Diffusion-diffusive Phasetransformationen in Alkalifeldspat

• Antragsteller: Professor Dr. Sergiy Divinski
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429191048

Alkalifeldspat ist eine binäre Mischphase zwischen Albit (NaAlSi3O8) und Kalifeldspat (KAlSi3O8) und gehört zu den häufigsten Mineralgruppen in der Erdkruste. Während Veränderungen der Druck- und Temperaturbedingungen durchläuft er mehrere Phasentransformationen, welche Mikrostrukturen wie Verzwilligung, Flechtstruktur oder Entmischungslamellen erzeugen, die genetische Information enthalten. Bei hohen Temperaturen zeigt Alkalifeldspat vollkommene Mischbarkeit. Unter etwas 600^C öffnet sich eine Mischungslücke. Während des Abkühlens von Super-Solvus Temperaturen entmischt intermediärer Alkalifeldspat und bildet eine Verwachsung von Na-reichen und K-reichen Lamellen, die als Perthit bezeichnet werden. Nach der Bildung sind die Lamellen einer Vergröberung und zunehmenden chemischen Segregation unterworfen, beide Prozesse sind zeit- und temperaturabhängig und wurden für geologische Ratenbestimmungen kalibriert. Bis dato ist die Genauigkeit der Rekonstruktion der thermischen Geschichte aus Perthiten beschränkt, weil die Kalibrierung vorwiegend auf Entmischungsexperimenten basiert, welche über alle zugrundeliegenden Prozesse einschließlich der Na-K Diffusion, der Bildung neuer Phasengrenzen und die Entwicklung von Kohärenzstress integrieren. Für eine verbesserte Quantifizierung der Entmischung muss jeder dieser Prozesse in unabhängigen Experimenten kalibriert und ihre gegenseitigen Wechselwirkungen verstanden werden.Wir werden ein Modell für die Na-K Interdiffusion entwickeln. Als Grundlage dient die Bestimmung der Na.- und K-Tracerdiffusionskoeffizienten inklusive deren Temperatur-, Zusammensetzungs-, Richtungs-, und Verformungsabhängigkeit mittels einer neuartigen Tracer-Interdiffusionstechnik. Dies wird durch ab-initio Modellierungen von Defekt- und Migrationsenergien, die in Molekulardynamik und Monte Carlo Simulationen weiterverwendet werden sollen, ergänzt. Schließlich werden Entmischungsexperimente durchgeführt und die nanometerskaligen Entmischungslamellen werden mittels Atom Probe Tomography analysiert. Dadurch wird erstmals eine direkte Bestimmung des kohärenten Solvus und der Diffusion in einem verzerrten Alkalifeldspatkristall möglich. Die Kombination des breiten Spektrums an theoretischen, experimentellen und analytischen Methoden machen dieses Projekt einzigartig und werden zu einer substantiellen Verbesserung der Möglichkeiten in der geologischen Ratenbestimmung basierend auf der Diffusion und auf diffusiven Phasentransformationen in Alkalifeldspat führen. Das Konsortium der beteiligten Wissenschaftler kombiniert Expertise in allen projektrelevanten Bereichen einschließlich den mineralogischen Hintergrund, Thermodynamik und diffusive Phasentransformationen (R. Abart), atomistische Modellierung (C. Dellago) sowie Theorie der Diffusion, Diffusionsexperimente, und Monte Carlo Simulation (S. Divinski).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Rainer Abart; Professor Dr. Christoph Dellago