Thermodynamik von ordering/clustering in Silikaten
Thermodynamics of ordering/clustering in silicates
Wissenschaftsdisziplinen
Geowissenschaften (70%); Maschinenbau (30%)
Keywords
-
Thermodynamics,
Ordering/Clustering,
Pyroxenes,
Feldspars,
Petrology
Pyroxene und Feldspäte sind wichtige gesteinsbildende Minerale in vielen metamorphen und magmatischen Gesteinen. In diesen Mischkristall-Systemen spielen sich, abhängig von der Temperatur (T), einerseits Ordnungsprozesse ab, d.h. bei hohen Temperaturen statistisch über die Gitterplätze verteilte Kationen (wie Na, Al, Mg, Ca in Pyroxenen) beginnen sich mit fallender Temperatur auf bestimmten Plätzen zu ordnen, wodurch in der Struktur geordnete Wechsellagen verschiedener Atomsorten entstehen (etwa in Omphazit, einem Vertreter der Pyroxene). Der umgekehrte Mechanismus intrakristallinen Ordnens ist Clustering. Hier reichern sich bei Abkühlung Domänen im Kristall mit gleichartigen Atomen an (etwa Na- und K-reiche Cluster in Alkalifeldspäten), was dann zu Entmischungsphänomenen führt. Ziel des Projektes ist es die Thermodynamik dieser Ordnungs-/Clusterprozesse in Pyroxenen und Feldspäten zu studieren, mit dem Ziel eine umfassende thermodynamische Beschreibung dieser beiden Mineralgruppen zu ermöglichen. Dies ist Grundlage für die Ableitung von sog. Phasenbeziehungen, wie sie in den Geowissenschaften verwendet werden um die Druck- Temperaturgeschichte von Orogenen, wie den Alpen, im Zuge ihrer geologischen Entwicklung zu rekonstruieren. Die relevanten thermodynamischen Größen, die im Verlauf des Projektes bestimmt werden, sind die Enthalpie, sowie die Schwingungs- und Konfigurationsentropie, die mit den beschriebenen Ordnungs- und Clusterprozessen in den beiden Mineralgruppen einhergehen. Die angewandten kalorimetrischen Methoden sind die Tieftemperatur-Kalorimetrie im Bereich von nahe 0 bis 300 K (aus den gemessenen Wärmekapazitäten an ausgewählten und gut charakterisierten Proben dieses Bereichs kann die Schwingungsentropie eruiert werden) und die Differential-Scanning-Kalorimetrie (oberhalb von Raumtemperatur). Die Enthalpie der Ordnungs-/Clusterprozesse wird durch die Infrarot Spektroskopie ermittelt (durch Auswertung der sog. Linienverbreiterung). Ergänzt werden diese Methoden durch quantenmechanische Berechnungen mittels der Dichtefunktionaltheorie.
Pyroxene und Feldspäte sind wichtige gesteinsbildende Minerale in vielen metamorphen und magmatischen Gesteinen. In diesen Mischkristall-Systemen spielen sich, abhängig von der Temperatur (T), einerseits Ordnungsprozesse ab, d.h. bei hohen Temperaturen statistisch über die Gitterplätze verteilte Kationen (wie Na, Al, Mg, Ca in Pyroxenen) beginnen sich mit fallender Temperatur auf bestimmten Plätzen zu ordnen, wodurch in der Struktur geordnete Wechsellagen verschiedener Atomsorten entstehen (etwa in Omphazit, einem Vertreter der Pyroxene). Der umgekehrte Mechanismus intrakristallinen Ordnens ist 'Clustering'. Hier reichern sich bei Abkühlung Domänen im Kristall mit gleichartigen Atomen an (etwa Na- und K-reiche Cluster in Alkalifeldspäten), was dann zu Entmischungsphänomenen führt. Zum ersten mal wurde im Rahmen dieses FWF-Projekts die mit den beschriebenen Ordnungs- und Clusterprozessen einhergehende Schwingungsentropie für diese beiden Mineralgruppen kalorimetrisch bestimmt. Daten aus der Infrarotspektroskopie und Berechnungen mittels Dichtefunktional-Theorie ermöglichten es, die Änderungen der Enthalpien, die mit diesen mikroskopischen Prozessen einhergehen, zu quantifizieren. Das Projekt leistet damit erstens einen Beitrag zur verbesserten thermodynamischen Beschreibung dieser beiden Mineralgruppen. Weiters führen die Projektergebnisse auch zum besseren Verständnis von Ordnungs- und Entmischungsvorgängen in Festkörpern generell, wie zum Beispiel in Legierungen oder anderen Mischkristall-Systemen.
- Universität Salzburg - 100%
- Roland Stalder, Universität Innsbruck , nationale:r Kooperationspartner:in
- Maurizio Musso, Universität Salzburg , nationale:r Kooperationspartner:in
- Rainer Abart, Universität Wien , nationale:r Kooperationspartner:in
- Michael A. Carpenter, University of Cambridge - Vereinigtes Königreich
Research Output
- 29 Zitationen
- 24 Publikationen
- 23 Datasets & Models
-
2025
Titel Thermodynamic Data of Copiapite-Group Minerals DOI 10.3749/2400018 Typ Journal Article Autor Dachs E Journal The Canadian Journal of Mineralogy and Petrology -
2025
Titel Coherent lamellar phase decomposition of alkali feldspar studied by a microscopic approach * DOI 10.21203/rs.3.rs-8258445/v1 Typ Preprint Autor Benisek A -
2025
Titel Coherent lamellar phase decomposition of alkali feldspar studied by a microscopic approach * DOI 10.21203/rs.3.rs-8258445/v2 Typ Preprint Autor Benisek A -
2024
Titel The packing fraction of the oxygen sublattice: its impact on the heat of mixing DOI 10.1007/s00269-024-01277-6 Typ Journal Article Autor Benisek A Journal Physics and Chemistry of Minerals -
2024
Titel Thermodynamic mixing properties of disordered alkali feldspar solid-solution from Na-K partitioning and low-temperature calorimetry DOI 10.1007/s00269-024-01270-z Typ Journal Article Autor Heuser D Journal Physics and Chemistry of Minerals -
2024
Titel The packing fraction of the oxygen sublattice: Its impact on the heat of mixing DOI 10.21203/rs.3.rs-3950395/v1 Typ Preprint Autor Benisek A -
2024
Titel Thermodynamic Stability of Selected Asb2o6 and A2sb2o7 Phases (a = Ca, Ba, Cd, Sr, Zn) DOI 10.2139/ssrn.4778302 Typ Preprint Autor Jia X -
2024
Titel A new activity model for biotite and its application DOI 10.1007/s00410-024-02173-6 Typ Journal Article Autor Benisek A Journal Contributions to Mineralogy and Petrology -
2024
Titel Thermodynamic stability of selected ASb2O6 and A2Sb2O7 phases (A = Ca, Ba, Cd, Sr, Zn) DOI 10.1016/j.solidstatesciences.2024.107615 Typ Journal Article Autor Jia X Journal Solid State Sciences -
2021
Titel A new activity model for Fe–Mg–Al biotites: I—Derivation and calibration of mixing parameters DOI 10.1007/s00410-020-01770-5 Typ Journal Article Autor Dachs E Journal Contributions to Mineralogy and Petrology Seiten 22 Link Publikation -
2021
Titel A new activity model for Fe–Mg–Al biotites: II—Applications in the K2O–FeO–MgO–Al2O3–SiO2–H2O (KFMASH) system DOI 10.1007/s00410-020-01771-4 Typ Journal Article Autor Dachs E Journal Contributions to Mineralogy and Petrology Seiten 23 Link Publikation -
2021
Titel Prediction and observation of formation of Ca–Mg arsenates in acidic and alkaline fluids: Thermodynamic properties and mineral assemblages at Jáchymov, Czech Republic and Rotgülden, Austria DOI 10.1016/j.chemgeo.2020.119922 Typ Journal Article Autor Majzlan J Journal Chemical Geology Seiten 119922 -
2022
Titel The Specific Heat of Astro-materials: Review of Theoretical Concepts, Materials, and Techniques DOI 10.1007/s10765-022-03046-5 Typ Journal Article Autor Biele J Journal International Journal of Thermophysics Seiten 144 Link Publikation -
2021
Titel Chapmanite [Fe<sub>2</sub>Sb(Si<sub>2</sub>O<sub>5</sub>)O<sub>3</sub>(OH)]: thermodynamic properties and formation in low-temperature environments DOI 10.5194/ejm-33-357-2021 Typ Journal Article Autor Kiefer S Journal European Journal of Mineralogy -
2021
Titel Excess heat capacity and entropy of mixing along the hydroxyapatite-chlorapatite and hydroxyapatite-fluorapatite binaries DOI 10.1007/s00269-021-01167-1 Typ Journal Article Autor Dachs E Journal Physics and Chemistry of Minerals Seiten 44 Link Publikation -
2022
Titel The specific heat of astro-materials: Review of theoretical concepts, materials and techniques DOI 10.48550/arxiv.2205.08212 Typ Other Autor Biele J Link Publikation -
2022
Titel Thermodynamic properties of tellurite (-TeO2), paratellurite (-TeO2), TeO2 glass, and Te(IV) phases with stoichiometry M2Te3O8, MTe6O13, MTe2O5 (M2+=Co, Cu, Mg, Mn, Ni, Zn) DOI 10.1016/j.chemer.2022.125915 Typ Journal Article Autor Majzlan J Journal Geochemistry -
2022
Titel Thermodynamic data of belite polymorphs DOI 10.1016/j.cemconres.2021.106621 Typ Journal Article Autor Bellmann F Journal Cement and Concrete Research -
2022
Titel The specific heat of astro-materials: Review of theoretical concepts, materials and techniques DOI 10.21203/rs.3.rs-1409017/v2 Typ Preprint Autor Biele J -
2022
Titel Thermodynamic analysis of the olivenite-libethenite solid solution DOI 10.5194/egusphere-egu22-3168 Typ Other Autor Majzlan J -
2024
Titel The Structure and Thermochemistry of Three Fe-Mg Chlorites DOI 10.1346/ccmn.2015.0630502 Typ Journal Article Autor Aja S Journal Clays and Clay Minerals -
2023
Titel Thermodynamic and structural variations along the olivenite-libethenite solid solution DOI 10.5194/ejm-35-157-2023 Typ Journal Article Autor Majzlan J Journal European Journal of Mineralogy -
2023
Titel A thermodynamic study of the olivenite-libethenite solid solution DOI 10.7185/gold2023.17024 Typ Conference Proceeding Abstract Autor Majzlan J -
2023
Titel Vibrational entropy of disordering in omphacite. DOI 10.1007/s00269-023-01260-7 Typ Journal Article Autor Benisek A Journal Physics and chemistry of minerals Seiten 36
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2023
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Titel Supplementary material: Heat capacity data of olivenite-libethenite solid-solution members DOI 10.5194/ejm-35-157-2023 Typ Database/Collection of data Öffentlich zugänglich Link Link -
2023
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Titel Supplementary file 2: Table S1: Vibrational entropy at 298.15 °C, the autocorrelation parameters and the enthalpy of disordering as a function of disordering temperature. DOI 10.1007/s00269-023-01260-7 Typ Database/Collection of data Öffentlich zugänglich Link Link -
2023
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Titel Supplementary file 1: Figure S2: Graphical documentation of XRD-data DOI 10.1007/s00269-023-01260-7 Typ Database/Collection of data Öffentlich zugänglich Link Link -
2022
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Titel Supplementary file 1: Description of data sources and specific heats of meteorites DOI 10.1007/s10765-022-03046-5 Typ Database/Collection of data Öffentlich zugänglich Link Link -
2022
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Titel Supplementary Tables S1-S3: Thermodynamic data of belite polymorphs DOI 10.1016/j.cemconres.2021.106621 Typ Database/Collection of data Öffentlich zugänglich Link Link -
2021
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Titel Supplementary material: Synthesis protocolls DOI 10.5194/ejm-33-357-2021 Typ Database/Collection of data Öffentlich zugänglich Link Link -
2021
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Titel Supplementary material: Prediction and observation of formation of Ca-Mg arsenates in acidic and alkaline fluids: Thermodynamic properties and mineral assemblages at Jáchymov, Czech Republic and Rotgülden, Austria. DOI 10.5194/ejm-33-357-2021 Typ Database/Collection of data Öffentlich zugänglich Link Link -
2021
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Titel Supplementary file 2: Thermodynamic data of biotite for Theriak DOI 10.1007/s00410-020-01771-4 Typ Database/Collection of data Öffentlich zugänglich Link Link -
2021
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Titel Supplementary file 1: Thermodynamic data of biotite for Perple_X DOI 10.1007/s00410-020-01771-4 Typ Database/Collection of data Öffentlich zugänglich Link Link -
2021
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Titel Supplementary file 1: Table S1: PPMS and DSC measured heat capacities of synthetic members of the OH-Ap - F-Ap binary DOI 10.1007/s00269-021-01167-1 Typ Database/Collection of data Öffentlich zugänglich Link Link -
2021
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Titel Supplementary file 1: Table S1: PPMS and DSC measured heat capacities of synthetic members of the annite (Ann) - phlogopite (Phl) binary DOI 10.1007/s00410-020-01770-5 Typ Database/Collection of data Öffentlich zugänglich Link Link -
2025
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Titel Supplementary material: Thermodynamic Data of Copiapite-Group Minerals DOI 10.3749/2400018 Typ Database/Collection of data Öffentlich zugänglich Link Link -
2024
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Titel Supplementary file 6: Table S6: Predicted versus measured compositions of selected minerals from test samples DOI 10.1007/s00410-024-02173-6 Typ Database/Collection of data Öffentlich zugänglich Link Link -
2024
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Titel Thermodynamic data of phl, ann, east, tbio and fbio to be inserted into Perple_X thermodynamic data file DOI 10.1007/s00410-024-02173-6 Typ Database/Collection of data Öffentlich zugänglich Link Link -
2024
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Titel Supplementary material: Heat capacity data of selected ASb2O6 and A2Sb2O7 phases (A = Ca, Ba, Cd, Sr, Zn) DOI 10.1016/j.solidstatesciences.2024.107615 Typ Database/Collection of data Öffentlich zugänglich Link Link -
2024
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Titel Supplementary file 7: Perple_X raw pseudosections of test samples DOI 10.1007/s00410-024-02173-6 Typ Database/Collection of data Öffentlich zugänglich Link Link -
2024
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Titel Supplementary file 5: Table S5: Bulk compositions (wt.%) used in Perple_X calculations DOI 10.1007/s00410-024-02173-6 Typ Database/Collection of data Öffentlich zugänglich Link Link -
2024
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Titel Supplementary file 4: Table S4: Macroscopic Wij's and their decomposition into microscopic interaction parameters w's for the KFMASHTO biotite activity model of this study DOI 10.1007/s00410-024-02173-6 Typ Database/Collection of data Öffentlich zugänglich Link Link -
2024
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Titel Supplementary file 3: Table S3: Perple_X-computed compositions of biotite and garnet in experimental Fe-Mg exchange experiments between garnet and biotite of Ferry and Spear (1978 - FS78) and Gessmann et al. (1997 - G97). DOI 10.1007/s00410-024-02173-6 Typ Database/Collection of data Öffentlich zugänglich Link Link -
2024
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Titel Supplementary file 2: Thermodynamic mixing properties of disordered alkali feldspar solid-solution from Na-K partitioning and low-temperature calorimetry. DOI 10.1007/s00269-024-01270-z Typ Database/Collection of data Öffentlich zugänglich Link Link -
2024
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Titel Supplementary file 2: Table S2: Experimental data used in data extraction. DOI 10.1007/s00410-024-02173-6 Typ Database/Collection of data Öffentlich zugänglich Link Link -
2024
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Titel Supplementary file 1: Tab. 1 The enthalpic interaction parameter (wH ) as a function of the oxygen packing fraction (OPF) and the normalised volume difference ((V2-V1)/V2) for different substitutions in different minerals DOI 10.1007/s00269-024-01277-6 Typ Database/Collection of data Öffentlich zugänglich Link Link -
2024
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Titel Supplementary file 1: Staring materials, crystallographic and calorimetric data DOI 10.1007/s00269-024-01270-z Typ Database/Collection of data Öffentlich zugänglich Link Link