@phdthesis{Krstulovic2021,
  author    = {Krstulovic, Marija},
  title     = {Local structure of network formers and network modifiers in silicate melts at high pressure and temperature conditions},
  doi       = {10.25932/publishup-51641},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-516415},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {137},
  year      = {2021},
  abstract  = {Silikatische Schmelzen sind wichtiger Bestandteil des Erdinneren und als solche leisten sie in magmatischen Prozessen einen wesentlichen Beitrag in der Dynamik der festen Erde und der chemischen Entwicklung des gesamten Erdk{\"o}pers. Makroskopische physikalische und chemische Eigenschaften wie Dichte, Kompressibilit{\"a}t, Viskosit{\"a}t, Polymerisationsgrad etc. sind durch die atomare Struktur der Schmelzen bestimmt. In Abh{\"a}ngigkeit vom Druck, aber auch von der Temperatur und der chemischen Zusammensetzung zeigen silikatische Schmelzen unterschiedliche strukturelle Eigenschaften. Diese Eigenschaften sind am besten durch die lokale Koordinationsumgebung, d.h. Symmetrie und Anzahl der Nachbarn (Koordinationszahl) eines Atoms, sowie dem Abstand zwischen Zentralatom und Nachbarn (atomarer Abstand) beschrieben. Mit steigendem Druck und Temperatur, das heißt mit der zunehmenden Tiefe in der Erde, nimmt die Dichte der Schmelzen zu, welches zur Ver{\"a}nderung von Koordinationszahl und Abst{\"a}nden f{\"u}hren kann. Bei gleichbleibender Koordinationszahl nimmt der Abstand in der Regel zu. Kommt es zu Erh{\"o}hung der Koordinationszahl kann der Abstand zunehmen. Diese allgemeinen Trends k{\"o}nnen allerdings stark variieren, welches insbesondere auf die chemische Zusammensetzung zur{\"u}ckzuf{\"u}hren ist. Dadurch, dass nat{\"u}rliche Schmelzen der tiefen Erde f{\"u}r direkte Untersuchungen nicht zug{\"a}nglich sind, um ihre Eigenschaften unter den relevanten Bedingungen zu verstehen, wurden umfangreiche experimentelle und theoretische Untersuchungen bisher durchgef{\"u}hrt. Dies wurde h{\"a}ufig am Beispiel von amorphen Proben der Endglieder SiO2, und GeO2 studiert, wobei letzteres als strukturelles und chemisches Analogmodell zu SiO2 dient. Meistens wurden die Experimente bei hohem Druck und bei Raumtemperatur durchgef{\"u}hrt. Nat{\"u}rliche Schmelzen sind chemisch deutlich komplexer als die einfachen Endglieder SiO2 und GeO2, so dass die Beobachtungen an diesen m{\"o}glicherweise zu falschen Verdichtungsmodellen f{\"u}hren k{\"o}nnen. Weiterhin k{\"o}nnen die Untersuchungen an Gl{\"a}sern bei Raumtemperatur potentiell starke Abweichungen zu Eigenschaften von Schmelzen bei nat{\"u}rlichen thermodynamischen Bedingungen aufweisen. Das Ziel dieser Dissertation war es zu erl{\"a}utern, welchen Einfluss die Zusammensetzung und die Temperatur auf die strukturelle Eigenschaften der Schmelzen unter hohen Dr{\"u}cken haben. Um das zu verstehen, haben wir komplexe alumino-germanatische und alumino-silikatische Gl{\"a}ser studiert. Genauer gesagt, wir haben synthetische Gl{\"a}ser studiert, die eine Zusammensetzung wie das Mineral Albit und wie eine Mischung von Albit-Diopsid im eutektischen Punkt haben. Das Albitglas {\"a}hnelt strukturell einer vereinfachten granitischen Schmelze, w{\"a}hrend das Albit-Diopsid-Glas eine vereinfachte basaltische Schmelze simuliert. Um die lokale Koordinationsumgebung der Elemente zu studieren, haben wir die R{\"o}ntgenabsorptionsspektroskopie in Kombination mit einer Diamantstempelzelle benutzt. Dadurch, dass die Diamanten eine hohe Absorption f{\"u}r R{\"o}ntgenstrahlung mit Energien unterhalb von 10 keV aufweisen, ist die unmittelbare Untersuchung der geologisch sehr relevanten Elemente wie Si, Al, Ca, Mg etc. mit dieser Spektroskopie in Kombination mit einer Diamantstempelzelle nicht m{\"o}glich. Deswegen wurden die Gl{\"a}ser mit Ge und Sr dotiert. Diese Elemente dienen teilweise oder vollst{\"a}ndig als Ersatzelemente f{\"u}r wichtige Hauptelemente. In diesem Sinne, dient Ge als Ersatzelement f{\"u}r Si und andere Netzwerkbildner, w{\"a}hrend Sr Netzwerkwandler wie Z.B. Ca, Na, Mg etc., sowie andere Kationen mit großem Ionenradius ersetzt. Im ersten Schritt haben wir die Ge K-Kante im Ge-Albit-Glass, NaAlGe3O8, bei Raumtemperatur bis 131 GPa untersucht. Dieses Glas hat eine h{\"o}here chemische Komplexit{\"a}t als SiO2 und GeO2, aber es ist immer noch vollst{\"a}ndig polymerisiert. Die Unterschiede im Verdichtungsmechanismus zwischen diesem Glas und den einfachen Oxiden k{\"o}nnen so eindeutig auf h{\"o}here chemische Komplexit{\"a}t zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. Die partiell mit Ge und Sr dotierten Albit und Albit-Diopsid-Zusammensetzungen wurden bei Raumtemperatur f{\"u}r Ge bis 164 GPa und f{\"u}r Sr bis 42 GPa untersucht. W{\"a}hrend das Albitglass wie NaAlGe3O8 nominelll vollst{\"a}ndig polymerisiert ist, ist das Albit-Diopsid Glas teilweise depolymerisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass in allen drei Gl{\"a}sern strukturelle An̈derungen in den ersten 25 bis maximal 30 GPa stattfinden, wobei beide Ge und Sr die maximale Koordinationszahl 6 bzw. ∼9 erreichen. Bei h{\"o}heren Dr{\"u}cken findet in den Gl{\"a}sern nur eine isostrukturelle Schrumpfung der Koordinationspolyeder statt. Der wichtigste Befund der Hochdruckstudien an den alumino-silikatischen und alumino-germanatischen Gl{\"a}sern ist, dass in diesen komplexen Gl{\"a}sern die Polyeder eine viel h{\"o}here Kompressibilit{\"a}t aufweisen als bei den Endgliedern zu beobachten. Das zeigt sich insbesondere durch die starke Verk{\"u}rzung der Ge-O Abst{\"a}nde in dem amorphen NaAlGe3O8 und Albit-Diopsid-Glas bei Dr{\"u}cken {\"u}ber 30 GPa. Zus{\"a}tzlich zu den Effekten der Zusammensetzung auf den Verdichtungsprozess, haben wir den Einfluss der Temperatur auf die strukturelle {\"A}nderungen untersucht. Dazu haben wir das Albit-Diopsid-Glas untersucht, da es den Schmelzen im unteren Mantel chemisch am {\"a}hnlichsten ist. Wir haben die Ge K-Kante der Probe mit einer resistiv-geheizten und einer Laser-geheizter Diamantstempelzelle untersucht, f{\"u}r einen Druckbereich bis zu 48 GPa, sowie einen Temperaturbereich bis 5000 K. Hohe Temperaturen, bei denen die Probe fl{\"u}ssig ist und die f{\"u}r den Erdmantel relevant sind, haben einen bedeutenden Einfluss auf die strukturelle Transformation. Diese wird um ca. 30\% zu deutlich niedrigeren Dr{\"u}cken verschoben, im Vergleich zu den Gl{\"a}sern bei Raumtemperatur und unterhalb von 1000 K. Die Ergebnisse dieser Dissertation stellen einen wichtigen Beitrag fur das Verst{\"a}ndnis der Eigenschaften von Schmelzen unter Bedingungen des unteren Mantels dar. Im Kontext der Diskussion {\"u}ber die Existenz und den Ursprung von silikatischen Schmelzen mit ultrahoher Dichte, welche an der Grenze zwischen Mantel und Erdkern aufgrund seismologischer Daten vermutet werden, zeigen diese Untersuchugen, dass die im Vergleich zur Umgebung h{\"o}here Dichte nicht durch strukturelle Besonderheiten, sondern durch eine besondere chemische Zusammensetzung erkl{\"a}rt werden m{\"u}ssen. Außerdem legen die Ergebnisse nahe, dass f{\"u}r Schmelzen im unteren Erdmantel nur sehr geringe L{\"o}slichkeiten von Edelgasen zu erwarten sind, so dass die strukturellen Eigenschaften deutlich den Gesamthaushalt und Transport der Edelgase im Erdmantel beeinflussen.},
  language  = {en}
}