Verwitterungsindex von kompakten Naturbausteinen anhand der in-situ-Fe-Mößbauer-Spektroskopie
Final Report Abstract
Die entscheidenden Ergebnisse des Projekts sind grundlegend inhaltlicher und methodischer Natur. 1. Das Projekt macht eine längst überfällige Diskussion deutlich, die bislang wenig explizite zu Verwitterungsbeurteilungen und Verwitterungsindizes im Spannungsfeld von akademischer Grundlagenforschung und angewandt bautechnischer Praxis geführt wurde. 2. Im Projekt wurde die Transmission-Mößbauerspektroskopie ergänzt durch die entsprechende Reflexionsmethode MIMOS II, die große Bestrahlungsflächen mit allerdings nur eingeschränkten selektiven Bestimmungen erlaubt, eingesetzt. Die Aussagekraft der Methode wird durch Einsatz verschiedener Energien definiert, die unterschiedliche Tiefenauflösungen und damit das Erkennen des räumlichen Fortschreitens der Verwitterung wie beispielsweise an den Biotiten ermöglichen. Hiermit zwingend zu kombinieren sind optisch mikroskopische, insbesondere lokal auflösende Röntgenbeugungs-, Mikrosonden- und CT-Messungen. Wie mit den Messungen am Rosengranit und an der Gesteinsprobe von Brotterode gezeigt werden konnte, ist die Feststellung des tiefenabhänginen Verwitterungsgrades mittels Reflexionsmessung mit MIMOS II möglich. Hierbei ist eine Fokussierung auf den Biotit wesentlich, da Pyroxen und Hornblende als Indikator für selektive Beurteilungen des Verwitterungszustandes nicht geeignet sind. Für Außenmessungen mit MIMOS II sind die Strahlungssicherheitsfragen zu klären. 3. Es sind neben den bekannten verwitterungsanfälligen hellen alumo-silikatischen Mineralen wie Feldspäte, mafische, insbesondere Fe-dominierte Minerale wie Biotit bezüglich des Potentials zur Ableitung eines Verwitterungsindexes im Zusammenhang mit Feldspäten zu diskutieren. 4. Es wurde erarbeitet, dass Pyroxene und Hornblenden aufgrund des Zerfallsverhaltens bzw. primär enthaltenem Magnetit nicht zum Erkennen von Frühstadien der Verwitterung in Frage kommen, jedoch durch Verwitterung kristallchemisch veränderte Biotite, selbst wenn sie inhomogen erscheinen, geeignet sind. 5. Zukünftig müssen hochauflösende Labormethoden und mobile Verfahren mit kristallchemischen Aspekten zusammengeführt werden. 6. Es sind Forschungen in Angriff zu nehmen, die auf statistischem Wege die von uns erarbeiteten kristallchemischen Daten zusammen mit Literaturdaten auf petrophysikalische Zustände und Interpretationsmöglichkeiten zu extrapolieren. Dadurch werden neue Wege zur Erfassung des Verwitterungszustandes von magmatischen Naturwerksteinen an Monumenten eröffnet. Die Ergebnisse werden derzeit auf die Gesteine der Kirche in Thekla und der Gletschersteinpyramide in Leipzig-Stötteritz angewendet. 7. Unsere Projektansätze beziehen sich in Relation zu bisher im Wesentlichen auf leukokrate Minerale wie Feldspäte und deren Verwitterung angelegten Studien auf Biotite, deren Fe-oxidative Zustände wesentlich früher als Feldspäte auf Verwitterungsbedingungen und -dynamiken reagieren. Dies zeigen nicht nur Hochtemperatur-, sondern auch Lösungsexperimente, die neben einer frühzeitigen Eluation von vor allem Ca aus Feldspäten zu einer intrakristallinen Fe-Oxidation in Biotiten belegen. Während Feldspäte durch Eluation ohne zeitlich große Differenz zwischen mikroskopischen und makroskopischen Effekten zerfallen, zeigen Biotite eine sehr frühe, d.h. einem status nascendi zuzuordnende intrakristalline Fe-Oxidation, ohne dass der Biotit als Ganzes umgewandelt wird. 8. Die verschiedenen Methoden, insbesondere die Mößbauer Spektroskopie zeigen, dass der Biotit trotz inhomogenen Gefüges die pauschale Verwitterungssituation kristallchemisch abbildet. Die Tiefenprofile im mm Bereich leisten im Vergleich mit den Verwitterungseffekten im cm Bereich einen kritischen Beitrag zu den Begriffen „frische“ und veränderte Gesteine. Diese Daten werden durch unterschiedlich Verwitterungsexperimente bei höheren Temperaturen (bis 850°) und in sauren Lösungen (pH ~3) von bis zu 2.5 Jahren ergänzt. 9. Die Studien erlauben kombiniert mit bekannten Daten zum Verwitterungsverhalten von Feldspäten eine differenzierte multimethodische Beweisführung zur Frage akademisch mikroskopischer und bautechnisch makroskopischer Verwitterungsbeurteilungen und entsprechender Indizes anhand der Fe2+/Fe3+-Verhältnisse in Biotiten, nicht aber von Hornblende und Pyroxen. Hiernach ist auch der Begriff sog. frischer und verwitterter Gesteine auch in Bezug auf petrophysikalisch bautechnische Anwendung zu differenzieren. 10. Auf der Grundlage unserer Daten sind systematische Studien mittels XRD und Mößbauer Spektroskopie sowie die optische Mikroskopie angezeigt, die Bitotiteinkristalle reduzierend bis zu minimalen und oxidierend bis zu maximalen Fe3+-Gehalten ohne Phasenzerfall charakterisieren. Diese analytischen Daten sind dann zur Erstellung eines Indexes zu verwerten, der die verwitterungsabhängigen Fe2+/Fe3+ Verhältnisse in Biotit nutzt.
Publications
- 92nd Annual Meeting Deutsche Mineralogische Gesellschaft, Jena, 21–24 September 2014,P06 (89-90): The weathering of magmatic rocks: an approach to quantify the process by an index
K. Bente, G. Sobott, H.-J. Höbler, G. Klingelhöfer
- Studies on early stage weathering of mafic minerals in magmatic rocks - GNAA Mainz 2015
K. Bente, R. Sobott, T. Münster, H.-J. Höbler, G. Klingelhöfer, G. Redhammer
