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Bestimmung diagnostischer magnetischer Übergangstemperaturen von synthetischen Titanomagnetiten und Ilmenit-Hämatit-Mischkristallen

Engelmann, Ralf

English Title: Determination of diagnostic magnetic transition temperatures of synthetic titanomagnetites and ilmenite-hematite solid solution

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Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurden die magnetischen Eigenschaften, besonders die magnetischen Übergangstemperaturen (z.B. Curie-Temperatur, Néel-Temperatur, Spinglas-Temperatur, Blockungs-Temperatur), von synthetischen Titanomagnetiten und Ilmenit-Hämatit-Mischkristallen in Abhängigkeit vom Chemismus untersucht. Als Grundlage dafür dienten temperaturabhängige Messungen der magnetischen Suszeptibilität, der Sättigungsmagnetisierung, der remanenten Magnetisierung und Hysteresemessungen bei verschiedenen Temperaturen. Im Gegensatz zu früheren Studien wurde hier großer Wert auf die chemisch-strukturelle Charakterisierung der Proben gelegt. Synthesen wurden sowohl im Modellsystem Fe-Ti-O wie auch im komplexeren Fe-Ti±Al±Mg-O System durchgeführt. Um die Konzentration der Kationfehlstellen zu kontrollieren, wurden Synthesen in einem breiten Temperatur- und Sauerstofffugazitätsbereich durchgeführt (1050 °C < T < 1300 °C; -5 ? ?NNO ? 5). Außerdem wurden nicht nur einphasige Proben, sondern auch Proben mit verschiedenen Fe-Ti-Oxid-Paragenesen synthetisiert. Bei dem Abschreckvorgang am Ende der Synthesen wurde auf die Beibehaltung des Redoxzustandes geachtet. Die Homogenität der Mineralphasen über die ganze Probe und innerhalb der einzelnen Kristalle wurde sorgfältig mit ortsauflösenden analytischen Methoden (Rasterelektronenmikroskop, Elektronenstrahlmikrosonde) überprüft. Weil die Messung der Temperaturabhängigkeit der magnetischen Suszeptibilität (?(T)-Kurven) zunehmend zur Identifizierung und Charakterisierung von magnetischen Mineralphasen in Gesteinen genutzt wird, wurde in dieser Arbeit besonderer Wert auf die Auswertung der ?(T)-Kurven und die Bestimmung der Curie- bzw. Néel-Temperatur der Fe-Ti-Oxide gelegt. So konnte gezeigt werden, dass mit der von einigen Autoren angewandten „Grommé-Methode“ und „1/?-Methode“ die Curie- bzw. Néel-Temperatur von Fe-Ti-Oxiden überschätzt wird, wogegen die „Peak-Methode“ zuverlässige Werte liefert. Interessanterweise sind für Titanomagnetite die so bestimmten Curie-Temperaturen um bis zu 40 K niedriger als die aus temperaturabhängigen Sättigungsmagnetisierungskurven bestimmten Curie-Temperaturen. Neu in dieser Arbeit ist, dass der Einfluss der Kationfehlstellenkonzentration der Titanomagnetite auf deren Curie-Temperatur über einen großen Zusammensetzungsbereich untersucht wurde. Wie schon bekannt, fällt die Curie-Temperatur von Titanomagnetiten (Fe-Ti-O System) mit zunehmendem Ti-Gehalt ab. Allerdings sind signifikante Unterschiede in den Curie-Temperaturen in Abhängigkeit der Synthesetemperatur und der Paragenese zu erkennen. In Produkten von Synthesen bei 1300 °C zeigen Titanomagnetite, die mit Ilmenitss koexistieren (Titanomagnetite mit großen Kationfehlstellenkonzentrationen), bis zu 37 K höhere Curie-Temperaturen als Titanomagnetite in Paragenese mit Wüstit (Titanomagnetite mit geringster Kationfehlstellenkonzentration) bei gleichem Ti/(Ti+Fe)-Verhältnis. Die Curie-Temperaturen der Titanomagnetite, die mit Ilmenitss koexistieren und bei 1100 °C synthetisiert wurden, liegen zwischen den Curie-Temperaturen der Titanomagnetit+Wüstit- und Titanomagnetit+Ilmenitss-Paragenesen, die bei 1300 °C synthetisiert wurden. Das komplexe magnetische Verhalten von Ti-reichen Ilmenitenss (Ti-Gehalt > 0.7 cpfu) bei tiefen Temperaturen (T < 200 K) war ebenfalls Bestandteil von Untersuchungen in dieser Arbeit. Die Curie-Temperatur der Ilmenitess im Zusammensetzungsbereich 0.69 cpfu < Ti < 0.95 cpfu korreliert invers mit dem Ti-Gehalt. In diesem Zusammensetzungsintervall wurde ein bisher noch nicht beschriebener Zusammenhang zwischen Curie-Temperatur der Ilmenitess und dem koexistierenden Fe-Ti-Oxid (Titanomagnetit oder Pseudobrookitss), d.h. vermutlich eine Abhängigkeit der Curie-Temperatur von der Kationfehlstellenkonzentration in Ilmenitenss, festgestellt. Dagegen konnte eine signifikante Abhängigkeit der Curie-Temperatur von der Synthesetemperatur, wie von einigen Autoren beschrieben, nicht festgestellt werden. Erstaunlicherweise zeigen Ilmss mit Ti-Gehalten von 0.95 cpfu die niedrigsten Curie-Temperaturen (40 K). Bei Ti-Gehalten oberhalb 0.95 cpfu ist die Néel-Temperatur der Ilmss unabhängig von der Paragenese und Synthesetemperatur und steigt mit zunehmendem Ti-Gehalt der Ilmss von 40 auf 60 K. Die Spinglas-Temperatur der Ilmss ist im Zusammensetzungsbereich zwischen 0.75 cpfu < Ti < 0.92 cpfu unabhängig von der Synthesetemperatur, dem Ti-Gehalt der Ilmss, und der Paragenese und liegt bei 30 bis 35 K. Einzig eine Abhängigkeit von der Messfrequenz konnte bei der Spinglas-Temperatur festgestellt werden. Die Blockungs-Temperatur nimmt mit steigendem Ti-Gehalt für Ilmss mit 0.76 < XIlm < 0.86 nahezu linear ab. Ilmss mit 0.86 < XIlm < 0.92 besitzen Blockungs-Temperaturen zwischen 42 K und 52 K.

Translation of abstract (English)

We have determined characteristic magnetic parameters, such as the Curie, the Néel, the spinglass and the blocking temperature, in synthetic titanomagnetite and ilmenite-hematite solid solution as a function of their chemical compositions. The basis for this investigation were temperature-dependent measurements of the magnetic susceptibility, the saturation magnetization, the remanent magnetization, as well as hysteresis measurements at different temperatures. In contrast to previous studies, one of the main aspects of the present work was a precise chemical-structural characterization of the synthetic samples. Syntheses were carried out in the Fe-Ti-O system and in the more complex Fe-Ti±Al±Mg-O system. In order to control the concentration of cation vacancies, the syntheses were performed under a broad range of temperatures and oxygen fugacity (1050 °C < T < 1300 °C; -5 ? ?NNO ? 5). Moreover, we took care to synthesize not only single phase samples, but also samples with different Fe-Ti oxide assemblages. At the end of the runs, the samples were drop-quenched into water. Chemical homogeneity of the Fe-Ti oxide minerals within individual crystals and over the sample were carefully checked using analytical high-resolution techniques (e.g. with the scanning electron microscope and the electron microprobe). Because measurements of the magnetic susceptibility (?) are increasingly used to identify and to characterize magnetic minerals in rocks, we have paid special attentions to the interpretation of ?-T curves and the estimation of the Curie or Néel temperature from these curves. It could be shown that the Curie or Néel temperature of Fe-Ti oxide minerals is overestimated if the „Grommé method“ or „1/? method“ are used, whereas the „peak method“ provides reliable values. Interestingly, the Curie temperatures of titanomagnetites estimated from ?-T curves were up to 40 K higher than those retrieved from temperature-dependent saturation magnetization measurements. The influence of the concentration of cation vacancies in titanomagnetite on the Curie temperature was investigated over a broad range of chemical compositions. Although, the Curie temperature of titanomagnetite (Fe-Ti-O system) decreases with increasing Ti-content, there are distinct differences depending on synthesis temperature and paragenesis. Titanomagnetites in equilibrium with ilmenitess synthesized at 1300 °C (i.e., those with the maximum vacancy concentrations) have up to 37 K higher Curie temperatures than titanomagnetites of the same composition coexisting with wüstite (i.e., with minimum vacancy concentrations). Titanomagnetites in equilibrium with ilmenitess synthesized at 1100 °C display intermediate Curie temperatures. This study also brings new results on the complex magnetic behaviour of Ti-rich ilmenitess (Ti > 0.7 cpfu) at low temperatures (T < 200 K). The Curie temperature of ilmenitess is inversely correlated with its Ti-content in the composition range 0.69 cpfu < Ti < 0.95 cpfu. We have observed that, the Curie temperature of ilmenitess in the composition range 0.69 cpfu < Ti < 0.95 cpfu depends on the coexisting Fe-Ti oxide mineral (titanomagnetite or pseudobrookitess). This suggests that the cation vacancy concentration influences the Curie temperature. In contrast to previous studies we did not observe any significant dependence on the synthesis temperature on the Curie temperature. Ilmenitess with a Ti-content of 0.95 cpfu surprisingly shows the lowest Curie temperature (40 K). For ilmenitess with Ti > 0.95 cpfu, the Néel temperature is independent of paragenesis and synthesis temperature but increases from 40 K to 60 K with increasing Ti-content. The spinglass temperature of ilmenitess lies between 30 to 35 K in the composition range of 0.75 cpfu < Ti < 0.92 cpfu and is independent of the synthesis temperature, the Ti-content and paragenesis. However, the spinglass temperature is frequency dependent. The blocking temperature of ilmenitess decreases with increasing Ti-content in the compositional range 0.76 cpfu < Ti < 0.86 cpfu. Ilmenitess with Ti-content between 0.86 cpfu and 0.92 cpfu have blocking temperatures between 42 K and 52 K.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Lattard, Prof. Dr. Dominique
Date of thesis defense: 28. April 2008
Date Deposited: 13. May 2008 09:31
Date: 2008
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
Controlled Keywords: Titanomagnetit, Ilmenit, Curie-Temperatur, Magnetismus
Uncontrolled Keywords: titanomagnetite , ilmenite , Curie-temperature , magnetism
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