Vanessa Helpa

• This thesis contains three experimental studies addressing the interplay between deformation and the mineral reaction between natural calcite and magnesite. The solid-solid mineral reaction between the two carbonates causes the formation of a magnesio-calcite precursor layer and a dolomite reaction rim in every experiment at isostatic annealing and deformation conditions. CHAPTER 1 briefly introduces general aspects concerning mineral reactions in nature and diffusion pathways for mass transport. Moreover, results of previous laboratory studies on the influence of deformation on mineral reactions are summarized. In addition, the main goals of this study are pointed out. In CHAPTER 2, the reaction between calcite and magnesite single crystals is examined at isostatic annealing conditions. Time series performed at a fixed temperature revealed a diffusion-controlled dolomite rim growth. Two microstructural domains could be identified characterized by palisade-shaped dolomite grains growing into the magnesite and granular dolomiteThis thesis contains three experimental studies addressing the interplay between deformation and the mineral reaction between natural calcite and magnesite. The solid-solid mineral reaction between the two carbonates causes the formation of a magnesio-calcite precursor layer and a dolomite reaction rim in every experiment at isostatic annealing and deformation conditions. CHAPTER 1 briefly introduces general aspects concerning mineral reactions in nature and diffusion pathways for mass transport. Moreover, results of previous laboratory studies on the influence of deformation on mineral reactions are summarized. In addition, the main goals of this study are pointed out. In CHAPTER 2, the reaction between calcite and magnesite single crystals is examined at isostatic annealing conditions. Time series performed at a fixed temperature revealed a diffusion-controlled dolomite rim growth. Two microstructural domains could be identified characterized by palisade-shaped dolomite grains growing into the magnesite and granular dolomite growing towards calcite. A model was provided for the dolomite rim growth based on the counter-diffusion of CaO and MgO. All reaction products exhibited a characteristic crystallographic relationship with respect to the calcite reactant. Moreover, kinetic parameters of the mineral reaction were determined out of a temperature series at a fixed time. The main goal of the isostatic test series was to gain information about the microstructure evolution, kinetic parameters, chemical composition and texture development of the reaction products. The results were used as a reference to quantify the influence of deformation on the mineral reaction. CHAPTER 3 deals with the influence of non-isostatic deformation on dolomite and magnesio-calcite layer production between calcite and magnesite single crystals. Deformation was achieved by triaxial compression and by torsion. Triaxial compression up to 38 MPa axial stress at a fixed time showed no significant influence of stress and strain on dolomite formation. Time series conducted at a fixed stress yield no change in growth rates for dolomite and magnesio-calcite at low strains. Slightly larger magnesio-calcite growth rates were observed at strains above >0.1. High strains at similar stresses were caused by the activation of additional glide systems in the calcite single crystal and more mobile dislocations in the magnesio-calcite grains, providing fast diffusion pathways. In torsion experiments a gradual decrease in dolomite and magnesio-calcite layer thickness was observed at a critical shear strain. During deformation, crystallographic orientations of reaction products rearranged with respect to the external framework. A direct effect of the mineral reaction on deformation could not be recognized due to the relatively small reaction product widths. In CHAPTER 4, the influence of starting material microfabrics and the presence of water on the reaction kinetics was evaluated. In these experimental series polycrystalline material was in contact with single crystals or two polycrystalline materials were used as reactants. Isostatic annealing resulted in different dolomite and magnesio-calcite layer thicknesses, depending on starting material microfabrics. The reaction progress at the magnesite interface was faster with smaller magnesite grain size, because grain boundaries provided fast pathways for diffusion and multiple nucleation sites for dolomite formation. Deformation by triaxial compression and torsion yield lower dolomite rim thicknesses compared to annealed samples for the same time. This was caused by grain coarsening of polycrystalline magnesite during deformation. In contrast, magnesio-calcite layers tended to be larger during deformation, which triggered enhanced diffusion along grain boundaries. The presence of excess water had no significant influence on the reaction kinetics, at least if the reactants were single crystals. In CHAPTER 5 general conclusions about the interplay between deformation and the mineral reaction in the carbonate system are presented. Finally, CHAPTER 6 highlights possible future work in the carbonate system based on the results of this study.…
• Die vorliegende Arbeit umfasst drei experimentelle Studien die sich mit der Wechselwirkung von Mineralreaktion und Deformation zwischen natürlichem Kalzit und Magnesit befassen. Die fest-fest Mineralreaktion zwischen den Karbonaten führt zur Entstehung einer Magnesio-Kalzit Vorläuferphase und zur Entstehung eines Dolomit Reaktionssaumes in allen durchge-führten Experimenten sowohl unter isostatischen Bedingungen als auch während der Defor-mation. Im ersten Kapitel werden die grundlegenden Aspekte hinsichtlich Mineralreaktionen in der Natur und Diffusion angeführt. Weiterhin werden Resultate von vorherigen Studien bezüglich des Einflusses von Deformation auf Mineralreaktionen zusammengefasst. Außerdem werden die Hauptziele dieser Studie aufgezeigt. Im zweiten Kapitel wird die Mineralreaktion zwischen Kalzit und Magnesit Einkristallen unter isostatischen Bedingungen untersucht. Zeitserien bei einer festgelegten Temperatur zeigten ein diffusionskontrolliertes Dolomitsaumwachstum. Die Mikrostruktur des Dolomitsaums ist durch zweiDie vorliegende Arbeit umfasst drei experimentelle Studien die sich mit der Wechselwirkung von Mineralreaktion und Deformation zwischen natürlichem Kalzit und Magnesit befassen. Die fest-fest Mineralreaktion zwischen den Karbonaten führt zur Entstehung einer Magnesio-Kalzit Vorläuferphase und zur Entstehung eines Dolomit Reaktionssaumes in allen durchge-führten Experimenten sowohl unter isostatischen Bedingungen als auch während der Defor-mation. Im ersten Kapitel werden die grundlegenden Aspekte hinsichtlich Mineralreaktionen in der Natur und Diffusion angeführt. Weiterhin werden Resultate von vorherigen Studien bezüglich des Einflusses von Deformation auf Mineralreaktionen zusammengefasst. Außerdem werden die Hauptziele dieser Studie aufgezeigt. Im zweiten Kapitel wird die Mineralreaktion zwischen Kalzit und Magnesit Einkristallen unter isostatischen Bedingungen untersucht. Zeitserien bei einer festgelegten Temperatur zeigten ein diffusionskontrolliertes Dolomitsaumwachstum. Die Mikrostruktur des Dolomitsaums ist durch zwei unterschiedliche Bereiche charakterisiert. Palisadenartige Dolomitkörner wachsen in den Magnesit und granulare Dolomitkörner wachsen in Richtung des Kalzits. Ein Model für das Dolomitsaumwachstum wurde angewandt, basierend auf der Gegendiffusion von CaO und MgO. Alle Reaktionsprodukte zeigten eine bestimmte kristallographische Beziehung in Hinblick auf den Kalzitreaktanten. Des Weiteren wurden die kinetischen Parameter für die Mineralreaktion durch Temperaturserien bei einer festen Versuchslaufzeit bestimmt. Das Hauptziel der isostatischen Testserie bestand darin Informationen über die mikrostrukturelle Entwicklung, die kinetischen Parameter, die chemische Zusammensetzung und die texturelle Entwicklung der Reaktionsprodukte zu gewinnen. Die Resultate dienten als Referenz um den Einfluss der Deformation auf die Mineralreaktion zu quantifizieren. Kapitel drei befasst sich mit dem Effekt von nicht-isostatischer Deformation auf die Bildungen von Dolomit und Magnesio-Kalzit zwischen Kalzit und Magnesit Einkristallen. Deformation wurde entweder durch triaxiale Kompression oder durch Torsion erreicht. Triaxiale Kompression bis zu 38 MPa axialer Spannung bei festgelegter Zeit zeigte keinen signifikanten Einfluss von Spannung und Verformung auf die Dolomitproduktion. Eine Zeitserie bei ähnlichen axialen Spannungen und geringen Verformungen resultierten in vergleichbaren Wachstumsraten für Dolomit und Magnesio-Kalzit wie unter isostatischen Bedingungen. Geringfügig schnellere Wachstumsraten für den Magnesio-Kalzit traten in Experimenten auf bei denen die Verformung größer als 0.1 war. Hohe Verformungen bei ähnlichen Spannungen wurde durch die Aktivierung zusätzlicher Gleitsysteme im Kalzit Einkristall und mobile Versetzungen im Magnesio-Kalzit erreicht, welche schnelle Wege für Diffusion bereitstellen. In Torsionsexperimenten wurde eine graduelle Abnahme der Dolomitsaumdicke und des Magnesio-Kalzits beim Überschreiten einer kritischen Scherverformung festgestellt. Während der Deformation kam es zu einer Umorientierung der kristallographischen Achsen von Dolomit und Magnesio-Kalzit hinsichtlich des externen Bezugsystems. Ein direkter Effekt der Mineralreaktion auf die Deformation konnte auf Grund der relative geringen Reaktionsproduktdi-cke nicht gesehen werden. Im vierten Kapitel wurden der Korngrößeneinfluss des Ausgangsmaterials sowie die Anwesenheit von Wasser auf die Reaktionskinetik getestet. In dieser Testserie wurde polykristallines Material in Kontakt zu Einkristallen gebracht oder zwei polykristalline Materialien wurden als Reaktanten benutzt. Isostatisches Ausheizen resultierte in verschiedenen Dolomitsaum- und Magnesio-Kalzitdicken in Abhängigkeit der Korngröße der Reaktanten. Bei kleinen Korngrößen des Magnesits war der Reaktionsfortschritt erhöht, da Korngrenzen Wege für schelle Diffusion boten und viele Nukleationskeime erlaubten. Im Gegensatz zu isostatischen Bedingungen führten triaxiale Kompression und Torsion zu geringen Dolomitsaumdi-cken. Die Ursache hierfür war auftretendes Kornwachstum im polykristallinen Magnesit während der Deformation. Für den Magnesio-Kalzit wurde ein beschleunigtes Wachstum während der Deformation festgestellt, da der Massentransport entlang von Korngrenzen begünstigt wurde. Die Reaktionskinetik zwischen zwei Einkristallen wurde durch die Anwesenheit von zusätzlichem Wasser nicht signifikant beeinflusst. Das fünfte Kapitel enthält die generellen Schlussfolgerungen die für die Wechselwirkung von Mineralreaktion und Deformation im Karbonatsystem getroffen werden konnten. Basierend auf den Resultaten dieser Studie zeigt Kapitel sechs abschließend auf, welche Möglichkeiten es für zukünftige Arbeiten im Karbonatsystem gibt.…