Dissertation/Thesis Abstract

Iron Spin Crossovers at High Pressures and Temperatures and Their Effects on Materials Relevant to the Earth’s Lower Mantle and Core
by Prescher, Clemens, Dr.Nat., Universitaet Bayreuth (Germany), 2014, 102; 10692130
Abstract (Summary)

Eisen ist bezogen auf die Masse das am häufigsten vorkommende Element in der Erde. Die Eisenkonzentration sowie Spin- und Oxidationszustände des Eisens haben einen starken Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften der Hauptminerale des Erdinneren. Daher ist es von großer Bedeutung, das Verhalten von Eisen in Mineralen unter den Druck- und Temperaturbedingungen des Erdinneren zu verstehen. In der vorliegenden kumulativen Dissertation werden Spinübergänge in eisenhaltigen Magnesium-Aluminium-Silikaten, eisenhaltigen Silikatgläsern, dem Carbid Fe3C und der Effekt dieser Übergänge auf die Fe/Mg-Verteilung zwischen Perowskit und Ferroperiklas in einem pyrolitischen Modellsystem des unteren Erdmantels untersucht. Das Ziel dieser Dissertation besteht zunächst darin, die Art der Spinübergänge des Eisens in Bezug zu seiner Wertigkeit zu verstehen und darauf aufbauend die Konsequenzen von Spinübergängen für die Prozesse und den Aufbau des Erdinneren abzuschätzen. Im Rahmen der Arbeit wurden hauptsächlich Laser-geheizte Diamantstempelzellen zum Erreichen der Druck- und Temperaturbedingungen, Mößbauer-Spektroskopie für die Bestimmung der strukturellen und Spinübergänge in eisenhaltigen Materialen und analytische Transmissionselektronenmikroskopie für die Bestimmung der Elementkonzentrationen sowie der Oxidationststufen des Eisens im nm-Maßstab genutzt. Die vorliegende kumulative Dissertation beinhaltet die Ergebnisse von fünf Einzelstudien. Es wird das Computerprogramm MossA eingeführt, das zur Analyse von konventionellen und energieaufgelösten Synchrotron Mössbauer-Spektren dient und damit die Basis für die Interpretation aller hier präsentierten Einzelstudien bildet. Auf der Grundlagen von Synchrotron Mössbauer-Spektroskopie und elektrischen Leitfähigkeitsmessungen von eisenhaltigem Aluminium-Silikat-Perowskit wird gezeigt, dass Fe3+ ausschließlich die dodekaedrisch koordinierte A-Position der Perowskit-Struktur besetzt und dass Fe3+ im High-Spin-Zustand unter den Druck- und Temperaturbedingen des unteren Erdmantels bleibt. Des Weiteren zeigt eine Untersuchung des Spinzustands von Fe in Fe2+-reichem Aluminium-Silikat-Glas und Fe3+-reichem Natrium-Silikat-Glas, dass keine abrupten Spinübergänge des Eisens in Silikatschmelzen unter Bedingungen des unteren Erdmantels erfolgen. Durch diese Ergebnisse kann ausgeschlossen werden, dass Silikatschmelzen im unteren Erdmantel allein durch die starke Anreicherung von Fe relativ zur Festphase, welche durch die Stabilität von Fe im Low-Spin Zustand in der Silikatschmelze induziert würde, dichter wird als das umgebende Festgestein. Neue Erkenntnisse wurden über die Elementverteilung von Fe2+ und Fe3+ zwischen den beiden Hauptmineralphasen des unteren Erdmantels, Ferroperiklas und Perowskit, erzielt. Es wird gezeigt, dass der Übergang vom intermediären Spin-Zustand zum Low-Spin-Zustand von Fe2+ bei ca. 110 GPa einen starken Effekt auf die Elementverteilung und den Oxidationsstatus von Eisen hat. Dieser führt erstens zu einer Änderung der Elementverteilung und verursacht des Weiteren eine Reduktion von Fe3+ zu Fe2+ im Perowskit. Zum Abschluss wird in einer Studie mittels Mössbauer-Spektroskopie und Einkristall-Röntgenbeugung gezeigt, dass Fe3C seinen Magnetismus unter Druck bei Raumtemperatur in zwei Schritten verliert. Ein Übergang von ferro- zu paramagnetisch findet bei 8-10 GPa und ein Übergang von para- zu nicht-magnetisch findet bei ca. 22 GPa statt.

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Advisor:
Commitee:
School: Universitaet Bayreuth (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 81/1(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Geochemistry, Geology, Geophysics
Keywords: Iron rich magmas
Publication Number: 10692130
ISBN: 9781392507162
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