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Über Phasen- und Materiezustände in den tieferen und tiefsten Erdzonen (Ergebnisse der modernen Hochdruck-Hochtemperatur-Forschung zum geochemischen Erdbild)

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Zusammenfassung

Die modernen Hochdruck-Hochtemperatur-Verfahren ermöglichen z. Z. bereits die Simulierung aller Druck-Temperatur-Bedingungen aller Tiefenzonen der Erde. Mit ihnen sind in knappen 5–10 Jahren Daten gewonnen worden, die erstmals begründete Auskunft geben über die möglichen Zustände und Eigenschaften der gesamten Erdmaterie. Hierbei ergaben sich folgende allgemeine kristallchemische Gesetzlichkeiten: Steigender Druck bewirkt sukzessive Packungsverdichtung mit steigenden K-Zahlen, dgl. sukzessive Valenzänderungen von ionogen über unpolar nach metallisch. Bei genügender Druckhöhe ist jede Stoffart in den metallischen Zustand überführbar. Die hierfür benötigten Drücke sind von Stoff zu Stoff sehr verschieden. So sind die oxidischen Verbindungen von Mg, Si, Al und Ca bis ≈ 1 Mbar noch weitgehend semipolar bis halbmetallisch, die Chalkogenide bereits vollmetallisch.

Für Petrologie und Geochemie ergibt sich damit die Aufgabe, die möglichen Phasen- und Materiezustände zunächst der häufigeren Elemente der Erde, zu denen hier bewußt auch C, N, P und H gezählt werden, für die Haupttiefenzonen der Erde experimentell festzulegen. Das so gewonnene Erdbild ähnelt dem vonGoldschmidt, doch ergeben sich für Oxid- und Chalkogenidzone stark geänderte Tiefenlagen und Valenzzustände und für den Erdkern stark geänderter Chemismus und Phasenbestand. So besteht der äußere Erdkern hiernach wesentlich aus druckmetallisch gewordenen Chalkogeniden der innere aus Schwermetall-Karbiden,-Nitriden, -Phosphiden und vermutlich reichlich -Hydriden.

Abstract

Modern high pressure — high temperature-methods now allow the simulation of any pressure-temperature-condition of the earth. In the last 5–10 years data have been gained by these methods giving well-found information on possible states and properties of matter. From this two general rules concerning solid matter as a function of pressure have been stated: — Rising pressure leads to structures with rising packing and coordination-numbers and to successive change of the state of valence from ionic to homopolar and to metallic. Thus any matter may be transferred to the metallic state by application of sufficient pressure. Yet the amount of pressure needed for this transformation differs widely with the different types of matter. So the oxides of Mg, Si, Al and Ca are still mostly semipolar at ≈ 1 Mbar whereas the chalcogenides are already metallic. Petrologists and geochemists should now try to determine by experiments the possible states of phases and properties of matter of the major elements of the earth (including C, N, P and H) for the different zones of depth. This leads to a conception of the earth similar to the picture of Goldschmidt, yet to strong differences concerning depth-range, phases and states of valence of the oxide- and chalcogenide-zone and concerning chemical composition and phases of the core. Thus the outer core consists largely of chalcogenides which have become metallic by pressure, and the inner core chiefly consists of heavymetal carbides, nitrides, phosphides and, so may be guessed, large quantities of hydrides.

Résumé

Les procédés modernes de haute température — haute pression permettent d'imiter les conditions de pression et de températures des zones profondes de toute la terre. Depuis 5 à 10 ans on a gagné à l'aide de ces méthodes des renseignements fondés au sujet des états et des propriétés possibles de toute la matière terrestre.

Pour la matière solide on trouve deux règles générales: 1. pression croissante entraîne des structures avec des nombres croissants de coordination et 2. avec un changement successif dans l'état de valence en direction ionique → homéopolaire → métallique. À l'aide d'une pression suffisante on peut donc transformer chaque substance à l'état métallique. Mais les pressions nécessaires diffèrent beaucoup pour les diverses substances. Ainsi les oxides de Mg, Si, Al et Ca sont encore sémipolaires jusqu'à ≈ 1 Mbar, tandis que les chalcogénides sont déjà métalliques.

Du point de vue de la pétrologie et de la géochemie il en résulte la tâche d'établir à l'aide d'expériences les états de phases et les propriétés de la matière dans les diverses zones profondes de la terre, d'abord pour les éléments dominants, y compris C, N, P et H.

Le modèle ainsi obtenu ressemble à celui deGoldschmidt. Cependant on trouve des différences considérables par rapport à l'emplacement et à l'état de valence pour la zone des oxides et des chalcogénides et aussi par rapport à la composition chimique et aux phases du noyau. Ainsi le noyau extérieur de la terre consiste en chalcogénides transformés à l'état métallique par la pression et le noyau intérieur en carbures, nitrures, phospures et - vraisemblablement - en hydrures.

Краткое содержание

На установке высоког о давления и высокой т емпературы удается симулировать некото рые процессы, происхо дящие в глубинных зонах Земной коры. На основа нии этих исследовани й рассматривается воп рос о возможном состоянии и качестве материи Зе мли. По мнению автора, из этого вырисовываютс я новые представлени я о строении Земли: Внешнее ядро ее состоит гл. обр азом из халъкогенидо в, аналогично гипотезе Рамвая; внутреннее ядро — из к арбидов, нитридов, фос фидов и гидридов тяжелых элементов.

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Nach Vorträgen, gehalten auf der Jahrestagung der Geolog. Vereinigung in Mainz, März 1967 und auf der „Geowissenschaftl. Tagung“ in Berlin, Oktober 1967.

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Neuhaus, A. Über Phasen- und Materiezustände in den tieferen und tiefsten Erdzonen (Ergebnisse der modernen Hochdruck-Hochtemperatur-Forschung zum geochemischen Erdbild). Geol Rundsch 57, 972–1001 (1968). https://doi.org/10.1007/BF01845379

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