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Silicate melts are major components of the Earth’s interior and as such they make an essential contribution in igneous processes, in the dynamics of the solid Earth and the chemical development of the entire Earth. Macroscopic physical and chemical properties such as density, compressibility, viscosity, degree of polymerization etc. are determined by the atomic structure of the melt. Depending on the pressure, but also on the temperature and the chemical composition, silicate melts show different structural properties. These properties are best described by the local coordination environment, i.e. symmetry and number of neighbors (coordination number) of an atom, as well as the distance between the central atom and its neighbors (inter-atomic distance). With increasing pressure and temperature, i.e. with increasing depth in the Earth, the density of the melt increases, which can lead to changes in coordination number and distances. If the coordination number remains the same, the distance usually decreases. If the coordination number increases, the distance can increase. These general trends can, however, vary greatly, which can be attributed in particular to the chemical composition.
Due to the fact that natural melts of the deep earth are not accessible to direct investigations, in order to understand their properties under the relevant conditions, extensive experimental and theoretical investigations have been carried out so far. This has often been studied using the example of amorphous samples of the end-members SiO2 and GeO2 , with the latter serving as a structural and chemical analog model to SiO2. Commonly, the experiments were carried out at high pressure and at room temperature. Natural melts are chemically much more complex than the simple end-member SiO2 and GeO2, so that observations made on them may lead to incorrect compression models. Furthermore, the investigations on glasses at room temperature can show potentially strong deviations from the properties of melts under natural thermodynamic conditions.
The aim of this thesis was to explain the influence of the composition and the temperature on the structural properties of the melts at high pressures. To understand this, we studied complex alumino-germanate and alumino-silicate glasses. More precisely, we studied synthetic glasses that have a composition like the mineral albite and like a mixture of albite-diopside at the eutectic point. The albite glass is structurally similar to a simplified granitic melt, while the albite-diopside glass simulates a simplified basaltic melt. To study the local coordination environment of the elements, we used X-ray absorption spectroscopy in combination with a diamond anvil cell. Because the diamonds have a high absorbance for X-rays with energies below 10 keV, the direct investigation of the geologically relevant elements such as Si, Al, Ca, Mg etc. with this spectroscopic probe technique in combination with a diamond anvil cell is not possible. Therefore the glasses were doped with Ge and Sr. These elements serve partially or fully as substitutes for important major elements. In this sense, Ge serves as an a substitute for Si and other network formers, while Sr replaces network modifiers such as Ca, Na, Mg etc.,
as well as other cations with a large ionic radius.
In the first step we studied the Ge K-edge in Ge-Albit-glass, NaAlGe3O8, at room temperature up to 131 GPa. This glass has a higher chemical complexity than SiO2 and GeO2, but it is still fully polymerized. The differences in the compression mechanism between this glass and the simple oxides can clearly be attributed to higher chemical complexity. The albite and albite-diopside compositions partially doped with Ge and Sr were probed at room temperature for Ge up to 164 GPa and for Sr up to 42 GPa. While the albite glass is nominally fully polymerized like NaAlGe3O8, the albite-diopside glass is partially depolymerized. The results show that structural changes take place in all three glasses in the first 25 to a maximum of 30 GPa, with both Ge and Sr reaching the maximum coordination number 6 and ∼9, respectively. At higher pressures, only isostructural shrinkage of the coordination polyhedra takes place in the glasses. The most important finding of the high pressure studies on the alumino-silicate and alumino-germanate glasses is that in these complex glasses the polyhedra show a much higher compressibility than what can be observed in the end-members. This is shown in particular by the strong shortening of the Ge-O distances in the amorphous NaAlGe3O8 and albite-diopside glass at pressures above 30 GPa.
In addition to the effects of the composition on the compaction process, we investigated the influence of temperature on the structural changes. To do this, we probed the albite-diopside glass, as it is chemically most similar to the melts in the lower mantle. We studied the Ge K edge of the sample with a resistively heated and a laser-heated diamond anvil cell, for a pressure range of up to 48 GPa and a temperature range of up to 5000 K. High temperatures at which the sample is liquid and that are relevant for the Earth mantle, have a significant impact on the structural transformation, with a shift of approx. 30% to significantly lower pressures, compared to the glasses at room temperature and below 1000 K.
The results of this thesis represent an important contribution to the understanding of the properties of melts at conditions of the lower mantle. In the context of the discussion about the existence and origin of ultra-dense silicate melts at the core-mantle boundary, these investigations show that the higher density compared to the surrounding material cannot be explained by only structural features, but by a distinct chemical composition. The results also suggest that only very low solubilities of noble gases are to be expected for melts in the lower mantle, so that the structural properties clearly influence the overall budget and transport of noble gases in the Earth’s mantle.
Das Wissen um die lokale Struktur von Seltenen Erden Elementen (SEE) in silikatischen und aluminosilikatischen Schmelzen ist von fundamentalem Interesse für die Geochemie der magmatischen Prozesse, speziell wenn es um ein umfassendes Verständnis der Verteilungsprozesse von SEE in magmatischen Systemen geht. Es ist allgemein akzeptiert, dass die SEE-Verteilungsprozesse von Temperatur, Druck, Sauerstofffugazität (im Fall von polyvalenten Kationen) und der Kristallchemie kontrolliert werden. Allerdings ist wenig über den Einfluss der Schmelzzusammensetzung selbst bekannt. Ziel dieser Arbeit ist, eine Beziehung zwischen der Variation der SEE-Verteilung mit der Schmelzzusammensetzung und der Koordinationschemie dieser SEE in der Schmelze zu schaffen.
Dazu wurden Schmelzzusammensetzungen von Prowatke und Klemme (2005), welche eine deutliche Änderung der Verteilungskoeffizienten zwischen Titanit und Schmelze ausschließlich als Funktion der Schmelzzusammensetzung zeigen, sowie haplogranitische bzw. haplobasaltische Schmelzzusammensetzungen als Vertreter magmatischer Systeme mit La, Gd, Yb und Y dotiert und als Glas synthetisiert. Die Schmelzen variierten systematisch im Aluminiumsättigungsindex (ASI), welcher bei den Prowatke und Klemme (2005) Zusammensetzungen einen Bereich von 0.115 bis 0.768, bei den haplogranitischen Zusammensetzungen einen Bereich von 0.935 bis 1.785 und bei den haplobasaltischen Zusammensetzungen einen Bereich von 0.368 bis 1.010 abdeckt. Zusätzlich wurden die haplogranitischen Zusammensetzungen mit 4 % H2O synthetisiert, um den Einfluss von Wasser auf die lokale Umgebung von SEE zu studieren. Um Informationen über die lokalen Struktur von Gd, Yb und Y zu erhalten wurde die Röntgenabsorptionsspektroskopie angewendet. Dabei liefert die Untersuchung der Feinstruktur mittels der EXAFS-Spektroskopie (engl. Extended X-Ray Absorption Fine Structure) quantitative Informationen über die lokale Umgebung, während RIXS (engl. resonant inelastic X-ray scattering), sowie die daraus extrahierte hoch aufgelöste Nahkantenstruktur, XANES (engl. X-ray absorption near edge structure) qualitative Informationen über mögliche Koordinationsänderungen von La, Gd und Yb in den Gläsern liefert. Um mögliche Unterschiede der lokalen Struktur oberhalb der Glastransformationstemperatur (TG) zur Raumtemperatur zu untersuchen, wurden exemplarisch Hochtemperatur Y-EXAFS Untersuchungen durchgeführt.
Für die Auswertung der EXAFS-Messungen wurde ein neu eingeführter Histogramm-Fit verwendet, der auch nicht-symmetrische bzw. nichtgaußförmige Paarverteilungsfunktionen beschreiben kann, wie sie bei einem hohen Grad der Polymerisierung bzw. bei hohen Temperaturen auftreten können. Die Y-EXAFS-Spektren für die Prowatke und Klemme (2005) Zusammensetzungen zeigen mit Zunahme des ASI, eine Zunahme der Asymmetrie und Breite der Y-O Paarverteilungsfunktion, welche sich in sich in der Änderung der Koordinationszahl von 6 nach 8 und einer Zunahme des Y-O Abstand um 0.13Å manifestiert. Ein ähnlicher Trend lässt sich auch für die Gd- und Yb-EXAFS-Spektren beobachten. Die hoch aufgelösten XANESSpektren für La, Gd und Yb zeigen, dass sich die strukturellen Unterschiede zumindest halb-quantitativ bestimmen lassen. Dies gilt insbesondere für Änderungen im mittleren Abstand zu den Sauerstoffatomen. Im Vergleich zur EXAFS-Spektroskopie liefert XANES jedoch keine Informationen über die Form und Breite von Paarverteilungsfunktionen. Die Hochtemperatur EXAFS-Untersuchungen von Y zeigen Änderungen der lokalen Struktur oberhalb der Glasübergangstemperatur an, welche sich vordergründig auf eine thermisch induzierte Erhöhung des mittleren Y-O Abstandes zurückführen lassen. Allerdings zeigt ein Vergleich der Y-O Abstände für Zusammensetzungen mit einem ASI von 0.115 bzw. 0.755, ermittelt bei Raumtemperatur und TG, dass der im Glas beobachtete strukturelle Unterschied entlang der Zusammensetzungsserie in der Schmelze noch stärker ausfallen kann, als bisher für die Gläser angenommen wurde.
Die direkte Korrelation der Verteilungsdaten von Prowatke und Klemme (2005) mit den strukturellen Änderungen der Schmelzen offenbart für Y eine lineare Korrelation, wohingegen Yb und Gd eine nicht lineare Beziehung zeigen. Aufgrund seines Ionenradius und seiner Ladung wird das 6-fach koordinierte SEE in den niedriger polymerisierten Schmelzen bevorzugt durch nicht-brückenbildende Sauerstoffatome koordiniert, um stabile Konfigurationen zu bilden. In den höher polymerisierten Schmelzen mit ASI-Werten in der Nähe von 1 ist 6-fache Koordination nicht möglich, da fast nur noch brückenbildende Sauerstoffatome zur Verfügung stehen. Die Überbindung von brückenbildenden Sauerstoffatomen um das SEE wird durch Erhöhung der Koordinationszahl und des mittleren SEE-O Abstandes ausgeglichen. Dies bedeutet eine energetisch günstigere Konfiguration in den stärker depolymerisierten Zusammensetzungen, aus welcher die beobachtete Variation des Verteilungskoeffizienten resultiert, welcher sich jedoch für jedes Element stark unterscheidet. Für die haplogranitischen und haplobasaltischen Zusammensetzungen wurde mit Zunahme der Polymerisierung auch eine Zunahme der Koordinationszahl und des durchschnittlichen Bindungsabstands, einhergehend mit der Zunahme der Schiefe und der Asymmetrie der Paarverteilungsfunktion, beobachtet. Dies impliziert, dass das jeweilige SEE mit Zunahme der Polymerisierung auch inkompatibler in diesen Zusammensetzungen wird. Weiterhin zeigt die Zugabe von Wasser, dass die Schmelzen depolymerisieren, was in einer symmetrischeren Paarverteilungsfunktion resultiert, wodurch die Kompatibilität wieder zunimmt.
Zusammenfassend zeigt sich, dass die Veränderungen der Schmelzzusammensetzungen in einer Änderung der Polymerisierung der Schmelzen resultieren, die dann einen signifikanten Einfluss auf die lokale Umgebung der SEE hat. Die strukturellen Änderungen lassen sich direkt mit Verteilungsdaten korrelieren, die Trends unterscheiden sich aber stark zwischen leichten, mittleren und schweren SEE. Allerdings konnte diese Studie zeigen, in welcher Größenordnung die Änderungen liegen müssen, um einen signifikanten Einfluss auf den Verteilungskoeffizenten zu haben. Weiterhin zeigt sich, dass der Einfluss der Schmelzzusammensetzung auf die Verteilung der Spurenelemente mit Zunahme der Polymerisierung steigt und daher nicht vernachlässigt werden darf.