Diffusion-diffusive Phasetransformationen in Alkalifeldspat

In diesem Projekt wird die Entmischung von Alkalifeldspat experimentell und mittels thermodynamischer und atomistischer Modellierung untersucht. Alkalifeldspat gehört zu den volumenmäßig bedeutendsten Mineralen in der Erdkruste. Bei Temperauren über ca. 600C bildet Alkalifeldspat eine kontinuierliche Mischkristallreihe zwischen einem Natrium- und einem Kalium-Endglied. Bei hohen Temperaturen gebildeter Alkalifeldspat intermediärer Zusammensetzung entmischt bei der Abkühlung unter Bildung einer lamellaren Verwachsung von natriumreichem und kaliumreichem Feldspat. Der Grad der chemischen Segregation zwischen den Lamellen und die charakteristische Lamellenbreite hängen von der Abkühlrate ab und tragen damit wertvolle Information über die thermische Geschichte des Wirtsgesteins. Für die quantitative Auswertung der in der lamellaren Mikrostruktur entmischter Feldspäte und in den chemischen Zusammensetzungen der Lamellen gespeicherten Information müssen die der Entmischung zugrundeliegenden Mechanismen verstanden und experimentell kalibriert werden. Dies ist insofern schwierig, als die Abkühlung von Gesteinen in Zeiträumen von bis zu Millionen von Jahren erfolgt, und derart große Zeiträume im Experiment nicht abgebildet werden können. Die einzige Möglichkeit der experimentellen Annäherung ist die Untersuchung von kleinsten, nanometerskaligen Entmischungsstrukturen, die in experimentell gut zugänglichen Zeitspannen von wenigen Wochen bis Monaten im Labor hergestellt werden können. Geplant sind Entmischungs- und Diffusionsexperimente bei denen einerseits die Beweglichkeit von Natrium und Kalium im Feldspat und andererseits die der Entmischung zugrundeliegende Thermodynamik und Kinetik direkt untersucht werden. Die experimentell hergestellten Proben werden mit hoch ortsauflösenden Analyseverfahren wie dem Raster- und dem Transmissionselektronenmikroskop sowie mit der Atomsonde im Hinblick auf ihre Mikrostruktur und ihre Zusammensetzungen im Nanometermaßstab analysiert. Die Analysedaten werden in thermodynamische und kinetische Modellrechnungen sowie in atomistische Simulationen integriert, um die relevanten Modellparameter wie Diffusionskoeffizienten, Grenzflächenenergie und die in kohärent verwachsenen Lamellen induzierte mechanische Spannung zu quantifizieren. Basierend auf einem vertieften Prozessverständnis zur Entmischung von Alkalifeldspäten soll schließlich ein umfassendes Modell entwickelt und kalibriert werden, das die Entmischung von Alkalifeldspat qualitativ und quantitativ korrekt beschreibt und die Extraktion von Abkühlraten aus natürlich entmischten Alkalifeldspäten ermöglicht. Aufgrund der weiten Verbreitung von Alkalifeldspat würde ein derartiges Geo-speedometer substantiell zu einem verbesserten Verständnis geodynamischer Prozesse in der Erdkruste beitragen.

In diesem Projekt wird die Entmischung von Alkalifeldspat experimentell und mittels thermodynamischer und atomistischer Modellierung untersucht. Alkalifeldspat gehört zu den volumenmäßig bedeutendsten Mineralen in der Erdkruste. Bei Temperauren über ca. 600C bildet Alkalifeldspat eine kontinuierliche Mischkristallreihe zwischen einem Natrium- und einem Kalium-Endglied. Bei hohen Temperaturen gebildeter Alkalifeldspat intermediärer Zusammensetzung entmischt bei der Abkühlung unter Bildung einer lamellaren Verwachsung von natriumreichem und kaliumreichem Feldspat. Der Grad der chemischen Segregation zwischen den Lamellen und die charakteristische Lamellenbreite hängen von der Abkühlrate ab und tragen damit wertvolle Information über die thermische Geschichte des Wirtsgesteins. Für die quantitative Auswertung der in der lamellaren Mikrostruktur entmischter Feldspäte und in den chemischen Zusammensetzungen der Lamellen gespeicherten Information müssen die der Entmischung zugrundeliegenden Mechanismen verstanden und experimentell kalibriert werden. Dies ist insofern schwierig, als die Abkühlung von Gesteinen in Zeiträumen von bis zu Millionen von Jahren erfolgt, und derart große Zeiträume im Experiment nicht abgebildet werden können. Die einzige Möglichkeit der experimentellen Annäherung ist die Untersuchung von kleinsten, nanometerskaligen Entmischungsstrukturen, die in experimentell gut zugänglichen Zeitspannen von wenigen Wochen bis Monaten im Labor hergestellt werden können. Geplant sind Entmischungs- und Diffusionsexperimente bei denen einerseits die Beweglichkeit von Natrium und Kalium im Feldspat und andererseits die der Entmischung zugrundeliegende Thermodynamik und Kinetik direkt untersucht werden. Die experimentell hergestellten Proben werden mit hoch ortsauflösenden Analyseverfahren wie dem Raster- und dem Transmissionselektronenmikroskop sowie mit der Atomsonde im Hinblick auf ihre Mikrostruktur und ihre Zusammensetzungen im Nanometermaßstab analysiert. Die Analysedaten werden in thermodynamische und kinetische Modellrechnungen sowie in atomistische Simulationen integriert, um die relevanten Modellparameter wie Diffusionskoeffizienten, Grenzflächenenergie und die in kohärent verwachsenen Lamellen induzierte mechanische Spannung zu quantifizieren. Basierend auf einem vertieften Prozessverständnis zur Entmischung von Alkalifeldspäten soll schließlich ein umfassendes Modell entwickelt und kalibriert werden, das die Entmischung von Alkalifeldspat qualitativ und quantitativ korrekt beschreibt und die Extraktion von Abkühlraten aus natürlich entmischten Alkalifeldspäten ermöglicht. Aufgrund der weiten Verbreitung von Alkalifeldspat würde ein derartiges "Geo-speedometer" substantiell zu einem verbesserten Verständnis geodynamischer Prozesse in der Erdkruste beitragen.