Innovativ metode muliggør nyt udsyn til Jordens indre

En innovativ røntgenmetode muliggør nye højtryksundersøgelser af prøver under dybe kappeforhold. Teknikken, som blev udviklet af et team ledet af Georg Spiekermann fra DESY, det tyske forskningscenter for geovidenskaber GFZ og University of Potsdam, udvider omfanget af instrumenter, der er tilgængelige for højtryksforskere. Vellykkede test af den nye metode ved DESYs røntgenlyskilde PETRA III understøtter ideen om, at tunge elementer skal ophobes i magmas, så de kan være stabile på dybderne af Jordens nedre kappe. Forskerne præsenterer deres arbejde i tidsskriftet Fysisk gennemgang X .

De såkaldte standardbetingelser for kemi, dvs. en temperatur på 25 grader Celsius og et tryk på 1013 millibar, er faktisk sjældne i naturen. Det meste af sagen i universet eksisterer under helt andre betingelser. I Jordens indre, for eksempel, tryk og temperatur stiger hurtigt til mange gange standardbetingelserne. "Imidlertid, selv med den mest detaljerede dybboring, kun den øverste del af jordskorpen er tilgængelig, "Understreger Spiekermann. Forskere simulerer derfor betingelserne for Jordens indre i laboratoriet for at undersøge stoffets adfærd under disse forhold.

Sådanne eksperimenter involverer ofte bestemmelse af prøvernes indre struktur, som i mange materialer ændres med stigende tryk. Denne indre struktur kan udforskes med røntgenstråler, der er energiske nok til at trænge ind i prøven og korte nok i bølgelængde til at løse de små detaljer om atomdistancer. Til dette formål, normalt findes to røntgenbaserede metoder inden for højtryksforskning:absorption og diffraktion af røntgenstråler gennem prøven.

Baseret på røntgenemission, Spiekermann og hans team har nu udviklet en tredje metode, der kan bruges til at bestemme både bindingsafstande i komprimeret amorft (uordnet) stof og det såkaldte koordinationsnummer, som angiver hvor mange direkte naboer et atom har. Disse parametre kan aflæses ud fra energien og intensiteten af ​​strålingen fra en bestemt emissionslinje i prøven, kaldet Kβ "(" K-beta-doubleprime "). Kβ" -strålingen genereres, når prøven exciteres med røntgenstråler. Emissionslinjens energi afhænger af koordinationsnummeret, intensiteten på bindingsafstanden.

Eksperimenter på forsøgsstationen P01 ved DESYs røntgenkilde PETRA III har bekræftet den nye metode. "Vi har vist dette ved hjælp af spektret af germanium i komprimeret amorft germaniumdioxid, men denne procedure kan også anvendes på andre kemiske systemer, ”siger Spiekermann.

Metoden vil give forskere en ekstra teknik til at undersøge strukturen af ​​højtryksprøver. "Den indsigt, som en ny målemetode giver, er særlig velkommen, når forskellige metoder hidtil har givet væsentligt forskellige resultater indtil nu, som for komprimeret amorft germaniumdioxid, "forklarer DESY-forsker Hans-Christian Wille, leder af målestationen P01, hvor forsøgene fandt sted.

Til deres eksperimenter, forskerne udsatte prøver af germaniumdioxid (GeO2) for et tryk på op til 100 gigapascal, omkring en million gange så meget som atmosfæretrykket ved havets overflade. Dette tryk svarer til en dybde på 2200 kilometer i den nedre kappe på jorden. Målingerne viser, at koordinationsantallet af germaniumdioxid ikke stiger højere end seks selv under dette ekstreme tryk. Det betyder, at selv i højtryksfasen, germaniumatomerne har hver stadig seks nabostatomer som allerede ved 15 gigapascal.

Dette resultat er af stor interesse for udforskningen af ​​Jordens indre, fordi germaniumdioxid har samme struktur og opfører sig som siliciumdioxid (SiO2), som er hovedkomponenten i naturlige magmer generelt. Da smeltninger såsom magma generelt har en lavere densitet end den faste form af det samme materiale, det har længe været et mysterium, hvorfor magmaer i stor dybde ikke stiger mod overfladen over geologiske perioder.

"Der er to mulige forklaringer på dette, et kemikalie, den anden strukturelle, "Forklarer Spiekermann." Enten ophobes tunge elementer såsom jern i smelten, eller der er en særlig komprimeringsmekanisme i smelter, der gør smelter tættere end krystallinske former af den samme sammensætning. "Sidstnævnte ville være mærkbar, blandt andet, ved en stigning i koordinationstallet under højt pres.

"Vores undersøgelser viser, at op til 100 gigapascal koordinationsnummeret i ikke-krystallinsk germaniumdioxid ikke er højere end i den tilsvarende krystallinske form, "rapporterer forskeren. Anvendt på siliciumdioxid, det betyder, at magma med en højere densitet kun kan fremstilles ved at berige relativt tunge elementer som jern. Sammensætningen og strukturen af ​​den nedre kappe har vidtrækkende konsekvenser for den globale transport af varme og udbredelsen af ​​Jordens magnetfelt.