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Geochemie I Prof. Dr. K. Mengel WS 2006/2007 Institut für Mineralogie und mineralische Rohstoffe.

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1 Geochemie I Prof. Dr. K. Mengel WS 2006/2007 Institut für Mineralogie und mineralische Rohstoffe

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3 Masse-% z. B. Basalt SiO TiO Al 2 O Fe 2 O FeO8.58 MnO0.168 MgO7.23 CaO11.4 Na 2 O2.26 K2OK2O0.52 P2O5P2O H2OH2O0.21 CO Summe Fe tot als Fe 2 O Tab.1Die chemischen Hauptkomponenten folgender Elemente als Oxide,

4 Kasten 1: Massen-%, ppm, ppb, ppt 100Massen-%entspricht10 6 Teilen in 10 6 Teilen 10 6 ppm 10Massen-% 10 5 ppm 1Massen-% 10 4 ppm 0,1Massen-% 1000ppm 0,01Massen-% 100ppm 1ppm 1000ppb 0,01ppm 10ppb 0,001ppm 1ppb 0,001ppb 1ppt Beispiele: 5400ppm=0,54Massen-% 1630ppb=1,63ppm 0,028ppm=28ppb 2560ppt=2,56ppb

5 Li Rb Cs Alkalien Sr Ba Erdalkalien Sc Ti V Cr Co Ni Cu Zn 3-d-Übergangselemente 3-d Y Zr Nb Hf Ta Elemente mit höherer Ladungsdichte HFSE La Lu Seltene Erden REE Pb Th U Schwere Elemente F Cl Br Halogene Tab.2 Die am häufigsten betrachteten Nebenbestandteile und Spurenelemente

6 Gitterplatz Koordination IR ( Å ) Ladung Austausch mit.. Beispiel Si[4]4+ Al [4] Si Al[6] Fe Cr Fe[6] Al Cr 3+ Fe[6] Mg Mn 2+ Mn[6] Mg Fe 2+ Ca[6]1.002+Na1+ Na [8] K K [12] Na1+ Tab.3 gegenseitiger Ersatz von chemischen Hauptkomponenten

7 Hauptelemente Spurenelemente und Nebenbestandteile Ladung Koord. IR (Å) Ladung IR (Å) Beispiel Al3+[6]0.535Cr K(Al,Cr) 3 [AlSi 3 O 10 |OH] Fe2+[6]0.61Co Zn (Fe,Co,Zn)O · Fe 2 O 3 Mg2+[6]0.720Ni Co (Mg,Ni) 2 SiO 4 Ca2+[8]1.12Sr Ba La Lu (Ca, Sr, Ba)Al 2 Si 2 O 8 K1+[12]1.64Rb Cs (Ba) (K,Rb,Cs)Al 3 (AlSi 4 O 10 |OH) Tab.4 Beispiele für den Einbau von Spurenelementen auf Kristallgitterplätze von Hauptelementen

8 Periodensystem der Elemente HHe LiBeBCNOFNe NaMgAlSiPSClAr KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr RbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXe CsBa La * HfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRn FrRa Ac ** RfDbSgBhHsMtDsRg * CePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu ** ThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr

9 Kasten 2: Ionenradius und Ladung der Seltenen Erden (REE) In der Natur liegen die REE immer als dreiwertige Kationen vor, Ausnahmen sind Ce 4+ und Eu 2+. Die Ionenradien der dreiwertigen REE nehmen von La bis Lu ab. Die Differenz im Ionenradius zwischen La und Lu beträgt fast 20 %. Wegen der sehr großen Ähnlichkeit benachbarter REE z. B. La und Ce oder Yb und Lu sind diese in ihrem geochemischen Verhalten sehr ähnlich. Jedoch kann das Ce 4+ sehr deutlich unterschiedlich im Vergleich mit La 3+ und Pr 3+ reagieren. Dies ist der Fall bei stark oxidierenden Bedingungen. Bei reduzierenden Bedingungen wird das Verhalten von Eu 2+ entkoppelt von den benachbarten REE Sm 3+ und Gd 3+. Ce 4+ Eu 2+

10 Mischkristalle 1. Beispiel:Olivin (Mg,Fe) 2 SiO 4 : EndgliedForsteritMg 2 SiO 4 Endglied Fayalit Fe 2 SiO 4 100%75%50%25%0 %Mg 0%25%50%75%100 %Fe Die Mischung beider Endglieder ist lückenlos. Mg 2 SiO 4 Mg 1.5 Fe 0.5 SiO 4 MgFeSiO 4 Mg 0.5 Fe 1.5 SiO 4 Fe 2 SiO 4

11 Mischkristalle 2. Beispiel: Feldspäte : EndgliedKalifeldspat (Orthoklas) KAlSi 3 O 8 EndgliedNatriumfeldspat (Albit)NaAlSi 3 O 8 EndgliedCalciumfeldspat (Anorthit)CaAl 2 Si 2 O 8 Or An Al

12 Mischkristalle 3. Beispiel: Pyroxene (Ca,Fe,Mg) 2 Si 2 O 6 EndgliedDiopsidCaMgSi 2 O 6 EndgliedHedenbergitCaFeSi 2 O 6 EndgliedEnstatitMg 2 Si 2 O 6 EndgliedFerrosilitFe 2 Si 2 O 6 Opx Cpx Mischungslücke

13 Kasten 3: Mischungslücken und Solvus Die Mischungsverhältnisse von Endgliedern kann u. a. von Temperatur und Druck abhängen. Oft steigt mit zunehmender Temperatur die Mischbarkeit von Endgliedern. In einem T-X-Diagramm beschreibt der Solvus die Temperaturkurve, oberhalb welcher eine vollständige Mischbarkeit vorhanden ist. Die Fläche unterhalb des Solvus beschreibt die Mischungslücke. Beispiel: Diopsid CaMgSi 2 O 6 und Enstatit Mg 2 Si 2 O 6 Innerhalb der Mischungslücke koexistieren also zwei Minerale: Enstatit mit geringen Gehalten von Diopsid im Gitter (En ss ) und Diopsid mit geringen Gehalten von Enstatit im Gitter (Di ss ); ss steht für solid solution. Die Anteile von Di in En und von En in Di sind temperaturabhängig. Enstatit Diopsid En ss + Di ss Solvus T [°C] T [°C]

14 Spurenelemente: kompatibel vs. inkompatibel : Beispiel 1: Silikatische Schmelze mit Mg 2+, SiO 4- (Hauptkomponenten) und Ni 2+ (Spurenelement) in Lösung und koexistierendem Kristall Mg 2 SiO 4 [C s (Ni) > C l (Ni)]. : Mg 2+, SiO 4- ( ) Ni 2+ ( ) Mg 2 SiO 4 [C s (Ni) > C l (Ni)] Mg 2+ SiO 4 4- Ni 2+

15 Spurenelemente: kompatibel vs. inkompatibel : Beispiel 2: In einem stark eingedunsteten Meerwasser mit den Hauptkomponenten Na + und Cl - kristallisiert das Mineral Halit (NaCl). Br - ist als Spurenelement in der Meerwasser-Lösung vorhanden. : ( Na + Cl - ), NaCl. Br -. Na + Br - Cl -

16 Kasten 4: Spurenelementanreicherung und -Verarmung in einer Flüssigkeit im Gleichgewicht mit einem Festkörper, f C0C C l bei inkompatiblem Verhalten eines Spurenelements f C0C C l bei kompatiblem Verhalten eines Spurenelements

17 Element 1H2.66· He1.8·10 9 3Li60 4Be1.2 5B9 6C1.11·10 7 7N2.31·10 6 8O1.84·10 7 9F780 10Ne2.6· Na6.0· Mg1.06· Al8.5· Si1.00· P6500 Element 31Ga38 32Ge117 33As6.2 34Se67 35Br9.2 36Kr Rb6.1 38Sr Y4.8 40Zr12 41Nb0.9 42Mo Ru1.9 45Rb4.0 Element 16S5.0· Cl Ar1.06· K Ca6.25· Sc31 22Ti V254 24Cr1.27· Mn Fe9.0· Co Ni4.78· Cu540 30Zn1260 Tab.5 Kosmische Elementhäufigkeiten in Atomen pro 10 6 Atome Si ( 10 6 )

18 Element 46Pd1.3 47Ag Cd In Sn3.7 51Sb Te6.5 53I Xe Cs Ba4.8 57La Ce1.2 59Pr Nd0.79 Element 76Os Ir Pt Au Hg Tl Pb2.6 83Bi Th U0.027 Element 61 62Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb0.2 71Lu Hf Ta W Re0.051 Tab.5 Kosmische Elementhäufigkeiten in Atomen pro 10 6 Atome Si (Fortsetzung ) ( 10 6 )

19 Logarithmische Darstellung der Häufigkeit der Elemente im Kosmos

20 Erdkruste 3 – 10 km Tiefe bzw. 0 – 40 km Tiefe Oberer Erdmantel 40 – 670 km Tiefe Unterer Erdmantel 670 – 2900 km Tiefe Erdkern 2900 – 6300 km Tiefe Schalenaufbau der Erde

21 Tab.6 Schalenaufbau der Erde Masse [g] Dichte Masse-% Erde 6· Kern 2· Mantel 4· Erdkruste 1.4· Meerwasser 5·

22 Tab.7 Erdkern Masse-% Erdkern Fe85 Ni5.2 Co0.25 Cr0.9 S1.9 C0.2

23 Tab.8 Chemische Hauptkomponenten Erdmantel: : Gew.-% Gesamter Mantel Oberer Mantel SiO TiO Al 2 O FeO88.13 MnO0.13 MgO CaO Na 2 O K2OK2O

24 Tab.9 Spurenelemente Erdmantel: ppm Gesamter Mantel Oberer Mantel Li0.832 Sc138.2 V12850 Cr Co Ni Cu2813 Zn5056 Rb Sr Y Zr8.318 Nb Cs Ba5.1 La Ce ppm Gesamter Mantel Oberer Mantel Pr0.206 Nd Sm Eu Gd0.459 Tb Dy0.572 Ho0.128 Er0.374 Tm0.054 Yb Lu Hf Ta Pb Th U

25 Tab.10Chemische Zusammensetzung der ozeanischen Kruste: : Gew.-%Average MORBN-MORB SiO TiO Al 2 O FeO MnO MgO CaO Na 2 O K2OK2O

26 Tab.11 Spurenelemente in der ozeanischen Kruste: ppmAverage MORBN-MORB Li8.8 Sc V252 Cr317 Co Ni Cu Zn78 Rb Sr Y Zr Nb Cs Ba La Ce ppmAverage MORBN-MORB Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho1.342 Er Tm Yb Lu Hf Ta Pb Th U

27 Ozeanische Kruste

28 Tab.12Chemische Zusammensetzung der Kontinentalen Kruste: : Gew.-%Gesamtkruste Obere Kruste Untere Kruste SiO TiO Al 2 O FeO MnO MgO CaO Na 2 O K2OK2O P2O5P2O5

29 Tab.13 Spurenelemente in der kontinentalen Kruste: ppm Gesamtkruste Obere Kruste Untere Kruste Li Sc V Cr Co Ni Cu Zn Rb Sr Y Zr Nb Cs Ba La Ce ppm Gesamtkruste Obere Kruste Untere Kruste Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb2.2 Lu Hf Ta Pb8204 Th U

30 Kontinentale Kruste

31 Tab.14 Chemische Hauptkomponenten von Granitoiden: Gew.-%Tonalite Granite SiO TiO Al 2 O FeO MnO MgO CaO Na 2 O K2OK2O P2O5P2O

32 Tab.15 Spurenelemente in Granitoiden: ppmTonalite Granite Li19 Sc1112 V10356 Cr38 Co16 Ni1913 Cu1911 Zn6162 Rb64217 Sr Y2232 Zr Nb8.812 Cs3.2 Ba La23 Ce5364 ppmTonalite Granite Pr8.5 Nd25 Sm4.9 Eu1.4 Gd4.2 Tb0.75 Dy3.5 Ho0.9 Er1.9 Tm Yb2.4 Lu0.37 Hf4.6 Ta1.1 Pb Th6.418 U1.74

33 Tab.16 Chemische Zusammensetzung von Sedimentgesteinen: : Gew.-% Tonschiefer Grauwacke SiO TiO Al 2 O FeO MnO MgO CaO Na 2 O 1.23 K2OK2O 3.72 P2O5P2O

34 Tab.17 Spurenelemente in der kontinentalen Kruste: ppm Tonschiefer Grauwacke Li75 Sc16 V15098 Cr Co2315 Ni5524 Cu5024 Zn8576 Rb16072 Sr Y2726 Zr Nb198.4 Cs152.2 Ba La3834 Ce8058 ppm Tonschiefer Grauwacke Pr Nd3225 Sm Eu Gd4.74 Tb Dy Ho10.78 Er Tm0.4 Yb Lu Hf53.5 Ta Pb Th14.69 U3.12

35 Tab.18 Chemische Zusammensetzung des Meerwassers Kationen ppm Na11000 Mg1300 K390 Ca410 Sr8 Rb0.12 Ba0.02 Li0.170 Mo0.01 U0.003 Ti0.001 Fe0.003 Al0.001 Pb Anionen ppm Cl CO 3 2- SO 4 2- Br - 37 F-F- 1.3 I-I- 0.06


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