Universität zu Köln

Vogel, Ingo Alexander (2005). Aktivitätskoeffizienten von Si und Cr in Fe-Ni-Legierungen und ihre Relevanz für die Thermodynamik planetarer Differentiationsprozesse. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Die Erde und viele andere planetare Körper besitzen Eisennickel-Kerne. Diese resultieren aus einer zumindest partiellen Aufschmelzung in der Frühphase ihrer Geschichte. Durch die Gravitation hat sich dabei das schwerere Metall vom leichteren Silicat abgetrennt und ist in den Mittelpunkt des Körpers gesunken. Auf diese Weise entstand daraus der Metallkern. Während dieses Segregationsprozesses stand das Metall im Gleichgewicht mit dem Silicat. Eine geringe Menge des Elements Silicium wird � abhängig von Temperatur und Sauerstoffpartialdruck � aus der Oxidationsstufe +IV zum elementaren Silicium reduziert. Dieses Si wandert in die Metallphase und wird mit ihr in den Kern extrahiert. Die Menge des Si im Fe-Ni-Kern ist demnach ein empfindlicher Indikator für Temperatur und Sauerstoffpartialdruck bei der Kernbildung. Die meisten Gruppen der Eisenmeteorite werden als Derivate solcher Metallkerne angesehen, die sich während des Aufschmelzens von Planetesimalen gebildet haben. Der Si-Gehalt in Eisenmeteoriten sollte daher Temperatur und Sauerstoffpartialdruck bei ihrer Bildung widerspiegeln. Bisher waren die Si-Gehalte in Eisenmeteoriten nicht bekannt, weil diese unter den Nachweisgrenzen der verwendeten analytischen Methoden (Elektronenstrahl- Mikroanalyse) liegen. Auch der zu weiteren Berechnungen notwendige Aktivitätskoeffizient von Silicium in Eisennickel-Legierungen war bisher nicht ausreichend bekannt. In dieser Arbeit wurden daher die Aktivitätskoeffizienten von Si in FeNi mittels Ofenexperimenten bestimmt. Dazu wurden als Modellsysteme Silicatschmelzen verwendet, die mit FeNi-Legierungen verschiedener Zusammensetzungen bei unterschiedlichen Temperaturen äquilibriert wurden. Der Si-Gehalt wurde dann per Elektronenstrahl-Mikroanalyse bestimmt und der Aktivitätskoeffizient gamma(Si Me) berechnet. Exemplarisch sollen hier die für Meteorite wichtigen Werte für einen Ni-Massenanteil von 0 (jeweils erster Wert) und 10 % (zweiter Wert) wiedergegeben werden: 1250 °C: 3,3E-4 und 2E-4; 1300 °C: 2,9E-4 und 2,1E-4; 1350 °C: 4,5E-4 und 2,5E-4; 1400 °C: 5,6E-4 und 4,5E-4. Der Aktivitätskoeffizient von Chrom in Eisennickel-Legierungen wurde auf ähnliche Weise bestimmt, indem festes Cr2O3 mit Metall äquilibriert wurde. Danach wurde ebenfalls eine Elektronenstrahl-Mikroanalyse des Cr-Gehalts im Metall durchgeführt und der Aktivitätskoeffizient gamma(Cr Me) berechnet. Wieder sollen hier die für Meteorite wichtigen Werte bei Ni-Massenanteilen von 0 und 10 % angegeben werden: 1300 °C: 2,2 und 1,9; 1350 °C: 0,72 und 3,03; 1400 °C: 1,52 und 1,34. In Kooperation mit dem Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques in Nancy, Frankreich, wurden mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie die Si- Gehalte verschiedener magmatischer und nicht-magmatischer Eisenmeteorite bestimmt. Sie liegen für alle untersuchten Eisenmeteorite bei ca. 0,2 µg/g. Zusammen mit den Aktivitätskoeffizienten von Si in FeNi konnten dann Äquilibrierungstemperaturen für Eisenmeteorite berechnet werden. Es zeigte sich, daß diese bei relativ niedrigen Werten um 1250 °C lagen. Durch Massenbilanzrechnungen konnte weiterhin gezeigt werden, daß die beobachteten niedrigen Si-Gehalte nur durch solche niedrigen Temperaturen in Verbindung mit niedrigen Sauerstoffpartialdrücken erklärt werden können. Dieselben Si-Gehalte könnten zwar auch mit höheren Sauerstoffpartialdrücken bei höheren Temperaturen erreicht werden, dies hätte aber gleichzeitig ein Ansteigen des Ni-Gehaltes des Kern zufolge. Die meisten Eisenmeteorite enthalten aber geringere Ni-Gehalte, womit eine Entstehung bei hohen Temperaturen und Sauerstoffpartialdrücken sehr unwahrscheinlich ist.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Activity coefficients of Si and Cr in Fe-Ni-alloys and their relevance for the thermodynamics of planetary differentiation processes English
Translated abstract:	Abstract Language The Earth and many other planetary bodies have metal cores, presumably of an alloy of Fe and Ni. These cores are the results of gravitational settling of metal in a completely or partially molten silicate. During the segregation process the metal equilibrated with liquid silicate. A small amount of the oxidized silicon � depending on temperature and oxygen partial pressure � was reduced to elemental silicon and .transported together with the metal into the core. The amount of Si in the Fe-Ni core is therefore a sensitive indicator for temperature and oxygen partial pressure during core formation. Most iron meteorites are probably derived from such metal cores. The amount of Si in iron meteorites should therefore reflect temperature and oxygen partial pressure during core formation. Until now, Si-contents in iron meteorites were not known, as they are below the detection limits of the analytical methods employed (electron-microprobe analysis). The activity coefficient of silicon in iron-nickel alloys, which is neccessary for further calculations, is also not well known. Therefore, activity coefficients of Si in FeNi were determined by furnace experiments. Silicate melts were equilibrated with FeNi-alloys of different composition at different temperatures. Si contents in the metal were then analyzed by electron probe microanalysis and the activity coefficients gamma(Si Me) were calculated. As an example the values relevant for iron meteorites, i.e. alloys with Ni-mass fractions of 0 (first value) and 10 % (second value), are given here: 1250 °C: 3.3E-4 and 2E-4; 1300 °C: 2.9E-4 and 2.1E-4; 1350 °C: 4.5E-4 and 2.5E-4; 1400 °C: 5.6E-4 and 4.5E-4. Activity coefficients of chromium in iron-nickel alloys were determined in a similar way: Solid Cr2O3 was equilibrated with metal. Cr contents in the metal was analyzed by electron probe microanalysis, and the activity coefficients gamma(Cr Me) were calculated. Results are 1300 °C: 2.2 und 1.9; 1350 °C: 0.72 und 3.03; 1400 °C: 1.52 und 1.34. In cooperation with the Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques in Nancy, France, Si contents in iron meteorites from different groups were determined by the means of a secondary ion mass spectrometer. Si-contents are about 0.2 µg/g for all investigated iron metorites. Combined with the activity coefficient of Si in FeNi the equilibration temperatures for iron meteorites of about 1250 °C were calculated. From mass balance calculation it could also be shown, that the observed low Si-contents could only be explained by low temperatures in combination wtih low oxygen partial pressures. Although similarly low Si-contents are achieved by higher oxygen partial pressures and higher temperatures, this possibility can be excluded as this would lead to an increased Ni-content in the core. Most iron meteorites, however, have lower Ni contents. This makes a formation at high temperature and oxygen partial pressure conditions very unlikely. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Vogel, Ingo Alexander ingo.vogel@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-17299
Date:	2005
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Ehemalige Fakultäten, Institute, Seminare > Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Institut für Mineralogie und Geochemie
Subjects:	Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Eisenmeteorite , Aktivitätskoeffizienten , Spurenelemente , FeNi-Legierungen , Planetenbildung German iron meteorites , activity coefficients , trace elements , FeNi-alloys , planet formation English
Date of oral exam:	16 February 2006
Referee:	Name Academic Title Palme, Herbert Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1729