Dissertation/Thesis Abstract

Major Element Diffusion in Garnet and the Exsolution of Majoritic Garnet from Aluminous Enstatite in Earth's Upper Mantle
by van Mierlo, Willem Louis, Ph.D., Universitaet Bayreuth (Germany), 2011, 134; 27610514
Abstract (Summary)

Majorit ist eine Hochdruck-Modifikation von Enstatit mit Granatstruktur. Mit steigendem Druck nimmt der Enstatit-Gehalt, der als Majorit-Komponente in Granat gelöst sein kann, deutlich zu, weswegen vermutet wird, dass majoritischer Granat eine Hauptkomponente in der Übergangszone der Erde ist. Dennoch sind die Transporteigenschaften von majoritischem Granat noch nicht genau bekannt. Vom Ausmaß des Diffusionsvermögens des majoritischen Anteils in Granat hängt unser Verständnis vom zeitlichen Ablauf der Homogenisation des Erdmantels, ebenso wie das Ausmaß des thermodynamischen Ungleichgewichts, in Subduktionszonen ab. Die Ergebnisse der Diffusions-Experimente werden in dieser Dissertation vorgestellt. Diffusionsexperimente wurden an den folgenden Diffusions-Paaren durchgeführt: (1) majoritischer Granat–Dora Maira-Pyrop, (2) Dora Maira-Pyrop und Ötztal-Almandin und (3) Ötztal-Almandin und majoritischer Granat in einer Multi-Anvil-Presse bei Temperaturen von 1400–1900 °C und Drücken von 12–20 GPa durchgeführt. Jene Experimente mit Paaren von majoritischem Granat–Dora Maira-Pyrop zeigen, dass die Diffusion der majoritischen Komponente in Granat sehr langsam vonstatten geht, vergleichbar mit dem Diffusionsvermögen von Silizium in Wadsleyit und Ringwoodit. Die Aktivitätsenergie, das Aktivitätsvolumen und der präexponentielle Faktor der Diffusion der majoritischen Komponente in Granat betragen 241 ± 54 kJ mol−1, beziehungsweise 3.3 ± 0.1 cm3 mol−1 und 2.3 x 10-7 cm2 s−1. Das Diffusionsvermögen der majoritischen Komponente in Granat ist 2 bis 3 Größenordnungen langsamer als die Selbstdiffusion von Mg, Fe und Ca in Granat unter denselben Bedingungen. Daneben wurde festgestellt, dass das Fe-Mg Interdiffusionsvermögen in majoritischem Granat signifikant größer ist als in Almandin-Granat. Um herauszufinden, ob der Erdmantel durch Volumendiffusion homogenisiert werden könnte, wurde, unter der Annahme, dass Diffusion an Korngrenzen der Haupt-Diffusionsmechanismus ist, die Diffusions-Strecke der Majorit-Komponente in Granat berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass in der Zeitspanne seit der Entstehung der Erde, die Majorit-Komponente 5–15 m weit diffundieren kann. Daraus folgt, dass Volumendiffusion nicht jener Prozess ist, der den Mantel homogenisiert. Eine weitere offene Frage ist, ob die Diffusion der majoritischen Komponente in Granat schnell genug abläuft, damit Pyroxen zu Granat zerfällt und sich majoritischer Granat in der subduzierten ozeanischen Platte bildet. Diese Frage wurde gelöst anhand eines finiten Differtial-Codes, der das diffusions-kontrollierte Wachsen eines Kornes modelliert. Die Ergebnisse zeigen, dass während der Subduktion des lithospärischen Mantels der ganze Pyroxen, obwohl verzögert, zu Granat zerfallen kann. Die ozeanische Kruste verhält sich allerdings aufgrund ihrer geringeren Temperatur anders und nur ein geringer Teil des Pyroxens kann zu Granat zerfallen und deswegen metastabil erhalten bleibt. Die Diffusionsexperimente in dieser Dissertation zeigen, dass der Zerfall von Pyroxen zu Granat wegen des begrenzten Diffusionsvermögens der Majorit-Komponente in Granat signifikant verzögert wird. Demnach entmischt Granat aus Pyroxen bevor Pyroxen zu Granat zerfällt, weil die Löslichkeit von Aluminium in Pyroxen mit zunehmendem Druck abnimmt. Experimente mit Pyrop- und Enstatit–Paaren wurden bei 1700 °C und 15 GPa durchgeführt, um den Prozess der Subduktion bis in die Übergangszone zu simulieren. Die untersuchten Proben zeigen in Klinoenstatit erhebliche Verzwilligungen und eine große Dichte von Stapelfehlern auf (100) mit einem Verschiebungsvektor R = [½ ½ ½ ]. Die Stapelfehler-Ebene zusammen mit dem Versatz-Vektor ergibt sich durch die Phasentransformation von HP Hoch-Clinoenstatit zu Tief-Clinoenstatit. Die topotaktische Beziehung zwischen den majoritischen Granat-Entmischungen und dem Tief-Clinoenstatit-Wirt wurde ebenfalls ermittelt. Obwohl keine einzelne topotaktische Beziehung besteht, ist die <111> Richtung des Großteils der Granat-Entmischungen parallel zur [001] Richtung im Tief-Clinoenstatit. Das Diffusionsvermögen von Aluminium in Hoch-Clinoenstatit wurde aus den in Tief-Clinoenstatit gemessenen Aluminium–Diffusionsprofilen ermittelt. Es beträgt zumindest 6 x 10−11 cm2 s−1 bei 1700 °C und 15 GPa. Der Vergleich mit Daten von Diopsid zeigt, dass ein Unterschied zwischen den Diffusions-Daten bei hohem und niedrigerem Druck besteht, was auf eine starke Abhängigkeit des Al-Diffusionsvermögens in Clinopyroxen von dem Ca-Gehalt oder auf eine Änderung der Diffusionsmechanismen hinweist. Die Ergebnisse der Experimente, die im Zuge dieser Dissertation durchgeführt wurden, zeigen, dass das geringe Diffusionsvermögen einiger Komponenten die Reaktionskinetik im Inneren der Erde, vor allem dort, wo Massentransport eine bedeutende Rolle spielt, deutlich beeinträchtigen kann.

Indexing (document details)
Advisor: Langenhorst, Falko
Commitee: Rubie, David , Senker, Jörgen , Katsura, Tomoo , Bitzer, Klaus
School: Universitaet Bayreuth (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 81/4(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Chemistry
Keywords: Major element diffusion, Garnet, Exsolution, Majoritic garnet, Aluminous enstatite, Earth's upper mantle
Publication Number: 27610514
ISBN: 9781392477960
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