Reaction rim growth in the systems MgO-SiO2 and CaO-MgO-SiO2: Diffusion pathways and the effect of water

Wachstum von Reaktionssäumen in den Systemen MgO-SiO2 und CaO-MgO-SiO2: Diffusionswege und der Einfluss von Wasser

  • Growth of reaction rims and metamorphic coronas is recorded in many metamorphic rocks. Various parameters such as pressure, temperature, time, the chemical composition of a system and the presence of fluids may affect reaction rim growth. Laboratory experiments are the method of choice to derive transport mechanisms, reaction rates and component mobilities in polycrystalline rims as a function of these parameters. The major goal of this study is to derive component mobilities in rim growth experGrowth of reaction rims and metamorphic coronas is recorded in many metamorphic rocks. Various parameters such as pressure, temperature, time, the chemical composition of a system and the presence of fluids may affect reaction rim growth. Laboratory experiments are the method of choice to derive transport mechanisms, reaction rates and component mobilities in polycrystalline rims as a function of these parameters. The major goal of this study is to derive component mobilities in rim growth experiments in the ternary system CaO-MgO-SiO2 and get a better understanding of the growth of complex natural coronas. In the first part, growth of a monomineralic, polycrystalline åkermanite (Ca2MgSi2O7) reaction rim between monticellite (CaMgSiO4) and wollastonite (CaSiO3) is investigated. Rim growth is solely controlled by MgO-diffusion with D(eff,MgO,Ak) = 10^(-15.8 +/- 0.1 m^2s^(-1)) at 1200°C and 0.5 GPa. Between 1000°C and 1200°C, the effective bulk diffusion coefficient follows an Arrhenius law with Ea = 204 ± 18 kJ/mol and D0 = 10^(-8.6 +/- 1.6 m^2s^(-1)). With increasing run duration, growth of åkermanite grains led to a successive decrease of the grain boundary area fraction. This does not affect , which implies that rim growth is essentially controlled by volume diffusion. The second part focuses on the effect of small, undefined amounts of water on the microstructure of bimineralic diopside (CaMgSi2O6) - merwinite (Ca3MgSi2O8) reaction rims growing between monticellite and wollastonite at 900°C and 1.2 GPa. Overall rim growth rates are solely controlled by diffusion of MgO with D(eff,bulk,MgO,di+mer) = 10^(-16.3 +/- 0.2 m^2s^(-1)) and are not affected by an increasing water concentration, at least in the range of the conditions used in this study. A “cellular” microstructure of alternating palisade-shaped diopside and merwinite grains elongated normal to the reaction front develops at relatively dry conditions, if MgO is substantially more mobile than the other components CaO and SiO2. A “segregated multilayer” microstructure with almost perfectly separated monomineralic merwinite | diopside | merwinite layers oriented parallel to the reaction fronts develops, if either CaO or SiO2 or both have relatively high diffusivities that are comparable to MgO-diffusivities. The fact that a segregated microstructure develops at more humid conditions implies that small amounts of water may significantly change relative component mobilities and, consequently, the internal rim organization. In the third part, the effect of small amounts of water on multilayered reaction rim growth is discussed. The usage of OH-doped periclase (MgO) as starting material provides a method to introduce very small controlled amounts of water on the ppm-level in rim growth experiments. Growth of a forsterite (Mg2SiO4)-enstatite (MgSiO3) double-layered reaction rim between periclase and quartz (SiO2) in presence or absence of minute amounts of water shows that changes in the present water concentration affect the forsterite-enstatite thickness ratio and therefore the relative mobility of the growth rate controlling component(s) between the layers of a reaction rim. Rim growth reactions between periclase and wollastonite in presence of various water concentrations show that small amounts of water are a necessary catalyst to nucleate metamorphic reaction products. The water concentration that is required to nucleate åkermanite is smaller than for forsterite, followed by monticellite and finally merwinite. The final succession in presence of a water concentration allowing the nucleation of all product phases gives reaction rims with the sequence periclase | forsterite | monticellite | merwinite | åkermanite | wollastonite. This study shows that minute amounts of water do not only affect the overall growth rate but also the microstructure, the relative thickness ratios and the sequences and overall organization of reaction rims.show moreshow less
  • Metamorphe Koronen sind ein typisches Merkmal metamorpher Gesteine. Das Saumwachstum wird von zahlreichen Parametern wie Druck, Temperatur, der Zeit, der chemischen Zusammensetzung und der Anwesenheit von Fluiden beeinflusst. Anhand von Laborexperimenten lassen sich Transportmechanismen, Reaktionsraten und Komponentenmobilitäten in Reaktionssäumen als Funktion dieser Parameter bestimmen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Komponentenmobilitäten im ternären System CaO-MgO-SiO2 zu bestimmen und anhandMetamorphe Koronen sind ein typisches Merkmal metamorpher Gesteine. Das Saumwachstum wird von zahlreichen Parametern wie Druck, Temperatur, der Zeit, der chemischen Zusammensetzung und der Anwesenheit von Fluiden beeinflusst. Anhand von Laborexperimenten lassen sich Transportmechanismen, Reaktionsraten und Komponentenmobilitäten in Reaktionssäumen als Funktion dieser Parameter bestimmen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Komponentenmobilitäten im ternären System CaO-MgO-SiO2 zu bestimmen und anhand dessen ein besseres Verständnis für das Wachstum komplexer natürlicher Koronen zu erlangen. Der erste Teil behandelt das Wachstum eines monomineralischen, polykristallinen Åkermanitsaumes (Ca2MgSi2O7) zwischen Monticellit (CaMgSiO4) und Wollastonit (CaSiO3). Das Saumwachstum wird bei 1200°C und 0.5 GPa ausschließlich durch die Diffusion von MgO kontrolliert und lässt sich mit D(eff,MgO,Ak) = 10^(-15.8 +/- 0.1 m^2s^(-1)) beschreiben. Zwischen 1000°C und 1200°C folgt einer Arrheniusbeziehung mit Ea = 204±18 kJ/mol und D0 = 10^(-8.6 +/- 1.6 m^2s^(-1)). Mit zunehmender Reaktionsdauer führt Kornwachstum zu einer Abnahme der Korngrenzdichte im Saum. Die Tatsache, dass dies keine Auswirkungen auf hat weist darauf hin, dass es sich beim Transport von MgO im Saum überwiegend um Volumendiffusion handelt. Im zweiten Teil wird der Einfluss sehr kleiner Wassermengen auf die Mikrostruktur bimineralischer Diopsid (CaMgSi2O6) - Merwinit (Ca3MgSi2O8) Reaktionssäume diskutiert, die sich bei 900°C und 1.2 GPa zwischen Monticellit und Wollastonit bilden. Das Gesamtsaumwachstum wird ausschließlich durch die Diffusion von MgO D(eff,bulk,MgO,di+mer) = 10^(-16.3 +/- 0.2 m^2s^(-1)) kontrolliert, wobei die Reaktionsrate nicht durch zunehmende Wasserkonzentrationen, zumindest von solchen im Rahmen dieser Studie angewendeten, ,beeinflusst. Eine zelluläre Mikrostruktur, die sich durch pallisadenförmige, alternierende senkrecht zur Reaktionsfront angeordnete, Diopsid-, und Merwinitkörner auszeichnet, bildet sich ausschließlich, wenn MgO deutlich mobiler ist als CaO und SiO2. Eine lagige Mikrostruktur, die sich durch eine parallel zu den Reaktionsfronten angeordnete Abfolge Merwinit | Diopsid | Merwinit auszeichnet, bildet sich, wenn entweder CaO oder SiO2 oder beide eine ähnliche Diffusivität aufweisen wie MgO. Die Tatsache, dass sich eine lagige Mikrostruktur bevorzugt bildet, wenn höhere Wasserkonzentrationen vorliegen, lässt darauf schließen, dass die Verfügbarkeit von kleinen Wassermengen entscheidenden Einfluss auf die relativen Komponentenmobilitäten und folglich die Mikrostruktur von Reaktionssäumen hat. Der dritte Teil behandelt den Einfluss kleiner Wassermengen auf mehrlagige Saumabfolgen. Die Verwendung von OH-gedoptem Periklas (MgO) als Ausgangsmaterial gibt uns die Möglichkeit sehr kleine, quantifizierbare Wassermengen in Saumwachstumsexperimente einzubringen. Anhand des Wachstums eines Forsterit (Mg2SiO4) - Enstatit (MgSiO3) Doppelsaumes lässt sich zeigen, dass Änderungen in der Wasserkonzentration das Dickenverhältnis der beiden Phasen und folglich das Verhältnis der relativen Mobilität der saumwachstumskontrollierenden Komponente(n) zwischen den einzelnen Phasen beeinflussen. Saumwachstumsexperimente zwischen Periklas und Wollastonit bei variierenden Wasserverfügbarkeiten zeigen, dass Wasser für die Nukleation metamorpher Reaktionsprodukte als Katalysator benötigt wird. Die minimale Wasserkonzentration, welche für die Nukleation von Åkermanit benötigt wird, ist kleiner als diejenige für Forsterit, gefolgt von Monticellit und Merwinit. Bei ausreichend hoher Wasserkonzentration ergibt sich die Abfolge Periklas | Forsterit | Monticellit | Merwinit | Åkermanit | Wollastonit. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass Wasser nicht nur die Reaktionsrate, sondern auch die Mikrostruktur, das relative Dickenverhältnis und die Saumabfolge von Reaktionssäumen beeinflusst.show moreshow less

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Metadaten
Author: Bastian Joachim
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-32198
Advisor:Prof. Dr. Wilhelm Heinrich
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2011/10/17
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Date of final exam:2011/07/13
Release Date:2011/10/17
Tag:Diffusion; Kalksilikate; Kinetik; Reaktionssaum; Wasser
calc-silicates; diffusion; kinetic; reaction rim; water
Institutes:Institut für Angewandte Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:550 Geowissenschaften
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