Wie wichtig ist Strahlungswärmetransport an der Kern-Mantel-Grenze?

Projektbeschreibung

Wir schlagen vor, die neuen spektroskopischen Möglichkeiten des Deutschen GeoForschungsZentrums (GFZ) zu nutzen, um die Strahlungswärmeleitfähigkeit von Bridgmanit und Post-Perowskit bei Druck-Temperatur-Bedingungen, die an der Kern-Mantel-Grenze (CMB) herrschen, zu quantifizieren. Unsere Ergebnisse werden dazu beitragen, die Wärmestrommuster an der CMB einzugrenzen, was ein Schlüssel zur Verknüpfung von tiefen Mantelstrukturen, ihrer Dynamik und dem Geodynamo ist. Die Verteilung Bridgmanit und Post-Perovskit oberhalb der CMB und ihre physikalischen Eigenschaften bestimmen somit weitgehend die Eigenschaften des untersten Erdmantels. Insbesondere die gegensätzlichen Wärmeleitfähigkeiten von Bridgmanit und Post-Perowskit, können zu lateralen Variationen der Wärmeflüsse aus dem Kern führen, die wiederum die Dynamik von Kern und Mantel beeinflussen. Die Entschlüsselung der verlässlichen Angaben zu ihrer Wärmeleitfähigkeit sind für die Kartierung der Wärmeströme aus dem Kern unerlässlich. Eine besonders große Unbekannte ist der Beitrag der Strahlungswärmeleitfähigkeit zur Gesamtwärmeleitfähigkeit an der CMB. Die verfügbaren Schätzungen der Strahlungswärmeleitfähigkeit bei den CMB-Bedingungen unterscheiden sich um einen Faktor von ~35: von unbedeutend bis dominant. Die Klärung der Kontroverse über die Effizienz des Strahlungswärmetransports im untersten Mantel ist daher ein wichtiger Schritt zur Quantifizierung der Wärmeströme aus dem Kern und ist das primäre Forschungsziel dieses Antrags. Hier schlagen wir vor, die optischen Absorptionskoeffizienten von Bridgmanit und Post-Perowskit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung unter den Druck-Temperatur-Bedingungen des CMB zu messen. Die meisten früheren Studien über die Strahlungswärmeleitfähigkeit im CMB untersuchten nur die Auswirkungen des Drucks auf die optischen Eigenschaften von Mantelmineralen. Die wenigen Hochdruck-Hochtemperatur-Studien waren ebenfalls nicht schlüssig, was wahrscheinlich auf die Verwendung von Proben mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen zurückzuführen ist. In der vorgeschlagenen Arbeit werden wir uns die jüngsten technischen Entwicklungen am GFZ zunutze machen, die es ermöglichen, optische Eigenschaften unter realistischen CMB-Bedingungen zu untersuchen, sowie unsere Sammlung von chemisch vielfältigen Proben und Vorläufern zu nutzen. Durch die Kombination von mineralogischen Modellen des untersten Mantels und seiner Wärmeleitfähigkeit, die zum Teil durch das DFG SPP DeepDyn ermöglicht wird, werden wir plausible Wärmeflüsse aus dem Kern quantifizieren. Diese können als direkter Input für geodynamische Modelle des Erdmantels und des Erdkerns dienen und auch deren unabhängige Ergebnisse validieren. Die vorgeschlagene Arbeit schlägt somit eine Brücke zwischen seismischen, mineralphysikalischen und geodynamischen Studien der tiefen Erde und ist für DeepDyn von entscheidender Bedeutung.