Untersuchungen der heterogenen Ikaitbildung und Ikaittransformation als wichtige Prozesse bei der Genese stabiler Calciumcarbonatminerale
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Bildungs- und Transformationsbedingungen von metastabilem Ikait (CaCO3·6H2O) sind trotz seiner vielfältigen Vorkommen kaum erforscht. Wichtige Folgen des Auftretens von Ikait in den kalten Regionen der Erde, wie die potenziell großen Auswirkungen auf den polaren Kohlenstoffkreislauf oder die Nutzung als Indikator für niedrige Temperaturen, können daher nicht richtig beurteilt werden. Um zu einem besseren Verständnis des Auftretens von Ikait beizutragen, zielte das Projekt darauf ab, zentrale Aspekte der Bildungs- und Transformationskinetik genauer zu erforschen. Ein Schwerpunkt des Projekts lag auf Untersuchungen des Einflusses von Mineraloberflächen auf die Keimbildungskinetik von Ikait. Die Experimente wurden bei T = 0 °C in Gegenwart der ubiquitären Minerale Quarz und Glimmer durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten erstmals, dass die Anwesenheit von Mineraloberflächen die Keimbildung von Ikait gegenüber Vaterit und Calcit deutlich fördern kann und somit einen substanziellen Beitrag zur Ikait- Genese leisten kann. Zudem konnten über experimentelle Induktionszeiten erstmals quantitative Grenzflächenenergien für die Ikait-Keimbildung bestimmt werden. Diese experimentellen Daten ermöglichten bedeutende Rückschlüsse auf die grundlegende Bildungskinetik von Ikait. So bestätigten die Ergebnisse des Projekts einen niedrigschwelligen Bildungsmechanismus über eine Assemblierung aquatischer Ionenpaarkomplexe, der zuvor nur auf Basis struktureller Implikationen und durch DFT-Berechnungen postuliert worden war. Auch komplementäre Daten zur Wachstumskinetik von Ikait, die im Rahmen dieses Projekts gemessen wurden, bekräftigten diesen Bildungsmechanismus, der sich von den Mechanismen wasserfreier CaCO3-Minerale aufgrund des Wegfalls der kompletten Dehydratation der ionischen Bestandteile signifikant unterscheidet. Ein weiterer Schwerpunkt des Projekts lag auf Untersuchungen der Auswirkungen steigender Temperaturen (T = 0-20 °C) auf die Stabilität von Ikait in wässrigen Lösungen. Die Experimente konnten hierbei erstmals zeigen, dass die Persistenz von Ikait insbesondere durch die temperaturbedingte Zunahme der Keimbildungs- und Wachstumsrate der konkurrierenden Phasen Vaterit und Calcit erheblich herabgesetzt wird. Um die Persistenz von Ikait auszweiten, ist deshalb eine weitgehende Inhibition der weniger löslichen CaCO3-Minerale unumgänglich. Eine solche Inhibition benötigt mit zunehmender Temperatur immer höhere Inhibitor-Konzentrationen. Hieraus folgt eine elementare Einschränkung für die Ikait-Persistenz bei steigenden Temperaturen, wenngleich eine Ikait-Keimbildung per se solange möglich bleibt, wie die Lösung die dafür nötige Übersättigung hat. Daher deuten die Untersuchungen darauf hin, dass eine umfassende Ikait-Bildung bei steigenden Temperaturen zunehmend schwerer möglich ist. Pseudomorphosen nach Ikait (Glendonite) können somit in den meisten Fällen sehr wahrscheinlich als brauchbare Indikatoren niedriger Temperaturen dienen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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On the nucleation of ikaite (CaCO3x6H2O) – A comparative study in the presence and absence of mineral surfaces. Chemical Geology, 611, 121089.
Strohm, Samuel B.; Inckemann, Sebastian E.; Gao, Kun; Schweikert, Michael; Lemloh, Marie-Louise; Schmahl, Wolfgang W. & Jordan, Guntram
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A Study on Ikaite Growth in the Presence of Phosphate. Aquatic Geochemistry, 29(4), 219-233.
Strohm, Samuel B.; Saldi, Giuseppe D.; Mavromatis, Vasileios; Schmahl, Wolfgang W. & Jordan, Guntram
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On the Ephemeral Occurrence of Ikaite in Aqueous Solutions between 0 and 20 °C. ACS Earth and Space Chemistry, 8(9), 1725-1736.
Strohm, Samuel B.; Berghofer, Sebastian A.; Kaiser, Christian & Jordan, Guntram
