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 Symmetrie Spaltbarkeit Bruch Härte [Mohs] Dichte [g/cm³] Lichtbrechung Dispersion Farbe Glanz Elektrische Leitfähigkeit Thermische Leitfähigkeit [W/(cm °C)] Diamant kubisch vollkommen nach {111} muschelig, spröde 10 (härtestes Mineral) 3,51 2,4-2,5 (sehr hoch) 0,044 (stark) farblos, durch Stickstoffeinbau gelblich, durch Boreinbau bläulich, durch plastische Deformation bräunlich-rosa Diamantglanz (hoch) nur bei Boreinbau 5-25 (sehr hoch) Graphit hexagonal vollkommen nach (0001) 1 (sehr weich) 2,25 (opak) schwarz, opak metallglänzend guter Leiter niedrig Wachstums- und Resorptionsformen von Diamant. Aus extraLapis No 18 :,576&+$)76*87',$0$17 3URGXNWLRQZHOWZHLW • FD0LR.DUDW • 7RQQHQ.DUDW *UDPP • 9HUPDUNWXQJFD0LOOLDUGHQ86 5DQJOLVWHPLQHUDOLVFKHU5RKVWRIIHRKQH (QHUJLHURKVWRIIHXQG,QGXVWULHPLQHUDOH • )H!$X!&X! • 'LDPDQW! • 3W!=Q!$O!1L!$J!0Q!1E7D!8 9HUZHQGXQJ • ,QGXVWULHGLDPDQWHQ %RKUNURQHQ6FKQHLGHZHUN]HXJH • 6FKPXFNVWHLQH 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 PlasmaZustand 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 (<25µm) und braune bis gänzlich opake Diamantfilme erzeugt werden konnten, ist die Technik inzwischen soweit entwickelt, dass Scheiben, mit der für mechanische Stabilität notwendigen Dicke, bei vollkommener Transparenz zur Verfügung stehen. Da Diamant über einen weiten Spektralbereich durchlässig für Licht ist, gleichzeitig aber äußerst widerstandsfähig gegen Abrieb durch Staub oder Regentropfen bei sehr hohen Geschwindigkeiten und dazu ein hervorragender Wärmeleiter, sind solche Diamantfenster ideal geeignet für auf Überschallflugkörpern gestützte Imaging-Systeme. Die exzellente Wärmeleitfähigkeit von Diamant wird auch bei der Hauptanwendung von DVD-Diamanten genutzt, der Wärmeableitung aus Hochleistungschips in der Computerindustrie. Aus: Harlow, G.E. (1998) The nature of diamonds. Cambridge University Press, 278 S.