Na-K Diffusion in Alkalifeldspat: Interdiffusionsmodell

Das Projekt Na-K Diffusion in Alkalifeldspat: Interdiffusionsmodell beschäftigt sich mit der Bewegung von Na und K Ionen in der Kristallstruktur von Alkalifeldspat. Mit einem Anteil von etwa 50 Volumenprozenten ist Feldspat das häufigste Mineral der Erdkruste, Seine Kristallstruktur wird durch ein Aluminium-Silizium-Sauerstoffgerüst aufgebaut in dessen Hohlräumen Alkali- und Erdalkalikationen, vornehmlich Na-, K- und Ca-Ionen Platz finden. Bei den Alkalifeldspäten sind lediglich die einwertigen Na- und K-Kationen vorhanden, die bei hohen Temperaturen wie sie in der Erdkruste vorherrschen mobil sind und durch Diffusion im Kristall neu verteilt, aus dem Kristall entfernt oder in den Kristall eingebracht werden können. Die bei bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen eingestellte chemische Zusammensetzung tendiert daher bei Änderung der Umgebungsbedingungen zur Neueinstellung, womit das Gedächtnis des Feldspats für frühere Zustände und damit für die Gesteinsgenese verändert wird oder gänzlich verloren geht. In diesem Zusammenhang ist die Interdiffusion von Na und K im Alkalifeldspat der entscheidende Prozess. Nur wenn die Temperatur- und Druckabhängigkeit der Interdiffusionsgeschwindigkeit bekannt ist, kann aus in Feldspäten beobachteten chemischen Mustern auf Genesebedingungen und eventuell auf deren zeitliche Änderungen geschlossen werden. In der Literatur gibt es Diskrepanzen zwischen direkten experimentellen Bestimmungen der Na-K Interdiffusionsraten in Alkalifeldspat und theoretischen Berechnungen, die auf Interdiffusionsmodellen und Daten zur Selbstdiffusion von Na und K Ionen in Alkalifeldspat beruhen. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass dies an der unzureichenden Qualität der Na- und K-Tracerdiffusionskoeffizienten liegt, die in den 1970 Jahren mit antiquierten Methoden bestimmt wurden, mit denen eine Identifikation der zugrundeliegenden Diffusionsmechanismen schwierig ist. Darüber hinaus induziert Na-K Interdiffusion aufgrund der Zusammensetzungsabhängigkeit der Gitterparameter mechanische Spannungen, die über thermodynamische und gittermetrische Effekte Rückwirkungen auf die Diffusion haben. Weder der Einfluss unterschiedlicher Diffusionsmechanismen noch die Rückkoppelung zwischen selbstinduzierter mechanischer Spannung und der Diffusion wurden bisher in Interdiffusionsmodellen berücksichtigt, die auf Alkalifeldspäte angewendet wurden. Mit dem geplantenProjektsolleneinerseits mittels gezielter Tracerdiffusionsexperimente neue Selbstdiffusionsdaten geschaffen werden und andererseits mit speziellen 22Na Diffusionsexperimenten über zuvor angebrachte Na- K Zusammensetzungsgradienten die Rückkoppelung zwischen mechanischer Spannung und Diffusion experimentell kalibriert werden. Die experimentellen Ergebnisse sollen dann in ein umfassendes Interdiffusionsmodell einfließen, das unterschiedliche Diffusionsmechanismen und die Rückkoppelung mit der selbstinduzierten mechanischen Spannung berücksichtigt. Dieser breite, kombiniert experimentelle und theoretische Ansatz wurde bis dato noch nicht auf Alkalifeldspat angewendet und ist nach bestem Wissen der Antragsteller neu in der Mineralogie. Die erwarteten Ergebnisse werden eine substantielle Verbesserung der kinetischen Modellierung von Mineralreaktionen, an denen Feldspat beteiligt ist, bringen. Aufgrund seines verbreiteten Auftretens in der Erdkruste und dem erheblichen Kenntnisstand zu grundlegenden thermodynamischen und mechanischen Eigenschaften ist Alkalifeldspat für ein derartiges Projekt prädestiniert.

Im Rahmen dieses Projektes wurde die Diffusion von Na und K in Alkalifeldspat experimentell und theoretisch untersucht. Feldspat bildet die häufigste Mineralgruppe in der Erdkruste und trägt etwa 50% zu deren Volumen bei. Die chemischen und mikrostrukturellen Signaturen in Alkalifeldspäten, einer bedeutenden Untergruppe der Feldspäte, sind eine wichtige Informationsquelle für die Rekonstruktion der Bildungsbedingungen und der geologischen Geschichte. Abschätzungen über die Drucke und Temperaturen sowie über die Abkühlraten bei der Mineralbildung erlauben es, geologische Prozesse, die über geologische Zeiträume hinweg in der tiefen Erde ablaufen, quantitativ zu erfassen. In diesem Zusammenhang spielt die Diffusion von Na und K, das sind die wichtigsten Spezies im Alkaliuntergitter des Feldspats, eine besondere Rolle. Sie bestimmt mit welchen Raten sich die Na/K Verhältnisse an veränderliche Druck- und Temperaturbedingungen anpassen können, ob und über welche Zeiträume sich intrakristalline Mikrostrukturen wie etwa Entmischungslamellen ausbilden können, und wie robust das "Gedächtnis" des Feldspats bezüglich seiner geologischen Geschichte ist. Im Rahmen dieses Projektes wurde ein neuer Typ von Experimenten, bei denen chemische Diffusion und Tracerdiffusion kombiniert betrachtet werden, entwickelt. Dabei wurde isotopisch dotiertes KCl mit 95% 41K 5% 39K mit Feldspat von Edelsteinqualität mit den natürlichen Isotopenverhältnissen 6.7% 41K 93.3% 39K ausgetauscht, um kombinierte Na, 41K, und 39K Konzentrationsprofile zu erhalten. Die Austuschexperimente wurden bei Temperaturen von 800C bis 1000C, wie sie für geologische Prozesse in der Tiefe relevant sind, durchgeführt. Die (isotopen)chemische Analyse wurde mit Sekundärionenmassenspektrometrie, einer Methode der hochpräzisen quantitativen Element- und Isotopenanalytik mit einer Tiefenauflösung von wenigen Nanometern durchgeführt. Dies ist notwendig, da die in Labormaßstäben generierbaren Profile nur wenige Mikrometer lang sind. Im Experiment kann der langsame Prozess der intrakristallinen Diffusion, der in der Natur über geologische Zeiträume hinweg abläuft, durch Miniaturisierung des Systems in realistischen experimentellen Laufzeiten erfasst werden. Es wurde eine neues Modell für die Multikomponentendiffusion in ionischen Kristallen entwickelt, um die beobachteten Profile befriedigend anpassen zu können. Das Modell beruht auf grundlegenden phänomenologischen Konzepten und stellt dahingehend eine Erweiterung zu existierenden Diffusionsmodellen dar, dass es neben dem klassischen durch Leerstellen mediierten Diffusionsmechanismus auch den Beitrag von Austauschprozessen ohne Beteiligung von Leerstellen berücksichtigt. Dieses Modell für jegliche Ionenkristalle anwendbar. Neben diesem zentralen Ergebnis des Projektes, wurden mithilfe von gezielten Rissbildungsexperimenten neue Einblicke in die Wechselwirkung zwischen Na-K Diffusion und Gitterverzerrung gewonnen. Schließlich wurden Entmischungsexperimente durchgeführt um den energetischen Beitrag von Zusammensetzungsgradienten an Lamellengrenzen zu quantifizieren.