Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie Kristalle unter Hochdruck ihre Strukturen ändern: Neue Erkenntnisse zum Dolomit im Erdinneren

06.09.2012
Viele hundert Kilometer tief in der Erde können die gleichen Mineralien andere kristalline Strukturen als auf der Erdoberfläche haben.
Dank ihrer Wandlungsfähigkeit bewahren sie ihre thermodynamische Stabilität trotz der hohen Drücke, denen sie im äußeren und inneren Erdmantel ausgesetzt sind. Ein Beispiel ist das Dolomit, ein weltweit häufig vorkommendes Karbonatmineral. Eine internationale Forschungsgruppe mit Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky (Universität Bayreuth) berichtet in den PNAS – den Proceedings of the National Academy of Sciences der USA – über Experimente, die zeigen, in welchen kristallinen Strukturen Dolomit im Erdinneren 'überlebt'.

Dolomit ist im Sedimentgestein zahlreicher deutscher Mittelgebirge und in den Alpen enthalten. Ebenso wie die italienischen Dolomiten mit ihren stark dolomithaltigen Sedimenten verdankt es seinen Namen dem französischen Geologen Déodat de Dolomie. Dolomit existiert ausschließlich in Form von Kristallen, die sich aus Calcium, Magnesium und Karbonatgruppen zusammensetzen. Diese chemischen Bestandteile bilden unter den Druckverhältnissen auf der Erdoberfläche und in der Erdkruste eine kristalline Struktur trigonaler Symmetrie.

Bisher ging die Forschung von der Annahme aus, Dolomit könne hohen Drücken, wie sie im Erdmantel herrschen, nicht standhalten und würde in die Karbonatmineralien Calcit (Aragonit) und Magnesit zerfallen. Doch Experimente, die am Bayerischen Geoinstitut (BGI) – einem Forschungszentrum der Universität Bayreuth – und an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle (ESRF) in Grenoble durchgeführt wurden, haben diese Annahme jetzt widerlegt. Am BGI wurden Einkristalle des in der Natur vorkommenden, mit Eisen angereicherten Dolomits immer stärkeren Drücken ausgesetzt. Mithilfe einer speziellen Technik, der Röntgenmikrodiffraktion, konnten die Forscher nachweisen, dass Dolomit bei einem Druck über 17 Gigapascal nicht zerfällt, sondern seine kristalline Struktur ändert. Dadurch entsteht ein neues Polymorph, Dolomit-II genannt. Dieses Material besteht aus den gleichen Atomen wie das natürliche Dolomit. Seine Struktur hat jedoch eine deutlich niedrigere (trikline) Symmetrie.

Wird der Druck auf Dolomit-II solange erhöht, bis 35 Gigapascal überschritten sind, ändert sich die kristalline Struktur erneut. Jetzt entsteht ein weiteres Polymorph, das als Dolomit-III bezeichnet wird. Es folgt zwar gleichfalls dem triklinen Kristallsystem, doch sind auffällige Änderungen zu beobachten. Denn in den kristallinen Strukturen von Dolomit und Dolomit-II haben die Carbongruppen – bestehend aus einem Kohlenstoff- und drei Sauerstoffatomen – eine flächige Form. Doch in Dolomit-III deformieren sich die Carbongruppen und nähern sich bei steigendem Druck zunehmend einer pyramidenartigen Form an. Auf diese Weise bestätigen die Forschungsergebnisse frühere Computerberechnungen, wonach Carbongruppen in kristallinen Strukturen oberhalb von 80 Gigapascal die Form eines Tetraeders aufweisen. Anders als vorhergesagt, kommt diese Form allerdings nicht durch eine abrupte Phasenänderung zustande, sondern bildet sich in einem kontinuierlichen Prozess heraus.

"Die Forschungsergebnisse bestärken uns in der Erwartung, dass tief im Erdinneren Materialstrukturen existieren, die auf der Erdoberfläche völlig unbekannt sind", erklärt Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky, der sich am Bayerischen Geoinstitut mit Hochdruck- und Hochtemperatur-Kristallographie befasst. "Hier liegt ein faszinierendes Forschungsgebiet vor uns, das noch manche Überraschungen bereit hält."

Gemeinsam mit den anderen Mitgliedern der Forschungsgruppe hält Dubrovinsky die neuen Einblicke in die kristallinen Strukturen des Dolomits für geeignet, das Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs im Erdinneren weiter voranzubringen. Denn weil die Druckverhältnisse im Erdinneren sehr gut erforscht sind, lassen sich die im Experiment erzeugten und analysierten Polymorphe des Dolomits verschiedenen Tiefen im Erdinneren zuordnen. Dolomit-II existiert demnach in einer Tiefe zwischen 500 und 850 km, Dolomit-III in einer Tiefe bis zu 1.700 km. Möglicherweise haben das Dolomit und seine Polymorphe dabei eine wichtige Funktion als Transporteure von Kohlenstoff. Wenn beispielsweise bei tektonischen Prozessen zwei Platten der Erdkruste aneinander stoßen und sich die eine Platte unter die andere schiebt, wandert das im Sedimentgestein enthaltene Dolomit immer weiter in die Tiefe. Auf dem Weg in den äußeren und den inneren Erdmantel verändert es sich zunächst zu Dolomit-II, dann zu Dolomit-III. Sobald diese Polymorphe, etwa durch Mantelkonvektion, aufwärts in die Erdkruste vordringen oder sogar die Erdoberfläche erreichen, nehmen sie wieder die 'normale' kristalline Struktur des Dolomits an.

Veröffentlichung:

Marco Merlini, Wilson A. Crichton, Michael Hanfland, Mauro Gemmi, Harald Müller, Ilya Kupenko, and Leonid Dubrovinsky,
Structures of dolomite at ultrahigh pressure and their influence on the deep carbon cycle,
in: PNAS 2012 109 (34) 13509-13514;
published ahead of print August 6, 2012.
DOI: 10.1073/pnas.1201336109
Ansprechpartner:

Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky
Bayerisches Geoinstitut (BGI)
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Tel.:+49 (0)921 55 3736/3707
E-Mail: Leonid.Dubrovinsky@uni-bayreuth.de

Christian Wißler | Universität Bayreuth
Weitere Informationen:
http://www.uni-bayreuth.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Quantenanomalien: Das Universum in einem Kristall
21.07.2017 | Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe

nachricht Projekt »ADIR«: Laser bergen wertvolle Werkstoffe
21.07.2017 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: 3-D scanning with water

3-D shape acquisition using water displacement as the shape sensor for the reconstruction of complex objects

A global team of computer scientists and engineers have developed an innovative technique that more completely reconstructs challenging 3D objects. An ancient...

Im Focus: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Gipfeltreffen der String-Mathematik: Internationale Konferenz StringMath 2017

24.07.2017 | Veranstaltungen

Von atmosphärischen Teilchen bis hin zu Polymeren aus nachwachsenden Rohstoffen

24.07.2017 | Veranstaltungen

Recherche-Reise zum European XFEL und DESY nach Hamburg

24.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Gipfeltreffen der String-Mathematik: Internationale Konferenz StringMath 2017

24.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Von atmosphärischen Teilchen bis hin zu Polymeren aus nachwachsenden Rohstoffen

24.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Lupinen beim Trinken zugeschaut – erstmals 3D-Aufnahmen vom Wassertransport zu Wurzeln

24.07.2017 | Biowissenschaften Chemie