Water and CO_1tn2 solubilities in rhyolitic to basaltic melts [Elektronische Ressource] : experimental determination and calibration for IR spectroscopy = Wasser- und CO_1tn2-Löslichkeiten in rhyolitischen bis basaltischen Schmelzen / von Susanne Ohlhorst

Institut Für Mineralogie

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• Publié par: gottfried_wilhelm_leibniz_universitat_hannover
• Publié le: 01 janvier 2002
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Extrait

Water and CO solubilities in rhyolitic to basaltic melts: 2
experimental determination and calibration for IR
spectroscopy

Wasser und CO Löslichkeiten in rhyolitischen bis 2
basaltischen Schmelzen: experimentelle Bestimmung und
Kalibration für IR Spektroskopie






Vom Fachbereich Geowissenschaften und Geographie der Universität Hannover

zur Erlangung des Grades

DOKTOR DER NATURWISSENSCHAFTEN

Dr. rer. Nat.

genehmigte Dissertation

von

Dipl. Min. Susanne Ohlhorst
geboren am 15.04.1971 in Braunschweig

2002








































Referent: Prof. Dr. François Holtz

Korreferenten: Dr. PD Harald Behrens

Dr. Penelope King

Tag der Promotion: 05.06.2002
Danksagung / Abstract / Zusammenfassung / Introduction

TABLE OF CONTENTS
Danksagung ________________________________________________________________ 5
Abstract ____________________________________________________________________ 6
Zusammenfassung ___________________________________________________________ 8
Introduction 11
1 Compositional dependence of molar absorptivities of near - infrared OH - and H O 2
bands in rhyolitic to basaltic glasses _______________________________________ 14
1.1 Introduction__________________________________________________________14
1.2 Experimental Techniques_______________________________________________15
1.3 Analytical____________________________________________________________16
1.3.1 Karl - Fischer Titration ____________________________________________ 16
1.3.2 Densities_______________________________________________________17
1.3.3 IR spectroscopy__________________________________________________18
1.4 Results and analysis of the IR - spectra____________________________________ 19
1.4.1 Band assignment and peak positions__________________________________ 19
1.4.2 Procedure for baseline correction of the combination bands _______________ 21
1.4.3 Determination of molar absorption coefficients _________________________ 24
1.5 Discussion____________________________________________________________27
1.5.1 Compositional dependence of molar absorption coefficients _______________ 27
1.5.2 Comparison with data of other authors ________________________________ 28
1.5.3 Comparison of two spectrometer setups _______________________________ 29
1.5.4 Water speciation in glasses _________________________________________ 32
2 Water and CO solubilities in dacitic melts__________________________________ 35 2
2.1 Introduction__________________________________________________________35
2.2 Methodology36
2.3 Experimental_________________________________________________________37
2.3.1 Starting material_________________________________________________37
2.3.2 Solubility experiments_____________________________________________38
2.3.3 Synthesis of standards for the Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS)_____
2.3.4 Experimental apparatus____________________________________________39
2.4 Analytical____________________________________________________________39
2.4.1 Determination of the fluid composition after the experiment _______________ 39
2.4.2 Karl - Fischer - Titration (KFT) _____________________________________ 40
2.4.3 CO - Titration___________________________________________________ 41 2
2.4.4 IR-Spectroscopy41
2.4.5 Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS)_____________________________ 43
2.4.5.1 Measurement conditions__________________________________________43
3Danksagung / Abstract / Zusammenfassung / Introduction
2.5 Results_______________________________________________________________44
2.5.1 Description of run products and water solubilities _______________________ 44
2.5.2 NIR spectroscopic determination of water contents ______________________ 45
2.5.3 MIR spectroscopic investigation of CO _______________________________ 47 2
2.5.4 Determination of CO contents with secondary ion mass spectrometry ____ 49 2,total
12 282.5.4.1 Evolution of the C/ Si ratio with time______________________________ 49
2.5.4.2 Calculation of the relative sensitivity factor from standard glasses _________ 51
2.5.4.3 Determination of the C content and uncertainty ________________________ 52
2.6 Discussion____________________________________________________________55
2.6.1 Water solubility__________________________________________________55
2.6.1.1 Comparison of water solubilities in the dacitic with a rhyolitic composition _
2.6.1.2 Empirical water solubility model ___________________________________ 55
2.6.2 Speciation of CO ________________________________________________ 57 2
2.6.3 CO solubility ___________________________________________________ 61 2
2.6.3.1 First model_____________________________________________________64
2.6.3.2 Second model67
2.6.3.3 Third model____________________________________________________71
2.6.3.4 Comparison of CO solubilities in the dacitic with a rhyolitic composition___ 74 2
2.7 Implication (Degassing)74
3 The effect of the composition on the water solubility and applications to degassing _ 76
3.1 Introduction__________________________________________________________76
3.2 Experimental and analytical_____________________________________________ 76
3.3 Results and Discussion _________________________________________________ 77
3.3.1 Description of run products _________________________________________ 77
3.3.2 NIR spectroscopic determination of water contents ______________________ 78
fluid3.3.3 Water solubilities x = 1 79 H O2
fluid3.3.4 Water solubilities 0 ≤ x ≤ 1______________________________________ 80 H O2
3.4 Discussion____________________________________________________________80
3.5 Implications__________________________________________________________83
3.5.1 Pre-eruptive volatile contents _______________________________________ 83
3.5.2 Degassing of ascending magma _____________________________________ 86
References__________________________________________________________________ 89
Appendix: Tables 101
Lebenslauf _________________________________________________________________ 109
4Danksagung / Abstract / Zusammenfassung / Introduction
DANKSAGUNG
Die vorliegende Arbeit wurde am Institut für Mineralogie der Universität Hannover
unter der Leitung von Dr. PD Harald Behrens und Prof. Dr. François Holtz
angefertigt. Beiden danke ich für die intensiven Diskussionen, die zahlreichen
Anregungen und die Unterstützung besonders in schwierigen Phasen der Arbeit.
Frau Dr. Penelope King danke ich für die Übernahme des Koreferates.
Für die technische Unterstützung geht ein großes Dankeschön an Willi Hurkuck,
Bettina, Lars, Manuel, Florian und Christiana. Bei Otto Diedrich bedanke ich mich für
die hervorragende Präparation zahlreicher Proben. Danken möchte ich auch Michel
Champenois für die technische Betreuung bei den Messungen mit der SIMS in Nancy.
Für die Unterstützung bei Arbeiten an der Gasdruckanlage danke ich besonders Max
und Frank. Markus Freise möchte ich für die Hilfe bei Computer-Problemen danken.
Dieter Ziegenbein danke ich für seine „Allround“-Hilfe. Jürgen Koepke möchte ich
für die Unterstützung an der Mikrosonde danken.
Vanessa Kunde danke ich für die Herstellung einiger wasserhaltiger Gläser.
Ein großer Dank geht an Brigitte Arens-Meyenbörg und Dirk Arens für die
emotionale Unterstützung während der Promotion.
Weiterhin danke ich Frank, Max, Achim, Karsten, Marilia, Nathalie, Jürgen, Jens,
Matthi, Jasper, Marcus, Astrid, Kevin, Melli, Antje, Lesslie, Antje und Dörte und alle
die ich vergessen habe.
Zu guter Letzt möchte ich mich bei meinen Eltern für die Finanzierung meines
Studiums sowie die moralische Unterstützung bedanken.

5Danksagung / Abstract / Zusammenfassung / Introduction
ABSTRACT
I have undertaken a series of experiments to understand the incorporation of water and
CO in basaltic to rhyodacitic glasses with particular attention to compositions 2
relevant to the Unzen volcano in Japan.
First, molar absorption coefficients (molar absorptivities) of the near infrared
-1combination bands at 4500 and 5200 cm assigned to OH groups and H O molecules, 2
respectively, were determined for glasses of dacitic, andesitic and basaltic
compositions. This work was necessary to determine water contents by IR
spectroscopy. Different combinations of baseline types and intensity measure (peak
height / area) were applied to investigate the effect of evaluation procedure on infrared
spectroscopic determination of apparent species concentrations and total water. The
best reproducibility of total water was obtained by modeling the baseline of the
-1 -1combination bands by two gaussians at ~5700 cm and ~4000 cm and evaluating
peak heights (maximum deviation of ± 0.17 wt.% water). A pa