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Coherence strain effects in alkali feldspar
Katharina Sarah Scheidl
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Betreuer*in
Rainer Abart
DOI
10.25365/thesis.21958
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29930.39029.304070-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Millimeter große Alkalifeldspatwürfel mit polierten (010) und (001) Flächen wurden mit NaCl– KCl-Salzschmelze ausgetauscht. Die Ausgangszusammensetzungen der Sanidine mit Edelsteinqualität betrugen XOr = 0.84 und XOr = 0.72. Die Experimente wurden in Quarzglasröhrchen unter Atmosphärendruck bei 850 °C mit einer Laufzeit von 8 Tagen durchgeführt. XKCl der Salzschmelze wurde auf Grundlage des Austauschdiagramms von Alkalifeldspat und NaCl – KCl so gewählt, dass Sanidin zu Albit-reicheren Zusammensetzungen verschoben wurde. Der Austausch des Feldspates mit der Salzschmelze findet durch Interdiffusion der Kationen statt, während das Tetraeder-Gitter nicht verändert wird.
Ab einem kritischen Ausmaß der Zusammensetzungänderung bildet sich ein hierarchisches Rissmuster aufgrund der Zusammensetzungsabhängigkeit der Gitterparameter. Das deutlich ausgebildete Set an parallelen Rissen verläuft entlang (h0l) und schließt einen Winkel von 83° für einen Sanidin mit der Ausgangszusammensetzung XOr = 0.84 und einen Winkel von 73° für einen Sanidin mit der Ausgangszusammensetzung XOr = 0.72 mit der [001] Richtung ein (gemessen von der positiven [001] Richtung zur positiven [010] Richtung). Lokal bildet sich ein zweites Set an Rissen, das entlang der (010) Spaltebenen verläuft.
Das Rissmuster wird aufgrund der starken Anisotropie der Gitterparameter der Alkalifeldspate erzeugt. Bei der Zusammensetzungänderung von einem Kalium-Feldspat zu einem Natrium-Feldspat verkürzt sich die [001] Richtung 5-mal stärker als die [010] und die [001] Richtung. Durch Kationenaustausch bildet sich um das Sanidin-Korn ein Albit-reicher Saum. Da die beiden Gitter sich in der Größe unterscheiden wird der Saum, der den größeren und damit steiferen Kern umgibt, elastisch gedehnt. Sobald jedoch ein kritischer Wert in der Dehnung überschritten ist, bilden sich Risse. Die ersten Risse wurden bei einer Zusammensetzungänderung von 8 Mol.-% festgestellt, woraus sich eine Spannung von 343 MPa berechnen lässt.
Die Risse der ersten hierarchischen Ordnung sind senkrecht zur Richtung der maximalen Zugspannung orientiert, was für die Bildung von spröden Rissen zu erwarten ist. Die Risse haben dieselbe Orientierung wie die Entmischungslamellen von Alkalifeldspäten, die so orientiert sind, dass sie die Spannungsenergie, die durch das kohärente Gitter aufgebaut wird, minimieren. In die Risse der ersten Ordnung kann die Salzschmelze eindringen. Dadurch wird auf den Rissflächen eine neue Oberfläche parallel zu (h0l) für Kationenaustausch geschaffen. Auf diesen bildet sich erneut eine nicht passende Oberfläche in der sich senkrecht zur maximalen Zugspannung Risse bilden.
Die Risse der ersten Ordnung, die von den polierten Oberflächen aus losgehen, zeigen regelmassige Rissabstände, die mit zunehmender Zusammensetzungänderung enger werden. Aufgrund dieser Tatsache lässt sich eine Bruchzähigkeit von 400 MPa√mm für Alkalifeldspate bestimmen.
Abstract
(Englisch)
Several millimeter sized cubes of gem-quality alkali feldspars with a mole fraction of XOr = 0.84 and XOr = 0.72 and with polished (010) or (001) surfaces were reacted with a NaCl – KCl salt melt. These experiments were performed in quartz glass tubes at close to ambient pressure and temperatures of 850 °C at a time period of 8 days. The XKCl of the salt melt was varied on the basis of the Na/K fractionation data for feldspar – salt equilibria in order to shift the feldspar to more sodium-rich compositions. The exchange between the salt melt and the feldspar occurred during the Na+/K+ interdiffusion while the (Al, Si) tetrahedral framework remained intact.
When a critical composition shift is exceeded, a hierarchical system of cracks forms due to the composition dependence of the feldspar’s lattice parameters. The most noticeable set of subparallel cracks extends in a (h0l) plane, enclosing an angle of about 83° for sanidine with initial composition XOr = 0.84 and 73° for sanidine with initial composition XOr = 0.72 with the [100] direction (measured from positive [100] to positive [001]). Locally, a second set of cracks forms, which follows the (010) cleavage planes.
The crack pattern reflects the strong anisotropy of the chemically induced change in lattice parameters; shortening in the [100] direction exceeds that in the [010] and the [001] directions by a factor of five for a composition change of a potassium to a sodium feldspar. During the cation exchange an albite-rich misfitting surface layer develops onto the sanidine grain. In due to the stiffer substrate the surface layer is elastically strained until a critical value is reached and fracturing occurs. Crack formation is detected at a shift of 8 mol.-%; therefore a critical stress of 343 MPa can be calculated.
The first hierarchical level cracks are orientated perpendicular to the maximum tensile stress as it is expected for brittle fracturing. This is the same direction as it is observed for the perthitic exsolution lamellae which are orientated in a manner to minimize the coherence strain energy. These cracks are penetrated by the salt melt and form a new surface for cation diffusion. Hence, a new misfitting surface layer is formed and the second order cracks form perpendicular to the direction of maximum tensile stress within the (h0l) plane.
The first order cracks emanating from the polished surfaces show very regular spacing. The crack spacing decreases with increasing composition shift. Due to this fact the fracture toughness KIc for alkali feldspar is estimated about 400 MPa√mm.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
coherence strain alkali feldspar exchange experiments exsolution
Schlagwörter
(Deutsch)
Kohärenz Strain Alkalifeldspäte Austauschexperimente Entmischung
Autor*innen
Katharina Sarah Scheidl
Haupttitel (Englisch)
Coherence strain effects in alkali feldspar
Paralleltitel (Deutsch)
Kohärenz Straineffekte in Alkalifeldspäten
Publikationsjahr
2012
Umfangsangabe
54 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Rainer Abart
Klassifikation
38 Geowissenschaften > 38.25 Petrologie: Allgemeines
AC Nummer
AC10669609
Utheses ID
19615
Studienkennzahl
UA | 066 | 815 | |