dc.contributor.author
Marquardt, Hauke
dc.date.accessioned
2018-06-07T14:40:54Z
dc.date.available
2009-07-01T11:40:05.962Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/248
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-4452
dc.description.abstract
The major part of this experimental work is dedicated to the pressure-,
temperature-, and compositional-dependence of the elasticity of single-crystal
(Mg,Fe)O ferropericlase, the second most abundant mineral of Earth’s lower
mantle. The elastic tensor of (Mg0.9Fe0.1)O was determined up to a pressure of
81 GPa by using Brillouin spectroscopy and synchrotron based x-ray
diffraction. Based on the experimental data, I report the effect of the
pressure-induced spin transition of iron on the elastic properties of
ferropericlase and discuss the implications for the interpretation of both
one-dimensional and three-dimensional seismic models. The spin-transition
lowers compressional wave velocities, but does not affect shear velocities.
This leads to significant perturbations of the velocity ratios and their
dependence on pressure, temperature, and iron content with important
implications for the interpretation of seismological observables. I also
discuss the significance of (Mg,Fe)O for the interpretation of seismic
anisotropy observations in the lowermost mantle. Here, the main conclusion is
that (Mg,Fe)O likely dominates seismic anisotropy in the lower mantle, even
though it composes only ~20 Vol.% of this region. This implies that seismic
anisotropy could also be present above the D’’ discontinuity, where
seismologists depict it, in regions where deformation is dominated by
dislocation creep at very high strain levels. Furthermore, the effect of
chemical substitution on the elastic tensor of both synthetic and natural
garnet solid solution series are discussed. Silicate garnets are major
components in Earth’s crust and upper mantle, especially in the transition
zone. Moreover, members of the garnet group are important compounds in
materials science, because they are well suited for a variety of technological
applications, such as solid state lasers. The data, which were derived both
experimentally with Brillouin spectroscopy and by computational methods, show
that the substitution of yttrium by the smaller and heavier ytterbium in the
garnet solid solution series Y3Al5O12-Yb3Al5O12 makes the material stiffer
(the bulk modulus increases), but does not affect its elastic shear
properties. These results can help to better understand elasticity-composition
systematics in isostructural natural garnet solid-solution series and,
furthermore, to elucidate the potentials and limitations of computational
approaches. I also discuss the elastic properties of natural garnets and
relates them to the systematics observed for the synthetic solid solution
series. The main outcome is that cation substitution in the studied natural
garnet solid solution series produces effects that are comparable to the
observations for the synthetic one, where the incompressibility varies, but
the shear properties remain unchanged.
de
dc.description.abstract
Der größte Teil dieser experimentellen Arbeit beschäftigt sich mit der Druck-,
Temperatur- und Zusammensetzungsabhängigkeit der elastischen Eigenschaften von
einkristallinem (Mg,Fe)O Ferroperiklas, dem zweithäufigsten Mineral des
unteren Erdmantels. Der elastische Tensor von (Mg0.9Fe0.1)O wurde bis zu einem
Druck von 81 GPa mittels Brillouin Spektroskopie und Synchrotron Rötgenbeugung
bestimmt. Basierend auf den experimetnllen Daten, diskutiere ich den Effekt
des druck-induzierten Spin-Übergangs des Eisens auf die elastischen
Eigenschaften von Ferroperiklas und die Bedeutung für die Interpretation von
sowohl eindimensionalen als auch dreidimensionalen seismologischen Modellen.
Der Spin-Übergang führt zu einer starken Verringerung der Geschwindigkeiten
der Kompressionswellen, hat aber keinen sichtbaren Einfluss auf die
Scherwellen. Das führt zu einer ausgeprägten Veränderung der
Geschwindigkeitsverhältnisse und deren Abhängigkeit von Druck, Temperatur und
Eisengehalt und ist von großer Bedeutung für die Interpretation von
seismischen Beobachtungen. Ich diskutiere auch die Bedeutung von (Mg,Fe)O für
die Interpretation von seismischen Anisotropie-Beobachtungen im tiefen unteren
Mantel. Das wichtigste Resultat ist, dass (Mg,Fe)O Ferroperiklas
wahrscheinlich die elastische Anisotropie im unteren Mantel dominiert, obwohl
es nur etwa 20 Vol. % dieser Region ausmacht. Diese Daten implizieren, dass
seismische Anisotropie auch oberhalb der D’’ Diskontinuität, wo Seismologen
sie beobachten, vorhanden sein könnte - in Regionen, in denen die Deformation
durch Dislokationskriechen bei sehr hohen Verformungsraten gekennzeichnet ist.
Außerdem beschäftigt sich die Arbeit mit dem Einfluss von chemischer
Substitution auf den elastischen Tensor von synthetischen und natürlichen
Granatmischreihen. Silikatgranate sind Hauptbestandteile in der Erdkruste und
dem oberen Erdmantel, vor allem in der Übergangszone. Außerdem sind Kristalle
der Granatgruppe wichtige Verbindungen in die Materialwissenschaften, da sie
für eine Reihe von technischen Anwendungen geeignet sind, beispielsweise als
Festkörperlaser. Die Daten, welche ich sowohl experimentell mittels Brillouin
Streuung als auch mit Computersimulationen bestimmt habe, zeigen, dass die
Substitution von Yttrium mit dem kleineren und schwereren Ytterbium das
Material steifer macht (die Inkompressibilität nimmt zu), aber keinen Effekt
auf die Schereigenschaften hat. Diese Erkenntnisse können zu einem besseren
Verständnis von Elastizitäts-Zusammensetzungs-Systematiken in natürlichen
Granaten und den Potentialen und Grenzen von Computersimulationen beitragen.
Ich diskutiere außerdem die elastischen Eigenschaften von natürlichen Granaten
und vergleiche sie mit der Systematik, die für die synthetischen
Mischkristallreihen beobachtet wurde. Das Hauptergebnis ist, dass die
untersuchten natürlichen Granate analog auf die Substitution von Kationen
reagieren – die Inkompressibilität ändert sich, aber die Schereigenschaften
bleiben unverändert.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Elastische Eigenschaften
dc.subject
Brillouin Spektroskopie
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie
dc.title
Single-crystal elastic properties of geomaterials
dc.contributor.contact
hama@gfz-potsdam.de
dc.contributor.firstReferee
Prof. Frank R. Schilling
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Susan Schorr
dc.date.accepted
2009-07-02
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000010849-4
dc.title.translated
Elastische Einkristall-Eigenschaften von Geomaterialien
de
refubium.affiliation
Geowissenschaften
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000010849
refubium.note.author
Kapitel 6.1.-6.3 sind aufgrund von Originalzeitschriftenartikel in Online-
Version nicht enthalten
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000005834
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access