Cation diffusion in silicate melts [Elektronische Ressource] = Kationendiffusion in Silikatschmelzen / von Astrid Sabine Tegge-Schüring

Hschueri

Description

Cation Diffusion in Silicate MeltsKationendiffusion in SilikatschmelzenVom Fachbereich Geowissenschaften und Geographieder Universität Hannoverzur Erlangung des GradesDOKTOR DER NATURWISSENSCHAFTENDr.rer.nat.genehmigte DissertationvonDIPL.M IN.A STRID SABINE TEGGE-SCHÜRINGgeboren am 19.07.1971 in Twistringen2003Referent: Prof. Dr. François Holtz, Universität HannoverKoreferent: Prof. Dr. Youxue Zhang, University of MichiganTag der Promotion: 10. Juli 2002Datum der Veröffentlichung: Juli 2003DANKSAGUNGDie vorliegende Arbeit wurde unter der Leitung von Prof. Dr. F. Holtz am Institut fürMineralogie der Universität Hannover angefertigt und von Dr. H. Behrens und Dr. J. Koepkebetreut. Insbesondere Harald Behrens möchte ich für die endlosen Korrekturarbeiten,zahlreichen Anregungen und intensiven Diskussionen danken, die wesentlich zurFertigstellung dieser Arbeit beigetragen haben. Ebenso sei Jürgen Koepke für Diskussionenund sein immer offenes Ohr für Mikrosonden- und SYRFA-Probleme gedankt. Herrn Prof.Youxue Zhang danke ich für die Übernahme des Koreferats und vor allem dafür, dass er michwährend meines Aufenthalts in den USA in seiner Arbeitsgruppe an der University ofMichigan aufgenommen und intensiv betreut und motiviert hat. Gerald Falkenberg und KarenRickers möchte ich für die Betreung an der SYRFA danken, sowie Michael Wiedenbeck fürdie Unterstützung an der SIMS.

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• Publié le: 01 janvier 2003
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• Langue: Deutsch

Extrait

Cation Diffusion in Silicate Melts

Kationendiffusion in Silikatschmelzen

Vom Fachbereich Geowissenschaften und Geographie

der Universität Hannover

zur Erlangung des Grades

DOKTOR DER NATURWISSENSCHAFTEN

Dr. rer. nat.

genehmigte Dissertation

von

D IPL . M IN . A STRID S ABINE T EGGE -S CHÜRING

geboren am 19.07.1971 in Twistringen

2003

Referent:

Koreferent:

Tag der Promotion:

Prof. Dr. François Holtz, Universität Hannover

Prof. Dr. Youxue Zhang, University of Michigan

10. Juli 2002

Datum der Veröffentlichung: Juli 2003

Borges möchte ich danken für den Erfahrungsaustausch bei Piston-Zylinder Experimenten

Schulze und auch dem gesamten

bei

Hilfe

für

sei

die

Werkstattpersonal

während meines Aufenthalts in

Gasdruckanlagen und der technischen Unterstützung bei experimentellen Problemen. Vor

allem Otto Diedrich danke ich für die zahlreichen Präparationen meiner Versuchsprodukte,

für

die

endlosen

möchte

ich

und sein immer offenes Ohr für Mikrosonden- und SYRFA-Probleme gedankt. Herrn Prof.

Korrekturarbeiten,

Arbeit

auch

und IR-Analysen und ganz besonders für die ständige Hilfsbereitschaft und der schönen Zeit

die Unterstützung an der SIMS. Max Wilke, Frank

die

Michigan aufgenommen und intensiv betreut und motiviert hat. Gerald Falkenberg und Karen

zur

wesentlich

und

Kevin

DANKSAGUNG

Youxue Zhang danke ich für die Übernahme des Koreferats und vor allem dafür, dass er mich

danken,

Die vorliegende Arbeit wurde unter der Leitung von Prof. Dr. F. Holtz am Institut für

Fertigstellung dieser Arbeit beigetragen haben. Ebenso sei Jürgen Koepke für Diskussionen

Diskussionen

in Hannover gilt mein Dank für die Einweisung und Hilfe an den

zahlreichen

Anregungen

intensiven

Insbesondere

Mineralogie der Universität Hannover angefertigt und von Dr. H. Behrens und Dr. J. Koepke

Harald

und

Rickers möchte ich für die Betreung an der SYRFA danken, sowie Michael Wiedenbeck für

den USA in seiner Arbeitsgruppe an der University of

Behrens

Marcus

die gerade für die SYRFA sehr arbeitsintensiv waren. Tony Withers, Yang Liu und Melroy

und

danken

dieser

in Ann Arbor. Kerstin, Susi, Jasper und vor allem Melli und Matthi möchte ich für den

Stunden

Computerproblemen und die witzigen Kommentare in unserem Büro gedankt.

betreut.

HG danke ich einfach für alles.

ständigen moralischen Beistand und die vielen motivierenden Worte während der harten

1.

Introduction

CONTENTS

1.1. Theoretical Background (Tracer vs. Chemical Diffusion)

1.2. Analytical Background (SYXRF vs SIMS)

2.

Experimental Techniques

2.1. Sample Description

2.2. Experimental Setup

2.3. Pressure Apparatus and Run Conditions

3.

Analytical Techniques

3.1. Sample Preparation

3.2. KFT and FTIR

3.3. Microprobe Analysis

3.4. SYXRF

3.5. SIMS

4.

Results

4.1. Evaluation of Diffusion Profiles

4.2. Influence of non-diffusive Transport

4.3. Trace Element Diffusion

4.4. Diffusion Profiles evaluated by SYXRF and SIMS

4.5. Chemical Diffusion

4.6. Precision of Diffusion Data

4.7. Enhancement of Diffusivities by adding H 2 O

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4.8. Temperature Dependence of Diffusion in Rhyolitic Melts

4.9. Pressure Dependence of Diffusion in Dacitic Melts

5.

Discussion

5.1. Comparison of SYXRF and SIMS Analyses

5.2. Effect of H 2 O on Diffusion

5.3. Effect of Pressure on Diffusion

5.3.1. Comparison to other Diffusion Studies on Rhyolitic Melts 5.3.2. Hydrous Melts ( > 0.5 wt% H 2 O)

5.4. Comparison to other Melt Compositions

5.5. Speciation and Effect of Redox Conditions on Trace Element Diffusion

5.6. Predicting Trace Element Diffusivity

5.7. Relation of Diffusivities to Viscosity

6.

7.

8.

Conclusion

References cited

Tables

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ABSTRACT

Chemical diffusion of major components and trace element diffusion of a large variety of cations were studied in dacitic and rhyolitic melts. Dacitic glasses similar in composition to a dacite erupted from Unzen Volcano in Japan and rhyolitic glasses with compositions close to the natural obsidian of the Erevan Dry Fountain of Armenia (EDF) were synthesized for this study. To examine both diffusion processes simultaneously, the classical diffusion couple technique was modified by combining two diffusion couples of synthetic glass cylinders to one diffusion triple. In these experiments one end of the triple was enriched by 5 wt% SiO 2 and 0.3 wt% TiO 2 relative to the middle part in order to measure chemical diffusion of major components SiO 2 and Al 2 O 3 . The other end was doped with up to 23 trace elements belonging to different geochemical groups. Since small amounts of dissolved water may enhance the diffusion of elements, in addition to nominally anhydrous melts, hydrous melts containing up to 5 wt% H 2 O were also investigated. Triple experiments were performed at 500 MPa in internally heated pressure vessels (1100-1400°C) and cold seal pressure vessels (800°C) for rhyolitic melts. Triple experiments with dacitic melts were performed at 100, 250 and 500 MPa in internally heated pressure vessels at 1200°C and in a piston cylinder at 1 GPa (1200- 1400°C) with traditional diffusion couples. Concentration profiles of major and trace elements were determined by electron microprobe and synchrotron x-ray fluorescence microanalysis, respectively. On some experimental run products diffusion profiles of trace elements were also measured by secondary ion mass spectrometry to certify diffusion data and to compare analytical techniques. Water distribution along the diffusion profiles was analyzed by infrared microspectroscopy. Diffusion profiles determined by both methods are in excellent agreement for the most elements, except for the transition metal elements Ni and Cu and the high field strength element Ta. In rhyolitic melts trace element diffusivities of high valenced cations are close to the effective binary diffusion coefficients of the major components SiO 2 and Al 2 O 3 . This indicates that the network dynamics, which are related to viscosity, determine the mobility of these elements. Trace element diffusivities systematically decrease at constant pressure, temperature and water content with ionic charge of the cation, exept of Co, which was found to migrate faster than the other transition metal elements, whereas diffusivities of Cu are close to the diffusivities of the high valenced cations. Especially in rhyolitic melts the mobility of Eu is faster compared to the other rare earth elements, Sn migrates significant faster than Ge and Nb is faster than its neighbor element Zr. The relatively high mobility of Eu in rhyolitic melts compared to neighbor elements Sm and Gd may be attributed to contributions of divalent Eu. 2+ The ratio of Eu /Eu tot derived from D Eu , D Sr and the average of D Gd and D Sr , has a minimum in rhyolitic melts close to 2 wt% water independent of temperature. Because the OH/H 2 O ratio increases with water content, an explanation for this trend could be that complexes with OH 3+ 2+ groups stabilizes Eu whereas complexes with H 2 in the melt. InO molecules stabilizes Eu general, the enhancing effect of water increases with the charge of the cation. A relatively strong dependence of diffusivity on water content was observed for Sn at 1200°C. This can be explained by a change in valence of Sn from 4+ at low water to 2+ at high water contents. In rhyolitic melts activation energies calculated from simple Arrhenius relationships increase from Rb to Zr by about 100 kJ/mole at both 2 and 5 wt% H 2 O. Activation energies for the water-poor rhyolitic melts increase from 100 kJ/mole for low field strenght elements to about 470 kJ/mole for high field strenght elements. Calculated apparent activation volumes for 3 3 elements in dacitic melts with 5 wt% H 2 O increases from 12 cm /mole for Ni to 18 cm /mole 3 3 for Ba to 43 cm /mole for the REE’s and Sn to about 80 cm /mole for Hf in the pressure range of 100-500 MPa at 1200 ºC. Keywords: trace element diffusion, chemical diffusion, EBDC, diffusion triple, rhyolite, dacite, H 2 O, SYXRF, SIMS

ZUSAMMENFASSUNG

In der vorliegenden Arbeit wurde mit einer subaluminösen Rhyolitschmelze die Abhängigkeit der Kationendiffusion von der Temperatur (800–1400 ºC) bei 500 MPa experimentell bestimmt. Der Einfluss von chemischer Zusammensetzung auf die Kationendiffusion wurde durch den Vergleich mit einer Dazitschmelze bei Temperaturen von 1200-1400 ºC und Drucken von 0.1-1 GPa untersucht. Da bereits geringe Mengen von Wasser zu einer Beschleunigung von Transportvorgängen in Silikatschmelzen führen können, wurde besonders der Effekt von H 2 O auf die Diffusion herausgearbeitet, indem Schmelzen mit H 2 O- Gehalten von ca. 0,1- 5 Gew.% H 2 O verwendet wurden. Bei 1 GPa wurde mit traditionellen Diffusionspaaren in der Piston Zylinder Apparatur der University of Michigan in Ann Arbor (USA) gearbeitet, während bei niedrigeren Drucken in der Gasdruckanlage in Hannover (kleinerer Temperaturgradient, grösseres Probenvolumen) diese Methode zu Diffusionstriplen modifiziert wurde. Mit den Diffusionstriplen konnten unter gleichen experimentellen Bedingungen sowohl die chemische Diffusion von Hauptelementen (SiO 2 und Al 2 O 3 ) als auch die Diffusion von bis zu 23 verschiedenen Spurenelementen (Rb, Sr, Ba, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Y, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Er, Yb, V, Zr, Nb, Hf, Ta, Ge, Sn) untersucht werden. Die Diffusionprofile der Spurenelemente wurden routinemässig mit der ortsaufgelösten Synchrotron-Röntgenfluoreszenz-Analyse (SYXRF) im Hamburger Synchrotron Labor (HASYLAB) aufgenommen. Damit konnten für die Vielzahl der Elemente Unterschiede in den Diffusionsgeschwindigkeiten herausgearbeitet werden. An ausgewählten Proben (D18, D22 und PC11) wurden Diffusionsdaten mit der Sekundärionen Massenspektrometrie (SIMS) im Geoforschungszentrum (GFZ) Potsdam ermittelt, um beide analytischen Methoden anhand der Diffusionsdaten zu vergleichen. Die in experimentellen Studien oft nachgewiesene Uphill Diffusion von Hauptelementen in Multikomponenten-Schmelzen (Diffusion einer Komponente gegen seinen eigenen Konzentrationsgradienten) konnte in dieser Arbeit nicht beobachtet werden. Die chemische Diffusion von SiO 2 und Al 2 O 3 , die durch Profilmessungen an der Mikrosonde ermittelt wurde konnte daher mit dem Konzept der sogenannten effektiven binären Diffusionskoeffizienten (EBDK) beschrieben werden. Die Diffusionsdaten zeigen, dass mit zunehmender Kationenladung die Diffusion der Kationen bei konstanten Temperatur-Druckbedingungen in Rhyolithen und Daziten abnimmt. Mit zunehmendem Wassergehalt nimmt die Kationendiffusion zu. In Rhyolithen wurde für Eu eine relativ hohe Mobilität im Vergleich zu den Nachbarkationen Sm und Gd beobachtet, was auf ein Vorliegen von sowohl zwei- als auch dreiwertigem Eu zurückgeführt werden kann. 2+ Das Verhältniss von Eu /Eu total , dass durch die vorliegenden Diffusionskoeffizienten von Eu, Sr und einem Mittelwert von D Gd und D Sm abgeschätzt wurde, zeigt ein Minimum bei einem Wassergehalt von ca. 2 Gew.% H 2 O. Da das OH/H 2 O-Verhältniss mit zunehmendem 3+ 2+ Wassergehalt ansteigt, könnte Eu durch OH-Gruppen und Eu durch H 2 O-Molekülgruppen in der Schmelze stabilisiert werden. Obwohl generell die Beschleunigung durch Wasser mit der Ladung des Kations zunimmt, zeigt Sn eine stärkere Abhängigkeit der Beschleunigung vom Wassergehalt als man es vom Ladungszustand erwarten würde. Dafür könnte ein 4+ 2+ Ladungswechsel von Sn für niedrige Wassergehalte zu Sn für höhere Wassergehalte die Ursache sein. Die Temperaturabhängigkeit konnte für alle Elemente mit einer einfachen Arrheniusbeziehung beschrieben und aus der Steigung Aktivierungsenergien berechnet werden. Diese zeigen für rhyolithische Schmelzen eine Zunahme mit der Kationenladung und -grösse und eine Abnahme mit dem Wassergehalt. Scheinbare Aktivierungsvolumen für Kationen in dazitischen Schmelzen (berechnet aus den Diffusion-Druck-Beziehungen) zeigen eine Zunahme von einwertig geladenen zu den mehrwertig geladenen Kationen. Schlagworte: Spurenelementdiffusion, Chemische Diffusion, EBDK, Diffusionstriple, Rhyolit, Dazit, H 2 O, SYXRF, SIMS