New experimental data for a re-calibration of the Fe-Ti oxide thermo-oxybarometers [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Ursula Sauerzapf
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NewExperimentalDataforaRe CalibrationoftheFe TiOxideThermo Oxybarometers.INAUGURAL DISSERTATIONzurErlangungderDoktorwürdederNaturwissenschaftlich MathematischenGesamtfakultätderRuprecht Karls UniversitätHeidelbergvorgelegtvonDiplom MineraloginUrsulaSauerzapfausHeidelbergNewExperimentalDataforaRe CalibrationoftheFe TiOxideThermo Oxybarometers.Gutachter:Prof. Dr. DominiqueLattardHochschuldozentinDr. AgnesKontnyTagdermündlichenPrüfung: 29.05.2006ContentsAbstract vKurzfassung ix1 Introduction 11.1 AshortpresentationofFe Tioxidemineralsandtheirsignificance . 11.2 Stateoftheart: crystallinephasesinthesystemFe Ti O . . . . . . 51.2.1 A general introduction to relevant Fe Ti oxide phases:chemistry,structureandstability . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.2 Wüstite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.2.3 Titanomagnetite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.2.4 Titanomaghemite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.2.5 Ilmenite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20ss1.2.6 Pseudobrookite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21ss1.3 Thermo oxybarometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.4 Aimsofthepresentstudy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 Experimentalandanalyticalmethods 352.1 Generalapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.2 High temperatureexperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.2.

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Publié le 01 janvier 2006
Nombre de lectures 26
Langue English
Poids de l'ouvrage 90 Mo

Extrait

NewExperimentalDatafora
Re CalibrationoftheFe TiOxide
Thermo Oxybarometers.
INAUGURAL DISSERTATION
zur
ErlangungderDoktorwürde
der
Naturwissenschaftlich MathematischenGesamtfakultät
derRuprecht Karls Universität
Heidelberg
vorgelegtvon
Diplom MineraloginUrsulaSauerzapf
ausHeidelbergNewExperimentalDataforaRe Calibrationof
theFe TiOxideThermo Oxybarometers.
Gutachter:
Prof. Dr. DominiqueLattard
HochschuldozentinDr. AgnesKontny
TagdermündlichenPrüfung: 29.05.2006Contents
Abstract v
Kurzfassung ix
1 Introduction 1
1.1 AshortpresentationofFe Tioxidemineralsandtheirsignificance . 1
1.2 Stateoftheart: crystallinephasesinthesystemFe Ti O . . . . . . 5
1.2.1 A general introduction to relevant Fe Ti oxide phases:
chemistry,structureandstability . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 Wüstite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.3 Titanomagnetite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.4 Titanomaghemite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.5 Ilmenite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20ss
1.2.6 Pseudobrookite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21ss
1.3 Thermo oxybarometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.4 Aimsofthepresentstudy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2 Experimentalandanalyticalmethods 35
2.1 Generalapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2 High temperatureexperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.1 Preparationofstartingmixtures . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.2 High temperaturetechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.3 Synthesisexperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.4 Re equilibrationexperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.5 Annealingexperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.6 Quenchingprocedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3 Characterisationandanalysisoftherunproducts . . . . . . . . . . 43
2.3.1 Opticalexamination(eye,binocular) . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.2 X raypowderdiffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.3 Scanningelectronmicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.4 Electronmicroprobe(EMP)analysis . . . . . . . . . . . . . 45
2.3.5energy lossspectroscopy . . . . . . . . . . . . . . 47
i3 Textures of synthetic sub solidus Fe Ti oxide assemblages in the sys
temFe Ti±Al±Mg O 49
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2 Generalremarksonexperimentalconditionsandprocedures . . . . 50
3.3descriptionofcommontexturalfeatures . . . . . . . . . . . 51
3.3.1 Crystalshapes,sizesanddistribution . . . . . . . . . . . . 51
3.3.2 Porosityandcracks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4 Formationofconcentrictextures-correlationtothestartingmaterial 54
3.4.1 Generalremarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.2 ExperimentswithFe O +TiO startingmixturesfrompre 2 3 2
annealedreagents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.4.3withFe O +TiO startingmixtures . . . . . . 562 3 2
◦3.4.4 ExperimentswithFe +TiO starting . . . . . . . 642
◦3.4.5withFe O +Fe +TiO startingmixtures . . 662 3 2
3.4.6 Time dependentexperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.4.7 Interpretationandconclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.5 Oxy exsolutiontextures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.5.1 SEMobservationsandEMPanalysis . . . . . . . . . . . . 71
3.5.2 Interpretationandconclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.6 Chemicalinhomogeneitiesofphasesinproductsofsynthesisruns . 75
3.7 Summaryandconclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4 PhaserelationsandphasecompositionsinthesystemFe Ti O 81
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2 Generalexperimentalapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3 Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3.1 Indicationsfortheattainmentofequilibrium . . . . . . . . 82
4.3.2 Re equilibrationexperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.3.3 Phaseboundariesandcompositions . . . . . . . . . . . . . 90
4.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4.1 TheTmt Ilm assemblage: phasecompositionsandbound ss
aries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4.2 TheTmt Ilm Comparisontothermodynamicss
models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.4.3 TheIlm Psb assemblage . . . . . . . . . . . . . . . . . 100ss ss
4.4.4 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1025 High Tnon stoichiometryinmagnetite ulvöspinelsolidsolution 103
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2 Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.3 Theannealingmethod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.3.1 Principlesoftheannealingmethod . . . . . . . . . . . . . . 105
5.3.2 Uncertaintiesofthemethods . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.3.3 Actualandallegedpitfalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.3.4 Presentationanddiscussionoftheresults . . . . . . . . . . 120
5.4 Non stoichiometryfromcelldimensions . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.4.1 Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.4.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.4.3 Summaryandinterpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.5 Non stoichiometryfromEELS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.5.1 Principlesandmeasurement . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.5.2 Sampleselectionandpreparation . . . . . . . . . . . . . . 133
5.5.3 Pitfalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.5.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.6.1 Summary of annealing method results, lattice parameter
dataandEELSdatafromthepresentstudy . . . . . . . . . 138
5.6.2 Comparisonwithliterature . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6 InfluenceofminorelementcontentsofMgandAl 143
6.1 Introduction: minorelementcontentsinFe Tioxides . . . . . . . . 143
6.2 Experimentalandanalyticalapproach . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.3 Phaserelations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.4 PhasecompositionsinthesystemFe Ti Mg Al O . . . . . . . . . . 148
6.4.1 Mg andAl contentsoftheFe Tioxidephases . . . . . . . 148
6.4.2 Projection of Mg Al bearing compositions into the Ilm
HemandMag Uspbinaries . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.4.3 Comparisonoftheprojectionschemes . . . . . . . . . . . . 156
6.4.4 of X’ and X’ derived with equations 6.5Usp Ilm
and 6.6, with the data from the simple system Fe Ti O
andwiththeexistingthermodynamicthermo oxybarometer
models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.5 Non stoichiometry in Mg Al bearing Tmt - results from annealing
experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.6 Discussionandconclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1667 Outlook 171
Bibliography 175
A Appendix 187
A.1 Tableofabbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
A.2 Startingmixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
A.3 Tablesofexperimentalconditionsandanalysisresults . . . . . . . . 192
A.4 Conversionofwt%andvol%intomol% . . . . . . . . . . . . . . . 222
A.5 Tmtprojection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
B Author’spublicationsrelatedtothisthesis 227
B.1 Paper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
B.2 Abstractsandconferenceparticipations . . . . . . . . . . . . . . . 227
Acknowledgements 229
Erklärung 231Abstract
Despite their modest modal abundances, the Fe Ti oxide minerals are important
accessory minerals in igneous rocks. They are major carriers of rock magnetism
andpetrologicindicatorsoftemperatureandredoxconditionsduringthemagmatic
stage(Buddington&Lindsley,1964).
The titanomagnetite ilmenite (Tmt Ilm ) thermo oxybarometer has beenss ss
widely used to retrieve information on redox states in the Earth’s mantle, pro
cesses in magma chambers, the crystallisation conditions of lunar or martian
basalts,redoxconditionsduringmetamorphicevolution,orfluid rockinteractions.
However, the current thermodynamic formulations of the Tmt Ilm thermo ss
oxybarometer (Andersen & Lindsley, 1988; Ghiorso & Sack, 1991) fail to repro
duce experimental results, in particular at the high temperatures that are relevant
for basaltic assemblages. This is shown in chapter 1 (section 1.3) by applying the
formulationstoexperimentalliteraturedata. Theshortcomingsoftheexistingmod
els are partly due to the limited T-fO range of experiments used for the original2
calibrations. Further, theeffectofsmallcontentsofMg, Al, etc. typicalfornatural
Tmt and Ilm was only partly evaluated, and the non stoichiometry of the phasesss
(inparticularTmt)wasnotconsideredatall.
To support a revised version of the Tm

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