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Zirkon
Polymorphie
• “Polymorphe Substanzen“ sind Elemente oder Verbindungen, die bei verschiedenen Druck-und Temperaturbedingungen Festkörper mit unterschiedlichen Kristallstrukturen ausbilden.
• Beispiel SiO2: Je nach Druck- und Temperaturbedingungen bildet SiO2 Festkörper mit unterschiedlichen Kristallstrukturen aus: α-Quarz, β-Quarz, Tridymit, Cristobalit, Coesit, Stishiovit.
Modifikationen einer polymorphen Substanz
• Die „Modifikationen einer Substanz“ sind die verschiedenen Phasen, die eine polymorphe Substanz ausbilden kann.
Beispiele für polymorphe Substanzen
Substanz chemische Formel Kohlenstoff C Graphit Diamant Alumosilikat Al2SiO5 Andalust Kyanit Sillimanit Kalium-Aluminium Silikat KAlSi3O8 Sanidin Orthoklas Mikroklin Eisen Disulfid FeS2 Pyrit Markasit
Polymorphe von SiO2
Stabilität in Abhängigkeit von Druck und Temperatur
• Materie organisiert sich in der für die jeweils vorherrschenden Druck- und Temperaturbedingungen „energetisch“günstigsten Form.
• Der Energieinhalt einer Phase kontrolliert ob die Phase unter bestimmten P- und T Bedingungen stabil ist oder nicht.
• In der Mineralogie/Petrologie ist die Gibbs‘schefreie Energie die relevante Energiegrösse G = G(P,T), d.h. G ist eine Funktion von Druck und Temperatur.
Druck- und Temperaturabhängigkeit der Gibbs‘schen freien Energie
VPG
T
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛∂∂ S
TG
P
−=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛∂∂
G
P T
G
Das Molvlumen V und die molare Entropie S sind immer positive Grössen, d.h. die Gibbs‘sche freie Energie eines Minerals steigt mit zunehmendem Druck und fällt mit zunehmender Temperatur
Stabilitätskriterium - Minimale Gibbs‘sche freie Energie
• In einem System mit gegebener chemischer Zusammensetzung ist die jenige Phase oder Phasenassoziation stabil, die bei den gegebenen Druck (P) und Temperatur-bedingungen (T) den Zustand mit der geringste Gibbs‘schen freien Energie repräsentiert.
• Da die Gibbs‘sche freie Energie einer Phase als Funktion von P und T variiert, sind bei unterschiedlichen P-T Bedingungen unterschiedliche Phasen (Minerale, Flüssigkeiten, Gase, Schmelzen) oder Phasenassoziationen stabil.
Druckabhängigkeit der Mineralstabilität
P
G
α
αγ
β
γ
β
Vα > Vβ > Vγ
Mit zunehmendem Druck werden Phasen mit kleinem Molvolumen gegenüber Phasen mit grossem Molvolumen stabilisiert
Temperaturabhängigkeit der Mineralstabilität
T
G
α
α
γβ
γ
β
Sγ > Sβ > Sα
Mit zunehmender Temperatur werden Phasen mit grosser Entropie gegenüber Phasen mit kleiner Entropie stabilisiert
VAnd > VSil > VKya
SSil > SAnd > SKya
And
Sil
Kya
And
Kya
SilP
AndKya Sil
T
Al2SiO5 Modifikationen
Phasenübergänge
• Übergang von einem Polymorph in ein anderes - Phasenübergang
• displazive Phasenübergänge –Verformung bestehender Koordinationspolyeder – kein Aufbrechen oder Neubildung von Bindungen
• rekonstruktive Phasenübergänge –Umstellung des Bindungsgerüstes
P
T
Kyanit
Andalusit
Sillimanit
Al2SiO5 Modifikationen
Quarz Stishovite
Rekonstruktiver Phasenübergnang
C-Modifikationen
„diamonds are vor ever...“de Beers
2980
Be aware…!
Phasenübergang• Ordnungs- Unordnungs Phasenübergang:
Veränderung der Kationenverteilug in den Gitterplätzen
K-FeldspatSi – Al Verteilung auf Tetraederplätzen
Ordnungs- UnordnungsÜbergang
MineralklassenMineralklassen Erdkruste Mond Meteoriten
Silikate 883 37 73
Phosphate 352 5 13
Sulfate 293 - 13
Sulfosalze 256 - -
Sulfide, Selenide, Telluride 245 9 21
Oxide 212 20 26
Arsenate 198 - -
Hydroxide 180 1 2
Karbonate 165 1 3
Borate 128 - -
Elemente, intermetallische Verbindungen 82 7 13
Chloride, Oxychloride 82 1 2
Vanadate 64 - -
Arsenide, Antimonide, Wismutide 62 - -
Tellurite, -ate, Selenite, -ate 57 - -
Fluoride 42 - -
Organische Mineralien 30 1 1
Molybdate, Wolframate 25 - 2
Carbide, Phosphide, Nitride 17 3 11
Nitrate 15 - -
Jodate 8 - -
Chromate 6 - -
Bromide, Jodide 6 - -
Silicide 5 1 -
Gesamt 3413 85 175
Silikat StrukturenKlassifikationskriterium Polymerisierungsgradder SiO4 Tetraeder [SiO4]4- Tetraeder
Prinzipien des Kristallbaus
• 3. Pauling’sche Regel: Gemeinsame Flächen und Kanten zwischen Koordinationspolyedern erniedrigen die Stabilität der Struktur (zu kurze Kation-Kation Abstände).
• 4. Paulings’sche Regel: In einer Struktur mit verschiedenen Kationen teilen diejenigen mit hoher Valenz möglichst wenig gemeinsame Strukturelemente.
Silikat StrukturenKlassifikation nach Polymerisierungsgrad der SiO4 Tetraeder
[SiO4]4- isolierte Tetraeder Inselsilikate/Nesosilikate
Beispiele: Olivin, Granat, …
[Si2O7]6- Doppeltetraeder Sorosilikate/Disilikate
Beispiele: Lawsonit, Klinozoisit-Epidot, …
n[SiO3]2- Tetraederringe Ringsilikate/Cyclosilicatesn = 3, 4, 6
Beispiele: Benitoid BaTi[Si3O9]Axinite Ca3Al2BO3[Si4O12]OHBeryl Be3Al2[Si6O18]
Silikat StrukturenKlassifikation nach Polymerisierungsgrad der SiO4 Tetraeder
Kettensilikate / Inosilikate[SiO3]2- Einfachketten [Si4O11]4- Doppelketten
Pyroxene, Pyroxenoide Amphibole
Silikat StrukturenKlassifikation nach Polymerisierungsgrad der SiO4 Tetraeder
[Si2O5]2- eben vernetzte Tetraeder SchichtsilikateGlimmer, Talk, Tonminerale, Serpentin
Silikat StrukturenKlassifikation nach Polymerisierungsgrad der SiO4 Tetraeder
TiefquarzTiefquarz
[SiO2] 3-dimensional vernetzte Tetraeder Gerüstsilikate/TectosilikateQuarz, SiO2 Modifikationen, Feldspäte, Feldspatvertreter, Zeolite
BytownitLabradorit
Oligoklas
Andesin
Albit
Olivin
Pyroxen
BiotitAmphibol
QuarzKalifeldspat
Muskovit
Granit/Rhyolit
Granodiorit/Dazit
Diorit/Andesit
Gabbro/Basalt
Bowen‘sche Kristallisationsreihe
Zune
hmen
de P
olym
erisi
erun
g
Olivin
Inselsilikat - Olivin
– [SiO4]4- isolierte Tetraeder – vierfach negative Nettoladung
– Ladungskompensation durch Einbau von zwei Fe2+ und/ oder Mg2+ Kationen pro [SiO4]4- Tetraeder
– Fe2+ und Mg2+ Kationen werden in Oktaederlückenuntergebracht
Inselsilikate isolierte SiO4 Tetraederbb
cc
ProjektionProjektion
OlivinOlivin BlickrichtungBlickrichtung (100) (100) blaublau = M1 = M1 gelbgelb = M2= M2
Inselsilikate isolierte SiO4 Tetraeder
bb
aa
M1 in M1 in ReihenReihenparallel parallel ccangeordnetangeordnet, , OktaederOktaeder mitmitgemeinsamengemeinsamenKantenKanten
M2 M2 OktaederOktaederbildenbilden LagenLagenin in aa--cc und und teilenteilen KantenKanten
MancheManche M2 M2 und M1 und M1 teilenteilenKantenKanten
OlivinOlivin BlickrichtungBlickrichtung (001) (001) blaublau = M1 = M1 gelbgelb = M2= M2
Inselsilikate isolierte SiO4 Tetraeder
bb
cc
M1 und M2 M1 und M2 alsals PolyederPolyeder
OlivinOlivin BlickrichtungBlickrichtung (100) (100) blaublau = M1 = M1 gelbgelb = M2= M2
Inselsilikat - OlivinOlivin Vorkommen:– Fe-Mg Olivin Mischkristalle: Vorwiegend in maphischen
(z.B. Basalt, Gabbro, …) und ultramaphischen (z.B. Peridotit, Komateit, …) magmatischen Gesteinen und deren metamorphen Derivaten
– Fe-Endglied: Fayalit (Fe2SiO4) in “meta-ironstones” und in einigen Alkaligraniten
– Mg-Endglied: Forsterit (Mg2SiO4) in hochmetamorphenkieseligen Dolomiten
Monticellit (CaMgSiO4) Ca → M2 (grösseres Ion, grössere Lücke)Hochgradig metamorphe silikatreiche Karbonate
Olivin - Chemismus
– In Fe-reichen Olivin Mischkristallen kann nebenFe und Mg auch Ca und Mn auf den Oktaederplätzen eingebaut werden
– In Mg-reichen Olivin Mischkristallen kann nebenFe und Mg auch Cr und Ni auf den Oktaederplätzen eingebaut werden – d.h. besonders MAtnelolviine udn Olvinie in ultrabasischen Schmelzen können nenneswerteNi udn Cr Geahtle aufweisen
Mantelgesteine: Peridotite
Harzburgit (Olivin, Orthopyroxen)Ligurien
Harzburgit (Olivin, Orthopyroxen)Ligurien
Schmelzdiagramme für Mischkristalle
• Gegeben seien zwei Komponenten, die im flüssigen und festen Zustand mischbar seien und Schmelzen, bzw. Mischkristalle bilden
• Ein einfaches Beispiel sind die Systeme Silber/Gold oder Kupfer/Nickel
Schmelzdiagramm der kontinuierlichenMischkristallreihe Forsterit - Fayalit
Das Das ErdinnereErdinnere
Mantel:Mantel:Peridotite (ultramafisch)Peridotite (ultramafisch)
ObererOberer MantelMantel bisbis 410 km (410 km (OlivinOlivin →→ SpinellSpinell) ) Low Velocity LayerLow Velocity Layer 6060--220 km220 km
Transition ZoneTransition Zone WellengeschwWellengeschw. . steigtsteigt660 660 SpinellSpinell →→ PerovskitPerovskit--TypTyp
SiSiIVIV →→ SiSiVIVI
UntererUnterer MantleMantle weiterweiter langsamerlangsamer GeschwGeschw. . AnstiegAnstieg
Figure 1-2. Major subdivisions of the Earth. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.
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