FTIR-spektroskopische Analyse von Hydroxid in natürlichen Olivinen : eine Charakterisierung von OH-Signaturen
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Obwohl Olivin ein nominal wasserfreies Mineral (NAM = engl. nominal anhydrous mineral) ist, kann es geringe Mengen Wasserstoff in sein Kristallgitter einbauen, was den Erdmantel zu einem wichtigen Wasserreservoir macht (s. z. B. LIBOWITZKY & BERAN 2006). Darüber hinaus ist Olivin eines der Hauptminerale in primitiven Magmen. Der H+-Einbau erfolgt in Gitterdefekte, die insbesondere Leerstellen (Vakanzen) innerhalb der beiden energetisch ungleichen MgO6-oktaedrischen oder SiO4-tetraedrischen Positionen darstellen (s. z. B. BERAN & PUTNIS 1983). Ziel dieser Doktorarbeit ist die Untersuchung der Mechanismen des H+-Einbaus in die Strukturen natürlicher Olivin-Einkristalle verschiedener Vorkommen und Genesetypen. So sollen Rückschlüsse auf die Bildungsbedingungen gezogen werden können. Darüber hinaus soll die Rolle von Olivin als Wasserreservoir im Erdmantel (sofern möglich) bewertet und die Schmelzeigenschaften in magmatischen und vulkanischen Systemen untersucht werden. Hauptanalysewerkzeug ist die hochsensitive FTIR-Spektrometrie, die sich gut für die Detektion der IR-aktiven OH-Dipole eignet. Die OH-Signaturen von 75 Olivinen aus 16 verschiedenen Vorkommen wurden (als Grundlage einer Datensammlung) detailliert charakterisiert, indem mittels Computer-gestützter Peak-Fitting-Prozedur jeder Peak identifiziert wurde.
Durch chemische Charakterisierung (Elektronenstrahl-Mikrosonde (EMS) und Massenspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma und Laserablation (LA-ICP-MS)) wurden Forsterit-reiche Olivine mit Fo89,6 - Fo95,5 ausgemacht. Um die Orientierung der OH-Dipole im orthorhombischen Olivengitter zu untersuchen, wurden orientierte Proben-Würfel hergestellt. Aufgrund der Kristallsymmetrie müssen drei polarisierte FTIR-Spektren je Probe aufgezeichnet werden: Eines bei einer Ausrichtung des elektrischen Feldvektors E der polarisierten Strahlung parallel zur a-, eines zur b- und eines zur c-Achse. Die OH-Spektren (3.100 – 3.750 cm-1) ergaben insgesamt 47 Peaks, die alle bereits aus früheren Arbeiten bekannt waren. Dabei treten durchwegs dieselben Peaks mit demselben polarisationsabhängigen Verhalten innerhalb eines Vorkommens auf, während die Variabilität zwischen den Vorkommen groß ist. Kein einzelner OH-Peak ist vorkommenspezifisch, jedoch die Peak-Verhältnisse. Jeder Peak oder jede Peak-Gruppe beruht auf einem bestimmten Einbaumechanismus. Somit stellt die OH-Signatur eines Olivins einen Fingerabdruck für die Bedingungen während des Kristallwachstums dar und dient der Bestimmung des Vorkommens. Dies wurde bereits von MILLER et al. (1987) entdeckt, aber die Bedeutung für die Edelsteinindustrie durch die Nachfrage nach „Fairtrade-Edelsteinen“ mit sicheren Herkunftsnachweisen blieb damals unberücksichtigt.
Gemäß dem Gesetz von Bouguer-Lambert-Beer, kann der OH-Gehalt anhand des FTIR-Spektrums berechnet werden, ist jedoch in der Literatur umstritten (s. z. B. BELL et al. 2003). Grund sind die vielen, unterschiedlichen Substitutionsmechanismen in Olivin, die während der Kristallisation entstanden und möglicherweise durch Metamorphose verändert wurden und spezifische molare (dekadische) Absorptionskoeffizienten aufweisen (KOVÁCS et al. 2010).