Mineralphysik

Die Mineralphysik ist die Wissenschaft von den Materialien, aus denen das Innere von Planeten, insbesondere der Erde, besteht. Sie überschneidet sich mit der Petrophysik , die sich mit den Eigenschaften von Gesteinen als Ganzes befasst. Sie liefert Informationen, die es ermöglichen, Oberflächenmessungen von seismischen Wellen , Schwereanomalien , geomagnetischen und elektromagnetischen Feldern im Hinblick auf die Eigenschaften im tiefen Erdinneren zu interpretieren. Diese Informationen können genutzt werden, um Einblicke in die Plattentektonik , die Mantelkonvektion , den Geodynamo und verwandte Phänomene zu gewinnen.

Für Laborarbeiten in der Mineralphysik sind Hochdruckmessungen erforderlich. Das gebräuchlichste Instrument ist eine Diamantstempelzelle , die Diamanten verwendet, um eine kleine Probe einem Druck auszusetzen, der den Bedingungen im Erdinneren nahekommt.

Viele der Pionierstudien in der Mineralphysik nutzten Explosionen oder Projektile, die eine Probe einem Stoß aussetzten. Für einen kurzen Moment steht die Probe unter Druck, während die Stoßwelle sie durchdringt. Mit dieser Methode wurden Drücke erreicht, die zu den höchsten auf der Erde zählen. Die Methode hat jedoch einige Nachteile. Der Druck ist sehr ungleichmäßig und nicht adiabatisch , sodass die Druckwelle die Probe beim Durchgang erhitzt. Die Versuchsbedingungen müssen anhand von Druck-Dichte-Kurven, den sogenannten Hugoniot-Kurven , interpretiert werden . ^{[ 1 ]}

Multi-anvil presses involve an arrangement of anvils to concentrate pressure from a press onto a sample. Typically the apparatus uses an arrangement eight cube-shaped tungsten carbide anvils to compress a ceramic octahedron containing the sample and a ceramic or Re metal furnace. The anvils are typically placed in a large hydraulic press. The method was developed by Kawai and Endo in Japan.^[2] Unlike shock compression, the pressure exerted is steady, and the sample can be heated using a furnace. Pressures of about 28 GPa (equivalent to depths of 840 km),^[3] and temperatures above 2300 °C,^[4] can be attained using WC anvils and a lanthanum chromite furnace. The apparatus is very bulky and cannot achieve pressures like those in the diamond anvil cell (below), but it can handle much larger samples that can be quenched and examined after the experiment.^[5] Recently, sintered diamond anvils have been developed for this type of press that can reach pressures of 90 GPa (2700 km depth).^[6]

The diamond anvil cell is a small table-top device for concentrating pressure. It can compress a small (sub-millimeter sized) piece of material to extreme pressures, which can exceed 3,000,000 atmospheres (300 gigapascals).^[7] This is beyond the pressures at the center of the Earth. The concentration of pressure at the tip of the diamonds is possible because of their hardness, while their transparency and high thermal conductivity allow a variety of probes can be used to examine the state of the sample. The sample can be heated to thousands of degrees.

Das Erreichen von Temperaturen im Erdinneren ist für die Mineralphysik ebenso wichtig wie die Erzeugung hoher Drücke. Verschiedene Methoden werden eingesetzt, um diese Temperaturen zu erreichen und zu messen. Die Widerstandsheizung ist die gebräuchlichste und am einfachsten zu messende Methode. Durch Anlegen einer Spannung an einen Draht werden dieser und seine Umgebung erhitzt. Es gibt eine Vielzahl von Heizkonstruktionen, darunter solche, die den gesamten Körper der Diamantstempelzelle (DAC) erhitzen, und solche, die im Inneren der Zelle die Probenkammer erwärmen. Temperaturen unter 700 °C können an Luft erreicht werden, da Diamanten oberhalb dieser Temperatur oxidieren . In einer Argonatmosphäre lassen sich höhere Temperaturen bis zu 1700 °C erreichen, ohne die Diamanten zu beschädigen. Ein Wolfram-Widerstandsheizer mit Argon in einer BX90-DAC erreichte Berichten zufolge Temperaturen von 1400 °C. ^{[ 8 ]}

Die Lasererhitzung erfolgt in einer Diamantstempelzelle mit Nd:YAG- oder CO₂ _- Lasern , um Temperaturen über 6000 K zu erreichen. Die Temperatur wird mittels Spektroskopie durch Messung der Schwarzkörperstrahlung der Probe bestimmt. Die Lasererhitzung erweitert zwar kontinuierlich den in der Diamantstempelzelle erreichbaren Temperaturbereich, weist jedoch zwei wesentliche Nachteile auf. Erstens sind Temperaturen unter 1200 °C mit dieser Methode schwer zu messen. Zweitens entstehen große Temperaturgradienten in der Probe, da nur der vom Laser getroffene Teil erhitzt wird.

Um die Eigenschaften von Mineralien im tiefen Erdinneren zu bestimmen, muss man wissen, wie sich ihre Dichte mit Druck und Temperatur ändert . Eine solche Beziehung wird als Zustandsgleichung (EOS) bezeichnet. Ein einfaches Beispiel für eine Zustandsgleichung, die vom Debye-Modell für harmonische Gitterschwingungen vorhergesagt wird, ist die Mie-Grünheisen-Zustandsgleichung:

${\displaystyle \left({\frac {dP}{dT}}\right)={\frac {\gamma _{D}}{V}}C_{V},}$

Hierbei bezeichnet C die Wärmekapazität und γ den Debye-Parameter. Letzterer ist einer der vielen Grünheisen-Parameter, die in der Hochdruckphysik eine wichtige Rolle spielen. Eine realistischere Zustandsgleichung ist die Birch-Murnaghan-Gleichung . ^{[ 9 ] : 66–73} ${\displaystyle C_{V}}$${\displaystyle \gamma _{D}}$

Die Inversion seismischer Daten liefert Profile der seismischen Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Tiefe. Diese müssen jedoch noch im Hinblick auf die Eigenschaften der Minerale interpretiert werden. Francis Birch entdeckte eine sehr nützliche Heuristik : Durch die Darstellung von Daten für eine große Anzahl von Gesteinen fand er eine lineare Beziehung zwischen der Kompressionswellengeschwindigkeit von Gesteinen und Mineralen mit konstantem mittlerem Atomgewicht und der Dichte : ^{[ 10 ] [ 11 ]}${\displaystyle v_{p}}$${\displaystyle {\overline {M}}}$${\displaystyle \rho }$

${\displaystyle v_{p}=a{\overline {M}}+b\rho }$Die

Diese Beziehung wurde als Birchsches Gesetz bekannt . Sie ermöglicht es, bekannte Geschwindigkeiten von Mineralien an der Oberfläche zu extrapolieren, um Geschwindigkeiten tiefer im Erdinneren vorherzusagen.

• Viskosität
• Kriechen (Verformung)
• Schmelzen
• Elektrische Leitfähigkeit und andere Transporteigenschaften

Es gibt eine Reihe experimenteller Verfahren zur Informationsgewinnung aus Einzelkristallen und Kristallpulvern. Einige Techniken lassen sich in einer Diamantstempelzelle (DAC) oder einer Mehrstempelpresse (MAP) anwenden. Eine Übersicht einiger Techniken findet sich in der folgenden Tabelle.

Mithilfe quantenmechanischer numerischer Verfahren lassen sich sehr genaue Vorhersagen von Kristalleigenschaften wie Struktur, thermodynamischer Stabilität, elastischen Eigenschaften und Transporteigenschaften erzielen. Die Grenze solcher Berechnungen liegt meist in der Rechenleistung, da Rechenzeiten von Wochen oder sogar Monaten keine Seltenheit sind. ^{[ 9 ] : 107–109}

Das Fachgebiet der Mineralphysik wurde erst in den 1960er Jahren benannt, seine Ursprünge reichen jedoch mindestens bis ins frühe 20. Jahrhundert zurück, als man erkannte, dass der äußere Erdkern flüssig ist, da seismische Untersuchungen von Oldham und Gutenberg zeigten, dass sich dort keine Scherwellen ausbreiten konnten. ^{[ 16 ]}

Ein Meilenstein in der Geschichte der Mineralphysik war die Veröffentlichung von „ Die Dichte der Erde“ durch den mathematischen Physiker Erskine Williamson und den Experimentalphysiker Leason Adams. Am Geophysikalischen Labor der Carnegie Institution of Washington untersuchten sie ein Problem, das Wissenschaftler lange Zeit beschäftigt hatte. Man wusste, dass die durchschnittliche Dichte der Erde etwa doppelt so hoch war wie die der Erdkruste , aber es war unklar, ob dies auf Kompression oder auf Zusammensetzungsänderungen im Erdinneren zurückzuführen war. Williamson und Adams nahmen an, dass tiefer liegendes Gestein adiabatisch (ohne Wärmeabgabe) komprimiert wird, und leiteten die Adams-Williamson-Gleichung ab , mit der sich das Dichteprofil aus gemessenen Dichten und elastischen Eigenschaften von Gesteinen bestimmen lässt. Einige dieser Eigenschaften maßen sie mithilfe einer 500 Tonnen schweren hydraulischen Presse, die Drücke von bis zu 1,2 Gigapascal (GPa) erzeugte. Sie kamen zu dem Schluss, dass der Erdmantel eine andere Zusammensetzung als die Erdkruste aufweist, möglicherweise aus ferromagnesischen Silikaten besteht, und dass der Erdkern eine Kombination aus Eisen und Nickel ist. Sie schätzten den Druck und die Dichte im Zentrum auf 320 GPa bzw. 10.700 kg/m³ ^, was nicht weit von den aktuellen Schätzungen von 360 GPa bzw. 13.000 kg/m³ entfernt ^ist . ^{[ 17 ]}

Die experimentellen Arbeiten im Geophysikalischen Labor profitierten von den Pionierarbeiten von Percy Bridgman an der Harvard University , der Methoden für die Hochdruckforschung entwickelte, die ihm den Nobelpreis für Physik einbrachten . ^{[ 17 ]} Sein Schüler Francis Birch leitete ein Programm zur Anwendung von Hochdruckmethoden in der Geophysik. ^{[ 18 ]} Birch erweiterte die Adams-Williamson-Gleichung um die Auswirkungen der Temperatur. ^{[ 17 ]} 1952 veröffentlichte er die wegweisende Arbeit „ Elastizität und Zusammensetzung des Erdinneren“ , in der er einige grundlegende Fakten festlegte: Der Erdmantel besteht überwiegend aus Silikaten ; es gibt einen Phasenübergang zwischen oberem und unterem Mantel; und sowohl der innere als auch der äußere Erdkern sind Eisenlegierungen. ^{[ 19 ]}

• „Mineralphysik im gesamten Curriculum unterrichten“ . Am Puls der Zeit – berufliche Weiterbildung für geowissenschaftliche Dozenten . Abgerufen am 21. Mai 2012 .