Bayreuth: Hochdruck-Forscher entdecken ungewöhnlich stabile Formen von Feldspat
Feldspate sind Mineralien, die etwa 60 Prozent der Erdkruste ausmachen. In Hochdruck-Experimenten hat ein vom Deutschen Elektronen-Synchroton (DESY) und der Universität Bayreuth koordiniertes Forschungsteam jetzt neue Formen von Feldspat entdeckt. Anders als die bisher bekannten, in der Erdkruste verbreiteten Formen des Feldspats bleiben sie unter einem Druck, wie er im oberen Erdmantel herrscht, bei Temperaturen von bis zu 600 Grad Celsius stabil. Diese Erkenntnisse könnten der Erforschung kalter, ins Erdinnere abtauchender Erdplatten neue Impulse geben und die Interpretation seismischer Signale verändern. In „Nature Communications“ stellen die Wissenschaftler ihre Entdeckung vor.
„Feldspat“ ist ein Sammelbegriff für eine Gruppe von Mineralien, die unter allen Mineralien den weitaus größten Anteil an der Erdkruste haben. Die häufigsten Mitglieder dieser Gruppe sind Anorthit, Albit und Mikroklin. Charakteristisch für ihre Kristallstrukturen sind AlO4- und SiO4-Tetraeder. Es handelt sich hierbei um Dreieckspyramiden, die aus vier dreieckigen Seitenflächen bestehen: Vier Sauerstoffatome bilden die Ecken der Pyramide, in ihrer Mitte befindet sich ein Aluminium- oder Siliziumatom.
Die Wissenschaftler haben diese gewöhnlichen Feldspate erstmals Drücken von bis zu 27 Gigapascal ausgesetzt. Am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg sowie an der Advanced Photon Source (APS) in Chicago haben sie untersucht, wie sich die Kristallstrukturen dadurch verändern. „Bei Drücken von über zehn Gigapascal entstehen neue Formen von Anorthit, Albit und Mikroklin. Es kommt zu starken geometrischen Verzerrungen der AlO4- und SiO4-Tetraeder mit der Folge, dass die Aluminium- und Siliziumatome zusätzliche Nachbaratome erhalten. Somit bilden sich dichtere Gerüste auf der Basis von Polyedern, bei denen ein Aluminium- oder Siliziumatom an vier, fünf oder sechs Sauerstoffatome gebunden ist“, berichtet Dr. Anna Pakhomova, die Erstautorin der Studie. Die Hochdruckforscherin ist wissenschaftliche Mitarbeiterin von DESY und Habilitandin am Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth.
Am BGI wurden die neu entdeckten Hochdruckvarianten des Feldspats auf ihre Stabilität hin untersucht. Dabei stellte sich beispielsweise heraus, dass die Hochdruckvariante von Anorthit unter einem Druck von 15 Gigapascal auch bei Temperaturen von bis zu 600 Grad Celsius noch stabil ist. „Solche Druck-Temperatur-Bedingungen herrschen auf der Erde insbesondere in den Subduktionszonen. Dies sind Regionen, in denen zwei Erdplatten aufeinandertreffen und eine sich unter die andere schiebt“, erklärt Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky vom Bayerischen Geoinstitut. „In solchen geologischen Umgebungen werden Feldspate zusammen mit anderem Krustenmaterial von der absteigenden Platte in die Tiefe der Erde befördert. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Hochdruckphasen von Feldspat in kalten Subduktionszonen noch in Tiefen stabil sein könnten, die dem oberen Erdmantel entsprechen, sofern die Temperatur nicht über 600 Grad ansteigt. Dies könnte die Dynamik und die Entwicklung kalt abtauchender Erdplatten beeinflussen und seismische Signaturen verändern.“
Internationale Forschungskooperation:
An den Forschungsarbeiten waren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Bayreuth, der Staatlichen Universität Sankt Petersburg, der Universität Chicago und von DESY beteiligt.
Forschungsförderung:
Die Forschungsarbeiten an der Universität Bayreuth wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.
Veröffentlichung:
Anna Pakhomova, Dariia Simonova, Iuliia Koemets, Egor Koemets, Georgios Aprilis, Maxim Bykov, Liudmila Gorelova, Timofey Fedotenko, Vitali Prakapenka, Leonid Dubrovinsky: Polymorphism of feldspars above 10 GPa. Nature Communications (2020), DOI: https://dx.doi.org/10.1038/s41467-020–16547‑4
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