The effect of pressure, temperature and oxygen fugacity on the stability of subducted carbonates and implications for the deep carbon cycle

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Im Kreislauf von Kohlenstoff durch Atmosphäre, Ozeane und oberflächennahe Reservoirs spielen Prozesse an der Erdoberfläche eine wichtige Rolle. Kohlenstoff zirkuliert jedoch auch im tiefen Erdinneren, wo ein großer Anteil des Kohlenstoffs der Erde gespeichert sein könnte. Ziel dieses Projektes ist, mit Hilfe von Laborexperimenten die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Mineralphasen im System FeCO3-CaCO3-MgCO3 zu ermitteln, die für quantitative Aussagen zum tiefen Kohlenstoffkreislauf von Bedeutung sind. Die Experimente werden in der laserbeheizte Diamantstempelzelle durchgeführt, die es uns erlaubt, Bedingungen im tiefen Erdinneren zu erreichen. Proben in der Hochdruckzelle werden sowohl am Institut als auch an Synchrotron-Einrichtungen der dritten Generation mit Röntgenbeugungs- und Kernresonanz-Methoden (einschließlich Mössbauer-Spektroskopie) untersucht, um die Kristallstruktur und den Elektronen-zustand von Karbonaten unter hohem Druck und hohen Temperaturen in situ zu untersuchen. Folgende wissenschaftliche Fragestellungen stehen dabei im Mittelpunkt: (1) Welche Phasen im System FeCO3-CaCO3-MgCO3 sind unter entsprechenden Druck- und Temperaturbedingungen bis im tiefen Erdmantel bis zur Kern-Mantel-Grenze stabil? (2) Welche Phase(n) ist/sind für den Transport von Kohlenstoff in den tiefen Mantel verantwortlich? (3) Wie stabil ist/sind diese kohlenstoffhaltigen Phase(n) bezüglich der Sauerstofffugazität unter entsprechenden Druck- und Temperatur-bedingungen? (4) Wie sind die Valenz- und Spin-Zustände von Eisen in der/den kohlenstoffhaltigen Phase(n) unter entsprechenden Druck- und Temperaturbedingungen bis zur Kern-Mantel-Grenze? Mit den aus diesen Fragestellungen gewonnenen Erkenntnissen wird ein neues Modell für den Kohlenstoffkreislauf im Erdinneren konstruiert, das die möglichen Pfade für Kohlenstoffaustausch mit dem tiefen Erdinneren identifiziert und den Fluss entlang dieser Pfade quantifiziert.