Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3853
Main Title: Water incorporation in wadsleyite and ringwoodite
Subtitle: Effect on phase stability and structure
Translated Title: Wassereinbau in Wadsleyit und Ringwoodit
Translated Subtitle: Einfluss auf Phasenstabilität und Struktur
Author(s): Mrosko, Maria
Advisor(s): Koch-Müller, Monika
Referee(s): Koch-Müller, Monika
Heinrich, Wilhelm
Libowitzky, Eugen
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die vorliegende Arbeit behandelt den Einfluss des Wassereinbaus auf die Struktur und Phasenstabilitäten von Wadsleyit und Ringwoodit und ist eingegliedert in das DFG Schwerpunktprogramm 1236 mit dem Titel “Strukturen und Eigenschaften von Kristallen bei extrem hohen Drücken und Temperaturen”. Die dazugehörigen Forschungsarbeiten wurden am Helmholtz-Zentrum Potsdam, Deutsches GeoForschungsZentrum, GFZ, Department 3.3 Chemie und Physik der Geomaterialien durchgeführt. Seismische Profile, die die Struktur des Erdinneren abbilden, weisen in bestimmten Erdtiefen Unstetigkeiten in den p- und s-Wellengeschwindigkeiten auf. Die Diskontinuitäten in 410, 520 und 660 km Tiefe werden den Phasenumwandlungen der (Mg,Fe)2SiO4-Polymorphe Olivin (a-Polymorph) zu Wadsleyit (ß) und Ringwoodit (?) zugeordnet. Jedoch treten diese Unstetigkeiten global gesehen nicht exakt in der gleichen Tiefe auf, sondern weisen mitunter große Schwankungen auf. Dafür werden verschiedenste Gründe angeführt. Die vorliegende Arbeit soll in diesem Zusammenhang den Einfluss von Wasserstoff auf die Struktur und Phasenstabilitäten von Wadsleyit und Ringwoodit untersuchen sowie klären, ob der Einbau von Wasser in diese Minerale als Erklärung für die beobachteten Tiefenschwankungen der 520km-Diskontinuität herangezogen werden kann. Die experimentelle Herangehensweise an das Thema beinhaltete die Durchführung von Hochdrucksynthesen (veränderliche Parameter: Druck, Wassergehalt, chemische Zusammensetzung, Sauerstofffugazität) in einer Multi-Anvil-Apparatur sowie die anschließende ausführliche Untersuchung des synthetisierten Materials. Röntgenbeugungsanalysen sowie Mikrosondenuntersuchungen wurden angewendet, um die Phasen zu identifizieren und deren Struktur und chemische Zusammensetzung im Detail zu bestimmen. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit lag jedoch darin, Wasserstoff (und Eisen (Fe)) in der Struktur mit Hilfe von spektroskopischen Methoden zu lokalisieren, zu quantifizieren und den Einfluss der eingebauten Spezies auf die Struktur und Phasenstabilitäten von Wadsleyit und Ringwoodit zu bewerten. Im ersten Teil der Studie wurde daher das druckabhängige Verhalten von trockenem gegenüber wasserhaltigem Mg-Wadsleyit mittels IR-Spektroskopie untersucht. Dabei konnten wir zeigen, dass der Einbau von Wasserstoff die Phasenumwandlung vom orthorhombischen in den monoklinen Wadsleyit um etwa 1.6 GPa zu geringeren Drücken verschiebt. Im zweiten Teil wurde die genaue Positionierung von Wasserstoff innerhalb der Ringwooditstruktur untersucht. Der Hauptmechanismus konnte dabei oktaedrischen Leerstellen zugeordnet werden ([VMg(OH)2]x), der zweite wichtige Einbaumechanismus wird über die Hydrogranat-Substitution ([VSi(OH)4]x) vollzogen. Der dritte Teil der Arbeit befasste sich mit dem Effekt von nicht hydrostatischen Druckbedingungen auf die Struktur von wasserhaltigem Ringwoodit. Dabei konnten wir zeigen, dass derartige Bedingungen zu einer stress-induzierten Unordnung des Wasserstoffes führen kann. Im vierten Teil der Arbeit untersuchten wir den direkten Einfluss von Wasserstoff, Eisen und unterschiedlichen Sauerstofffugazitäten auf die Phasenbeziehungen zwischen Wadsleyit und Ringwoodit. Auf diese Weise war es uns möglich, zu beweisen, dass der Einbau von Wasserstoff das Stabilitätsfeld von Wadsleyit zu höheren Drücken hin erweitert und dass darüberhinaus dieser Effekt noch verstärkt auftritt, wenn die Bedingungen im Experiment eher oxidierend als reduzierend sind. Im letzten Teil der Studie wurden kalorimetrische Messungen am trockenen Wadsleyit durchgeführt. Die daraus gewonnenen Daten stellen die Grundlage für weitere Studien zum thermodynamischen Modellieren der Eigenschaften von trockenem und wasserhaltigem Wadsleyit und Ringwoodit dar. Anhand unserer Untersuchungen konnten wir zeigen, dass es tatsächlich einen Einfluss von eingebautem Wasser auf die Phasenbeziehungen zwischen Wadsleyit und Ringwoodit gibt, welcher die beobachteten Schwankungen bezüglich der Tiefe und Breite der 520km-Diskontinuität erklären kann.
This PhD project about the effect of water incorporation on the structure and phase stability of wadsleyite and ringwoodite is integrated in the DFG priority program 1236 "Strukturen und Eigenschaften von Kristallen bei extrem hohen Drücken und Temperaturen". The corresponding research work was conducted at the Helmholtz Centre Potsdam, German Research Centre for Geosciences, GFZ, Department 3.3 Chemistry and Physics of Earth Materials. Seismic profiles of the Earth’s inner structure reveal discontinuities in the p- and s-wave velocities at certain depths. The discontinuities at 410, 520, and 660 km depth are assigned to the transformations of the (Mg,Fe)2SiO4-polymorphs olivine (a-form) to wadsleyite (ß) and ringwoodite (?). However, the observed depths and widths of these velocity jumps are not constant but vary on a global scale, especially in the case of d520. The reason for that has been subject matter of various discussions. The main issue of this PhD work is to evaluate the effect of hydrogen on the structure and phase stabilities of wadsleyite and ringwoodite and to investigate if the incorporation of water in these minerals might be responsible for the observed depths variations of d520. The experimental approach included the performance of high-pressure syntheses (varied parameters: pressure, water content, composition, oxygen fugacity) in a multi-anvil apparatus and an extensive investigation of the synthesized material. X-ray diffraction techniques and electron microprobe analyses were applied to identify the samples and define their structure and composition in detail. However, the main focus of the work was to localize and quantify hydrogen (and iron (Fe)) within the samples by spectroscopic techniques and to evaluate the effect of the incorporated species on the structure and phase stabilities of wadsleyite and ringwoodite. In the first part of this study the pressure-depending behavior of dry vs. hydrous iron free wadsleyite was investigated by IR spectroscopy. Thereby we could show that the incorporation of hydrogen shifts the phase transition from orthorhombic to monoclinic wadsleyite about 1.6 GPa to lower pressures. In the second part, the location of hydrogen in ringwoodite was investigated. We found that the main mechanisms are related to octahedral vacancies [VMg(OH)2]x and the hydrogarnet substitution [VSi(OH)4]x. The third part of the work was related to the effect of non-hydrostatic pressure conditions on the structure of hydrous ringwoodite. Thereby we could show that such conditions lead to a stress-induced proton disorder. In the fourth part we investigated the direct effect of hydrogen, iron and different oxygen fugacities on the phase relations between wadsleyite and ringwoodite. Thus we could prove that the incorporation of hydrogen expands the stability field of wadsleyite towards higher pressure and that this effect is even enhanced at oxidizing compared to reducing conditions in the experiment. The last part of the work consisted of calorimetric measurements on dry wadsleyite. The collected data present the basis for future action on the thermodynamic modeling of dry and hydrous wadsleyite and ringwoodite. On basis of the results of this study, we could prove that there is an effect of water on the phase relations between wadsleyite and ringwoodite that possibly can explain the observed variations in the shape of the 520km-discontinuity.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-43324
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4150
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3853
Exam Date: 18-Oct-2013
Issue Date: 11-Nov-2013
Date Available: 11-Nov-2013
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Wadsleyit
Ringwoodit
Wasser
Eisen
Spektroskopie
Wadsleyite
ringwoodite
water
iron
spectroscopy
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