Verbesserung der Zwei-Feldspat-Thermometrie

Zur vollständigen - auf gemessenen Wechselwirkungsparametern basierenden - thermodynamischen Beschreibung der Na-K-Ca-Feldspäte fehlen die entropischen Wechselwirkungsparameter für die Na-Ca-, K-Ca- und die ternären Feldspäte. Zu ihrer Bestimmung sollen die Wärmekapazitäten der Endglieder und der Mischglieder zwischen 5 K und 1000 K bestimmt werden. Daraus können die Entropien als Funktion der Zusammensetzung bei verschiedenen Temperaturen berechnet werden. Der Antragsteller verfügt bereits über synthetische Na-Ca- und synthetische, metastabile K-Ca-Feldspäte. Aus diesen sollen die darüber hinaus noch notwendigen ternären Feldspäte dargestellt werden. Die gewonnenen Daten werden zusammen mit den neuesten Enthalpie-, Konfigurationsentropie- und Volumsdaten zur Neuformulierung des Zwei-Feldspat-Geothermometers benutzt. Ein im Zwei-Feldspat- Thermometer integrierter Test soll im Bedarfsfall die Wechselwirkungsparameter mit den grössten Unsicherheiten neu kalibrieren und das Mischungsmodell für ternäre Feldspäte wesentlich verbessern.

Der Schwerpunkt dieses Projektes lag in der Verbesserung der thermodynamischen Beschreibung von Feldspäten mit ungeordneter Al/Si Verteilung (Hoch-Temperatur-Feldspäte). Neben der damit verbundenen Aufwertung des Zwei-Feldspat-Geothermometers ist eine optimierte thermodynamische Beschreibung von Feldspäten für viele Fachrichtungen von großer Bedeutung, da sie die am weitest verbreiteten Minerale in der Erdkruste sind. Feldspäte liegen oft als Mischkristalle (Na-, K-, Ca-Feldspat) vor, sodass für deren thermodynamische Beschreibung eine genaue Untersuchung der Mischungseigenschaften notwendig ist. Dazu werden die thermodynamischen Größen Enthalpie, Entropie und Volumen in Abhängigkeit von der Zusammensetzung gemessen. Für die Enthalpie und das Volumen gab es bereits vor Projektbeginn schon derartige Untersuchungen an dieser Mineralgruppe. Bei der Entropie zeigten sich jedoch noch große Untersuchungslücken, die bisher nur durch Auswertung von Gleichgewichtsexperimenten geschlossen werden konnten. Die Gleichgewichtsexperimente stehen allerdings im Verdacht, keine wirklichen Gleichgewichte zu repräsentieren. Ziel des Projektes war es deshalb, die Entropie der Feldspäte direkt zu messen. Dies war mittels PPMS (Physical Properties Measurement System der Firma Quantum Design) der Universität Salzburg möglich, mit dem Tieftemperatur-Wärmekapazitäten an Milligramm-Proben gemessen und damit die Entropien bestimmt werden können. Die Ergebnisse der Messungen an Na-Ca-, K-Ca- und ternären Feldspäten konnten verwendet werden, um ein neues auf rein kalorimetrischen und volumetrischen Daten basierendes Mischungsmodell zu formulieren. Dieses Mischungsmodell beschreibt das thermodynamische Verhalten natürlicher Feldspäte viel besser als die bisher verwendeten Modelle. Das konnte sehr gut an natürlichen Feldspäten gezeigt werden, die es erlaubten, die Schlüssigkeit des Mischungsmodells zu überprüfen. Außerdem führten die Arbeiten im Zuge dieses Projektes zu weiteren Fortschritten in der Messmethodik am PPMS, unter anderem in der Verringerung der Messfehler von Pulverproben und der Verbesserung der Berechnung dieser Unsicherheiten. Darüber hinaus wurde im Zuge dieses Projektes ein sehr erfolgversprechender Ansatz zur physikalischen Erklärung von Exzess-Entropien, also dem nicht idealen Verhalten der Mischungsentropie, geleistet. Dazu wurde die Exzess- Entropie mit den Volumina und den Elastizitätsmodulen der Endglieder in Beziehung gesetzt.