Zweijahresbericht 2004/2005 - Bibliothek - GFZ

nen Richtungen bestimmt. In Abb. 4.47 sind die Temperaturleitfähigkeiten
für vier verschiedene Karbonate dargestellt.
Es dominiert ein Phononenmechanismus das
Wärmetransportverhalten im angegeben Temperaturbereich.
Durch die Zunahme der Phononen-Phononen-
Wechselwirkungen mit zunehmender Temperatur nimmt
die Temperaturleitfähigkeit ab. Mit zunehmender Masse
des Kations nimmt die Temperaturleitfähigkeit ab, da bei
Mineralen mit größerer Masse die Phononen stärker
gestreut werden.
Die Temperaturleitfähigkeit im pseudobinären System
Kalzit Ca[CO 3]-Magnesit Mg[CO 3] ist in Abb. 4.48 dargestellt.
Die Eigenschaften des Dolomits lassen sich aus
den Eigenschaften der Endglieder Kalzit und Magnesit
ableiten. Dabei können – ähnlich wie bei elektrischen
Widerständen – die Wärmewiderstände in Serie oder Parallel
geschaltet werden. Durch den größeren Streuquerschnitt
für Phononen von Eisen gegenüber Kalzium und
Magnesium, wird durch geringe Eisenverunreinigungen
(ca. 1 %) die Temperaturleitfähigkeit von Dolomit deutlich
reduziert (Abb. 4.48).
Physikalische Eigenschaften von Mineral/Glas-Kunststoff-Werkstoffen
Am GFZ Potsdam wurde in den letzten Jahren eine einzigartige
Kombination geomaterialwissenschaftlicher
Experimente entwickelt und aufgebaut. Dadurch ergeben
sich faszinierende Einblicke in die dynamischen Vorgänge
im Inneren unseres erstaunlich aktiven Planeten. Die
bei diesen Untersuchungen gewonnene Expertise wird in
zunehmendem Maße von der Industrie und im Bereich der
angewandten Forschung arbeitenden Einrichtungen national
und international wahrgenommen und für die gezielte
Entwicklung moderner Werkstoffe eingesetzt.
Die physikalischen Eigenschaften von Mineral/Glas-Kunststoff-Werkstoffen
wurde mit den für die Grundlagenforschung
entwickelten Apparaturen bestimmt und mit
Methoden bearbeitet und interpretiert, die für die
Gesteinsphysik entwickelt wurden. Dadurch
können die physikalischen Eigenschaften
dieser „knowledge based multifunctional
materials“ systematisch variiert
werden und das Verhalten der Composites
vorhergesagt werden.
Messungen von Schallgeschwindigkeiten
im Labor mittels Gigahertz-
Ultraschallinterferometrie
Messungen und Interpretationen der
Laufzeiten seismischer Schallwellen sind
die wichtigsten Methoden zur Entschlüsselung
des Aufbaus des Erdinneren. So
deuten z. B. Geschwindigkeitssprünge
der seismischen Wellen von einigen Prozent
auf abrupte Änderungen der Phasen
und/oder des Chemismus in 410 bzw. 660
km Tiefe hin. Es ist jedoch nicht möglich,
allein aus den seismischen Geschwindigkeitsänderungen
auf die chemische Zusammensetzung und die Phasen der
Minerale im Erdmantel zu schließen. Hierfür müssen
zusätzlich Geschwindigkeitsmessungen an Mantel-relevanten
Mineralen im Labor durchgeführt werden. Das Ziel
ist es, einen genügend großen und verlässlichen Datensatz
von longitudinalen und transversalen Schallwellengeschwindigkeiten
V P und V S, elastischen Konstanten C ij
sowie Kompressions- und Schermoduli K s und G bei
erhöhten Druck- und/oder Temperaturbedingungen zu
erhalten. Diese Ergebnisse können dann benutzt werden,
um Geschwindigkeitsprofile von Mineralgemengen wie
sie etwa im oberen Erdmantel (Olivin und Pyroxen), in der
Übergangszone (Spinelle und Granate) und im unteren
Erdmantel (Perovskit und Magnesiumwüstit) vorkommen,
zu modellieren und mit seismischen Daten zu vergleichen.
Eine Methode, Schallwellengeschwindigkeiten zu messen,
ist die Ultraschall-Interferometrie. Hierbei wird die
Laufzeit eines Schallpulses durch eine Probe gemessen
und daraus die Geschwindigkeit der Schallwellen bestimmt.
Diese Methode bietet folgende Vorteile: 1. Es können dunkle
oder opake Proben, die optischen Methoden wie Brillouin-Streuung
nicht zugänglich sind, untersucht werden.
Dies ist ein besonders wichtiger Punkt, da viele Mantelrelevante
Minerale, wie Magnesiumwüstit (Mg,Fe)O oder
Ringwoodit γ(Mg,Fe) 2SiO 4, Eisen in verschiedenen Wertigkeitsstufen
enthalten und deshalb lichtabsorbierend
sind. 2. Wegen der sehr hohen Frequenzen im GHz-
Bereich ist es möglich, kleinste Proben mit einer Dicke
von ca. 40 µm zu untersuchen. 3. Die GHz-Interferometrie
kann in Diamanthochdruckzellen angewendet werden.
Dies bietet uns die Möglichkeit, die elastischen Eigenschaften
von Mineralen als Funktion des Druckes und der
Temperatur zu bestimmen. In Abb. 4.50 ist das Prinzip dieser
Methode schematisch dargestellt.
Ein ca. 1,5 µm dünner Piezo aus ZnO liefert Ultraschallwellen
im GHz-Bereich. Diese Schallwellen durchlaufen
den Übertragungsstab, den Diamanten und treffen dann
Abb. 4.50: Prinzip der Schallgeschwindigkeitsbestimmung in einer Diamantzelle.
Die Überlagerung der an der Vorder- und Rückseite der Probe
reflektierten Schallwellen (mit 1 und 2 gekennzeichnet) ergibt ein Interferenzmuster
aus der die Laufzeit der Schallwellen durch die Probe berechnet
werden kann.
Principle of GHz-interferometry: Superposition of sound waves reflected at
the front and back end of the sample results in an interference pattern from
which the round trip travel-time can be calculated.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
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