Kristallchemische und thermodynamische Eigenschaften von Granat

Die Untersuchung der kristallchemischen, thermodynamischen und physikalischen Eigenschaften von Mineralen spielt eine zentrale Rolle in den Fächern Mineralogie, Petrologie und Geochemie. Granat ist ein wichtiges gesteinsbildendes Mineral und ist in der Natur normalerweise ein komplexer Mischkristall. Eine Vielzahl von verschiedenen Forschungsarbeiten wurden bisher an Granat durchgeführt, trotzdem ist vieles immer noch nicht verstanden. Das gilt besonders für Granate im System Grossular(Gr)-Andradit(An)-Uvarovit(Uv)-Knorrinigit(Kn). Ein wichtiges Ziel dieses Projektes ist es, die makroskopisch thermodynamischen (d.h. Cp und S) und mikroskopisch kristallchemischen und physikalischen Eigenschaften (d.h. magnetische und elektronische) dieser Granate zu untersuchen, und zu bestimmen, wie Eigenschaften auf der atomaren Ebene die Gibbs`sche freie Enthalpie (d.h. Stabilität) beeinflussen. Wir wollen uns auf die thermodynamischen und kristallchemischen Eigenschaften konzentrieren, die von Übergangsmetallkationen Fe3+ und Cr3+ beeinflusst werden können oder könnten. Ein weiteres Ziel ist es, ein thermodynamisches Mischungsmodell zu formulieren, das das Verhalten natürlicher Granat-Mischkristallen unter Einbeziehung Fe3+- und Cr3+-haltiger Granatendglieder beschreiben kann. Wir beabsichtigen eine multi-methodische Untersuchung an Gr-An-Uv-Kn-Granaten durch Synthese-Experimente, eine Vielzahl von Charakterisierungsmethoden (Röntgen, IR, Mössbauer, Mikrosonde) und kalorimetrische Cp - Bestimmungen von 2 K bis 900 K durchzuführen. Die kalorimetrischen Messungen werden an mggroßen Proben durch Relaxations-Kalorimetrie- und DSC-Methoden gemacht. Diese werden wesentliche thermodynamische Daten über Cp und S für die drei Endglieder An, Uv und Kn, sowie Smix für die Gr-An-Mischreihe liefern. Basierend auf den kalorimetrischen Cp -Bestimmungen ist es ebenso beabsichtigt, eine detaillierte Analyse des magnetischen und elektronischen Cp -Verhaltens durchzuführen. Dies ist ein neues Forschungsgebiet für die Mineralogie, Petrologie und Geochemie und wurde bisher nie vollständig für gesteinsbildende Silikate durchgeführt.

Die Untersuchung der kristallchemischen, thermodynamischen und physikalischen Eigenschaften von Mineralen spielt eine zentrale Rolle in den Fächern Mineralogie, Petrologie und Geochemie. Granat ist ein wichtiges gesteinsbildendes Mineral und mehrere Spezies kommen vor (e.g. Grossular - Ca3Al2Si3O12, Andradit - Ca3Fe3+2Si3O12, Uvarovit - Ca3Cr3+2Si3O12, Pyrop - Mg3Al2Si3O12, Almandin - Fe2+3Al2Si3O12). Eine beachtliche Vielzahl von verschiedenen akademischen Forschungsarbeiten wurde bisher an Granat durchgeführt, aber trotzdem ist vieles immer noch nicht verstanden. Experimentelle Lösungsansätze können grob in zwei Arbeitsrichtungen eingeteilt werden, nämlich angewandte Forschung und Grundlagenforschung, wobei eine Überlappung zwischen beiden vorhanden ist. In Bezug auf die angewandte Forschungsrichtung ist die Untersuchung der makroskopischen thermodynamischen Eigenschaften der verschiedenen Granat-Spezies ein wichtiges Ziel. Viele Prozesse auf der Erde (und auch in außerirdischen Körpern) werden von chemischen Gleichgewichten bestimmt. Sogar nicht- Gleichgewichts-Prozesse werden häufig von Unterschieden in den thermodynamischen Potentialen kontrolliert.Daher ist eine präzise Kenntnisse der thermodynamischen Funktionen Cp (Wärmekapizität beim konstanten Druck), S (Standard-Dritte-Gesetz Entropie), ?Hf (Bildungswärme bei P ? 1 bar und T ??298.15 K), V(P,T) (Volumen) und ?Gf(P,T) (Gibbsche-Freie-Enthalpie) von Kristallen ganz entscheidend. Diese Funktionen können u.a. für die Formulierung von sogenannten Geothermobarometern verwendet werden, mit deren Hilfe Paleo-Temperaturen und Drucke von magmatischen und metamorphen Gesteinen abgeschätzt werden können.Die zweite Art der Forschung kann man als mehr grundlegend betrachten. D.h., seit vielen Jahren arbeiten verschiedene Wissenschaftler daran, die Beziehungen von mikrostrukturellen und makroskopischen Eigenschaften von diversen Materialien zu verstehen. Mineralogen und Mineral-Physiker erforschen dabei die atomare oder mikroskopische Skala der strukturellen, kristallchemischen, magnetischen und elektronischen Eigenschaften von Mineralen, um zu verstehen, wie diese, die verschiedenen thermodynamischen Funktionen und letztlich die P-T-Stabilität eines Minerals kontrollieren. Im Fall des Granats ist es besonders wichtig, die kristallchemischen, magnetischen und elektronischen Eigenschaften zu untersuchen, die sich von der Präsenz von Übergangs-Metall-Kationen wie Fe2+, Fe3+ und Cr3+ ableiten. Sowohl natürliche als auch synthetische Granate müssen untersucht und ihre Eigenschaften verglichen werden.In diesem Projekt wurden die mikroskopischen kristallchemischen, magnetischen und elektronischen Eigenschaften von verschiedenen Granate erfolgreich erforscht. Das Forschungsprojekt begann mit der Beschaffung von natürlichen Proben. Gleichzeitig wurden viele Synthese-Experimente bei Hoch-P-T- Bedingungen durchgeführt. Danach wurde unterschiedliche Messungen (IR-, UV/VIS-, Mößbauer- und NMR-Spektroskopie, Mikrosonde- und Röntgen-Beugung) durchgeführt, um die Proben zu charakterisieren und um die mikroskopischen Eigenschaften von Granat zu studieren. Im Hinblick auf die makroskopischen Kalorimetrie und von 300 K bis 900 K mit der Hilfe von Differential-Scanning-Calorimetry (DSC) gemessen. Cp und S wurden an den Endgliedern An und Gr sowie an An-Gr (Ca3Fe3+2Si3O12-Ca3Al2Si3O12) Mischkristallen bestimmt. Magnetische Tief-Temperatur Phasen-Übergänge, die von der Anwesenheit von Fe3+ resultieren, wurden gemessen und ausgewertet. Ferner wurde eine detaillierte Analyse des Cp und S Verhaltens der sechs üblichen silikatischen Granate durchgeführt und im Sinne ihrer kristallchemischen, magnetischen und elektronischen Eigenschaften interpretiert.