Querschnitt durch die Erde. Die chemischen Elemente des ...

Querschnitt durch die Erde. Die chemischen Elemente des Periodensystems reichern sich in
Atmosphäre, Kruste, Mantel und Kern der Erde unterschiedlich an. Man nennt sie daher
atmophil (den "Dunst liebend"), lithophil ("gesteinsliebend") und siderophil ("eisenliebend").
Aus: Max-Planck-Institut für Chemie (Otto-Hahn-Institut), Mainz. Faszination Forschung

Die mittlere Zusammensetzung (a) der Erde insgesamt und (b) der Erdkruste. Während der
Krustenbildung wurden vor allem Elemente mit großem Ionenradius und/oder hoher
Kernladung (Valenz) extrahiert. Die hohen Eisengehalte (und auch die Nickelgehalte) der
Gesamterde sind vorwiegend im metallischen Kern untergebracht. Der Erdmantel kann als
Residuum der Kernbildung betrachtet werden und besteht entsprechend vor allem aus
Magesiumsilikaten und Magnesiumoxid (Ferroperiklas ist ein wichtiges Mineral des Unteren
Erdmantels), in denen ein Teil des Magnesiums durch Fe und Ca ersetzt wird. Dazu enthalten
einige Mantelminerale (wie Granat oder die Pyroxene) größere Mengen von Al, Cr und Na.
Aus: Cattermole, P. (2000): Building Planet Earth. Cambridge University Press, 283 S.

Schnitt durch die Erde mit den Hauptelementen der Plattentektonik (Mittelozeanische
Rücken und Tiefseegräben mit Subduktionszonen).
Aus: Simon Lamb. S. & Sington, D. (2000) Die Erdgeschichte. Eine Spurensuche durch
Jahrmillionen. Könemann, Bonn, 240 S.

Weiterer Schnitt durch die Erde mit den Hauptelementen der Plattentektonik (Mittelozeanische
Rücken und Tiefseegräben mit Subduktionszonen).
Aus: Geo

Schnitt durch die Erde (rechts) und Zunahme von Dichte, Druck und Temperatur mit der
Tiefe (links). Abrupte Änderungen dieser physikalischen Parameter werden von abrupten
Sprüngen in der Ausbreitungsgeschwindigkeit seismischer Wellen ("seismische
Diskontinuitäten) begleitet.
Aus: Cattermole, P. (2000): Building Planet Earth. Cambridge University Press, 283 S.

Cartoon mit den wesentlichen Elementen der Manteldynamik, die bis heute identifiziert
wurden. Die wesentliche aktive Komponente ist die ozeanische Lithosphäre (schwarz) die
sich über Konvektionszellen an den mittelozeanischen Rücken (links neu bildet), sich
langsam abkühlt und schließlich an einer Subduktionszone (rechts) wieder in den Erdmantel
zurückgeführt wird. Eine zweite wichtige aktive Komponente sind Mantelplumes (Bildmitte),
in denen Mantelmaterial säulenförmig aufsteigt. Über einer wandernden Platte können solche
Plumes Vulkanketten erzeugen (hot spot trails), die sich in Richtung auf den aktuellen
Standort des Plumes verjüngen (im linken Teil der Abbildung). Die Auftriebskraft der
kontinentalen Lithosphäre (gestrichelt, rechts) moduliert das System.
Aus: Davies, G.F. (1999) Dynamic Earth. Cambridge University Press, 458 S.

Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Kompressionswellen (P-Wellen) und
Scherwellen (S-Wellen) mit zunehmender Erdtiefe. Im flüssigen Äußeren Kern werden
Scherwellen vollständig absorbiert.
Aus: Simon Lamb. S. & Sington, D. (2000) Die Erdgeschichte. Eine Spurensuche durch
Jahrmillionen. Könemann, Bonn, 240 S.

Ausbreitung von Kompressions- (P-) und Scherwellen (S-Wellen)
Aus: Brown, G.C., Hawkesworth, C.J. & Wilson, R.C.L. (1992): Understanding the Earth.
Cambridge University Press, Cambridge, 551 S.

Zwei unterschiedliche Typen von Seismometern. Die Aufhängung an einem Pendel (a)
erlaubt die Aufzeichnung der Horizontalkomponente von Erdbebenwellen. Die Aufhängung
an einer Feder (b) gestattet dagegen die vertikale Komponente von seimischen Wellen zu
erfassen.
Aus: Cattermole, P. (2000): Building Planet Earth. Cambridge University Press, 283 S.

Der flüssige äußere Kern führt nicht nur zu einer Schattenzone für Scherwellen (S-wave
shadow zone) auf der gegenüberliegenden Erdseite (wegen des fehlenden Scherwiderstandes
von Flüssigkeiten, werden im äußeren Kern keine Scherwellen weitergeleitet), sondern
erzeugt durch Brechung auch noch eine zweite, ringförmige Schattenzone für Kompressionswellen
(P-wave shadow zone).
Aus: Brown, G.C., Hawkesworth, C.J. & Wilson, R.C.L. (1992): Understanding the Earth.
Cambridge University Press, Cambridge, 551 S.

Gliederung der Erde mit Ausbreitungsgeschwindigkeit von longitudinal Wellen (P-Wellen).
Aus: Max-Planck-Institut für Chemie (Otto-Hahn-Institut), Mainz. Faszination Forschung

Ein Profil durch die obersten 900 km der Erde basierend auf seismischen Daten. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit
von der S-Wellen (Scherwellen) zeigt eine mechanisch starke
Lithosphäre, eine weiche Asthenosphäre (low velocity zone, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit
der Erdbeben-Wellen niedrig ist) sowie zwei "Übergangszonen" (nicht mit der
eigentlichen Übergangszone des Erdmantels zu verwechseln, die von diesen beiden Zonen
begrenzt wird). Diese "Überganszonen" basieren auf einer Neuanordnung der Atome zu
immer dichteren Kristallstrukturen. So nimmt Olivin zunächst eine Spinellstruktur an und
zerfällt dann zu einem Mineral in Perovskitstruktur (MgSiO3) und Magnesiumoxid.
Aus: Press, F & Siever, R. (1985): Earth. W.H. Freeman, New York, 656 S.

Eine terminologische Gliederung der verschiedenen Zone der Erde nach Kriterien der
Mineralphysik, der Seismologie und der Manteldynamik. Die Einteilung der seismischen
Zonen nach Bullen (1949) ist ebenfalls dargestellt (3 Spalte), allerdings wird heute von dieser
Einteilung nur noch die Bezeichnung D'' für die Übergangsschicht der Unteren Erdmantels
zum Kern hin verwendet.
Aus: Davies, G.F. (1999) Dynamic Earth. Cambridge University Press, 458 S.

Die Entwicklung der Diamantstempelzelle in den späten fünfziger Jahren durch Eric Van
Valkenburg (National Bureau of Standards, USA) erlaubte die Untersuchung von Phasen bei
bisher unerreichbar hohen Drucken. Geregelt wird der Druck wird durch Verstellen der
Schraube. Mit diesem Apparat erreichten Van Valkenburg und Mitarbeiter etwa 30 GPa (300
000 Atmophären).
Aus: Hazen R.M. (1999): The diamond makers. Cambridge University Press. 244 S.

Die Diamantstempelzelle besteht im Kernstück aus zwei Brillianten, der Spitzen abgeschliffen
wurden. Durch die Kopffläche der Brillianten kann so die experimentelle Probe in situ,
während des Experiments, optisch oder spektroskopisch beobachtet werden.
Aus: Hazen R.M. (1999): The diamond makers. Cambridge University Press. 244 S.

Durch Anbringen einer Dichtungsmanschette zwischen den beiden Diamanten schaffte Van
Valkenburg einen Raum, in dem er Probenmaterial zur Untersuchung einbringen konnte.
Aus: Hazen R.M. (1999): The diamond makers. Cambridge University Press. 244 S.

Querschnitt durch eine innenbeheizte Diamantstempelzelle. Die Temperatur wird mit Hilfe
eines Heizdrahtes erhöht, dessen Durchmesser nur 0.02 mm beträgt. Die Temperatur im
Probenraum wird über das Spektrum der Schwarzkörperstrahlung ("Wellenlängenbereich der
Wärmestrahlung") bestimmt, der Druck im Probenraum wird über die Fluoreszenz eines
kleinen Rubinkristalls gemessen, da die Wellenlänge dieser Fluoreszenzstrahlung eine
bekannte Druckabhängigkeit besitzt. Mit modernen Diamantstempelzellen lassen sich Drucke
erzeugen, die diejenigen im Erdkern überschreiten.
Aus: Max-Planck-Gesellschaft, Berichte und Mitteilungen, Heft 1/87

© T. Stachel
Ein genaueres Phasendiagramm für den Oberen Erdmantel, die Übergangszone (440-660 km)
und den beginnenden Unteren Erdmantel. Im Oberen Mantel geht Orthopyroxen zunächst in
Klinopyroxen (Klinoenstatit) über, dann (Oberer Mantel und Übergangszone) löst sich
Pyroxen in der Granatstruktur auf (Majoritgranat). Die Übergangszone wird definiert durch
die Umwandlung von Olivin zunächst in die β-Phase (spinellartige Struktur) und dann in die
γ-Phase (echte Spinellstruktur). Im Übergang zum Unteren Erdmantel zerfällt Olivin zu
Ferroperiklas (MgO mit etwas FeO) sowie MgSiO3-Perovskit. Granat löst sich in MgSiO3und
CaSiO3-Silikatperovskit auf.

Vereinfacht kann man sich den Erdmantel als eine dichte Packung von Sauerstoffatomen
(dunkle Kugeln) vorstellen, in deren Lücken sich vergleichsweise kleine Kationen (wie Mg,
Fe, Si etc.) aufhalten können. In einer einzelnen Lage (oben) berührt jede Kugel sechs weitere
Kugeln. Eine zweite Lage von Kugeln passt nur auf eine einzige Art über die erste Lage. Eine
dritte Lage kann nun aber auf zwei verschiedene Arten überlagert werden: sie kann über die
Kugeln der ersten Lage oder über Lücken in der ersten Lage positioniert werden. Im ersten
Fall entsteht ein eine hexagonale Dichtestpackung (mitte), im zweiten Fall eine kubische
Dichtestpackung (unten). Olivin, die wichtigste Phase des Oberen Erdmantels, stellt
angenähert eine hexagonale Dichtestpackung der Sauerstoffatome dar, die Verdichtung zu den
Olivin-Spinellen (β- und γ-Phase) der Übergangszone basiert auf einem Übergang zur
kubischen Dichtestspackung der Sauerstoffe.
Aus: Hazen R.M. (1999): The diamond makers. Cambridge University Press. 244 S.

Peridotitxenolithe: Peridotit ist das dominierende Gestein des Oberen Erdmantels.
Aufsteigende Magmen können solche fußballgroßen Bruchstücke von Peridotit mit zur
Erdoberfläche reißen, die uns dann direkten Einblick in die Zusammensetzung des Erdmantels
gewähren. Der oberste Xenolith ist ein Granatperidotit, und stammt daher aus mindestens 70
km Tiefe. Der mittlere und der untere Xenolith sind beide Spinellperidotite, kommen also aus
Tiefen von etwa 30-70 km. Im unteren Xenolith ist dazu ein deutlicher Lagenbau vermutlich
durch nachträgliche chemische Überprägung vorhanden.
Aus: Nixon, P.H. (1987): Mantle Xenoliths. John Wiley & Sons, Chichester, 844 pp., Plate 6

Eklogitxenolith von der Roberst Victor Mine, Südafrika. Eklogit besteht fast ausschließlich
aus Granat (orange-rot, Almandin-Pyrop) und natriumreichem Klinopyroxen (grün). Es
handelt sich dabei um das metamorphe Umwandlungsprodukt von Basalt (Metamorphose
bezeichnet die Umkristallisation eines Gesteins im festen Zustand). Eklogit ist neben Peridotit
das zweite wichtige Quellgestein für Diamanten im Oberen Erdmantel.
Aus Nixon, P.H. (Hrsg.) (1987): Mantle Xenoliths. John Wiley & Sons, Chichester, 844 S.

Ein Kimberlitschlot im Abbau (Fisnch Diamantmine in Südafrika)
Aus: Harlow G.E. (Hrsg.) (1998): The Nature of Diamonds. Cambridge University Press,
Cambridge, 278 S.

Diamanten werden von Gesteinsschmelzen aus über 140 km Tiefe an die Erdoberfläche
mitgerissen. Schmelzen aus solch großen Tiefen treten nur unter alten und sehr dicken
kontinentalen Bereichen, den sogenannten Kratonen auf. Die vulkanischen Gesteine
bezeichnet man als Kimberlite, in Australien treten Diamanten auch in Olivin-Lamproiten auf,
die sich von Kimberliten durch höhere Kalium- und Fluor-Gehalte unterscheiden, sonst aber
ähnlich sind.
Die Vulkanischen Formen der Diamantlagerstätten, die sog. "Kimberlitpipes" (pipe = Röhre)
sind dem Unterbau der Eifelmaare sehr ähnlich. Auf Gängen aufsteigendes Magma trifft in
einer bestimmten Tiefe (wenige 100m bis ca. 2 km) auf Grundwasser. Es kommt zu
schlagartigen Wasserdampfexplosionen. Durch explosiven Auswurf von Nebengestein
entsteht so ein Schlot mit Krater, der später durch einen Kratersee (Maarsee) gefüllt werden
kann.
Aus: Harlow G.E. (Hrsg.) (1998): The Nature of Diamonds. Cambridge University Press,
Cambridge, 278 S.

Eklogitxenolith mit Diamant. Höhe der Stufe 2.5 cm.
Aus extraLapis No 18

Oktaderischer Diamant (4mm Kantenlänge) mit weinrotem Granateinschluss (Pyrop).
Diamant steckt noch in Kimberlit. Udachnaya Mine in Yakutien, Sibierien.
Aus extraLapis No 18

Diamant-Oktaeder (4 Karat) in Kimberlit, Jagersfontein Mine, Südafrika.
Aus extraLapis No 18

Oktaedrischer Diamant in Kimberlit (Südafrika). Durch teilweise Resorption entstanden auf
der Diamantoberfläche kleine dreieckige Ätzfiguren, die als negative Trigons bezeichnet
werden, da sie umgekehrt zur Orientierung der dreieckigen Oktaederfläche ausgerichtet sind.
Aus: Mineralientage München 2000, Katalog

Diamant in einem Sedimentgestein (konglomeratischer Sandstein). Durch Verwitterung und
Umlagerung kann der primär nur in vulkanischen Gesteinen vorhandene Diamant sekundär
auch in Fluß- oder Meeresablagerungen auftreten.
Die primäre, oktaedrische Wachstumsform des Diamanten ist hier durch Resorption
größtenteils durch dodekaedrische Flächen ersetzt worden, nur das rundliche Dreieck im
Zentrum stellt noch eine ursprüngliche Oktaederfläche dar. Diese Anlösung der Diamanten
erfolgt vermutlich während des Aufstiegs zur Erdoberfläche in einer Gesteinsschmelze.
Aus: Mineralientage München 2000, Katalog

Leicht gelblicher, oktaedrischer Diamant in Kimberlit. Die Figur im Inneren des Diamanten
beruht Spannungsdoppelbrechung in polarisiertem Licht und geht vermutlich von einem
Einschluss im Zentrum aus.
Aus: Mineralientage München 2000, Katalog

Eklogitische Granateinschlüsse in Diamant (Länge der Einschlüsse ca 0.2 mm).
Photo J.W. Harris (Glasgow).

Die unterschiedlichen Eigenschaften von Diamant und Graphit beruhen auf einer stark unterschiedlichen
atomaren Struktur. Im Diamant (oben) sind die Kohlenstoffatome jeweils von
einer Pyramide von vier anderen Kohlenstoffen umgeben, wodurch eine extrem starkes
dreidimensionales Netzwerk entsteht. Im Graphit (unten) ist jedes Kohlenstoffatom innerhalb
einer Lage mit drei weiteren Kohlenstoffen verbunden, zwischen den Lagen herrschen aber
nur schwache Bindungskräfte.
Aus: Hazen R.M. (1999): The diamond makers. Cambridge University Press. 244 S.

Diamant und Graphit -
Kohlenstoffmodifikationen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften
Diamant Graphit
Symmetrie kubisch hexagonal
Spaltbarkeit vollkommen nach {111} vollkommen nach (0001)
Bruch muschelig, spröde
Härte [Mohs] 10 (härtestes Mineral) 1 (sehr weich)
Dichte [g/cm³] 3,51 2,25
Lichtbrechung 2,4-2,5 (sehr hoch) (opak)
Dispersion 0,044 (stark)
Farbe farblos, durch Stickstoffeinbau
gelblich, durch Bor-
schwarz, opak
einbau bläulich, durch
plastische
bräunlich-rosa
Deformation
Glanz Diamantglanz (hoch) metallglänzend
Elektrische Leitfähigkeit nur bei Boreinbau guter Leiter
Thermische Leitfähigkeit
[W/(cm °C)]
5-25 (sehr hoch) niedrig

Wachstums- und Resorptionsformen von Diamant.
Aus extraLapis No 18

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Herstellung von Diamant durch Chemical-Vapor-Deposition (CVD) -
ein Werkstoff mit extremen Eigenschaften
Chemical-Vapor-Deposition (CVD)
Die Abscheidung dünner, polykristalliner Diamantfilme durch CVD ist heute von
erheblichem Interesse in der Materialforschung. In der oben dargestellten Anlage wird ein
Methan (CH4) – Wasserstoffgemisch bei etwa 0.05 bar (5% Atmosphärendruck) durch eine
Quarzröhre gepumpt. Durch Mikrowellenstrahlung wird das Gasgemisch in den Plasma-
Zustand angeregt, zusätzlich erhitzt sich das Substrat (meist ein Silizium-Waver) auf etwa 800
°C. Die Oberfläche des Substrates ist in der Regel aufgeraut, um den Ablagerungsprozess zu
erleichtern. Die Diamantabscheidung geht zunächst von einzelnen, zufällig entstehenden
Kristallisationskeimen aus, die sich dann durch Wachstum zu einem geschlossenen,
polykristallinen Film verbinden. Während in den ersten Versuchen nur dünne (