Quadrat illustriert die Größe des Messflecks. In Kombination mit TEM-Untersuchungen konnten wir zeigen, dass die Spektren durch nm-kleine Einschlüsse von Schichtsilikaten verfälscht werden.

Kontakte

Prof. Dr. Monika Koch-Müller

Dr. Ilias Efthimiopoulos

Dr. Richard Wirth

Partner

Dr. Ulrich Schade

Helmholtz Zentrum Berlin, Institut Methoden der Materialentwicklung