Application of differential thermal analysis in mineralogy

Abstract

In mineralogical research differential thermal analysis can be applied as either a single or a combined method for three purposes:

• 1. for the qualitative identification of minerals and the (semi-)quantitative determination of the components of rocks and soils,

• 2. for the characterization of crystal-physical and crystal-chemical properties, including the study of kinetics and the determination of thermodynamic data, phase and reaction equilibria,

• 3. for special petrogenetic investigations concerning the interrelation of mineralogical properties with the formation, decomposition or recrystallization of minerals.

The presented results were obtained under strongly standardized and reproducible conditions of analysis and by means of some methods recently developed by the author. They include the construction of key diagrams ofΔT versus peak temperatures to identify unknown minerals; the dependence of dehydration and decomposition peak temperatures on the partial pressure of gaseous reaction products (= PA curves); the determination of chemical and crystal-chemical parameters of minerals by using the dependence of dehydroxylation peak temperatures on solid solution (chlorites, smectites) or by using the interrelation between the peak temperatures of structural transformations and crystal-chemical substitutions (sulfides, carbonates, phosphates, silicates); the determination of the degree of disorder of minerals formed in sedimentary environments by using the dehydration or inversion peak temperature and peak shape dependence on the defect character of these crystal structures (clay minerals, quartz, cristobalite, hydroxides); the subdivision of mineral groups by using the interrelation of crystal chemistry and dehydration behaviour (zeolites, mixed-layer clay minerals); the characterization of ferromagnetic minerals by studying the Curie temperatures as a function of the chemical composition; the development of a DTA method to measure the degree of weathering of granitic rocks, etc. Data of 150 minerals are given.

Zusammenfassung

Die Differenz-Thermo-Analyse kann in der Mineralogie, allein oder mit anderen Methoden kombiniert, auf dreierlei Art angewandt werden:

• 1. für die qualitative Mineral-Identifikation und die (halb-) quantitative Bestimmung von Gesteins- und Bodenkomponenten,

• 2. für die Charakterisierung kristallchemischer und kristallphysikalischer Mineral-Eigenschaften, einschließlich kinetischer Parameter und der Bestimmung von thermodynamischen Daten, Phasen- und Reaktionsgleichgewichten,

• 3. für spezielle petrogenetische Untersuchungen, etwa den Zusammenhang zwischen mit der DTA gemessenen mineralogischen Eigenschaften und der Bildung, dem Zerfall oder der Rekristallisation von Mineralen.

Die präsentierten Ergebnisse wurden unter Einhaltung streng standardisierter und reproduzierbarer Analysenbedingungen erhalten und unter Anwendung kürzlich von dem Verfasser entwickelter Methoden. Im einzelnen werden widergegeben: neu konstruierte SchlüsseldiagrammeΔT gegen Peaktemperatur zur Bestimmung unbekannter Minerale; PA-Kurven, die den Zusammenhang zwischen Entwässerungs- und Zerfallsreaktionen und dem Partialdruck dabei entstehender gasförmiger Reaktionsprodukte widerspiegeln; die Bestimmung chemischer und kristallchemischer Mineralparameter durch den Zusammenhang zwischen Dehydroxylations-Peaktemperaturen und Zusammensetzung von Mischkristallen (Chlorite, Smektite); die Bestimmung des Zusammenhangs zwischen den Peaktemperaturen von Strukturumwandlungen und kristallchemischen Substitutionen (Sulfide, Carbonate, Phosphate, Silikate); die Bestimmung des Fehlordnungsgrades von Mineralen aus sedimentärem Bildungsmilieu durch die Messung der Abhängigkeit von Entwässerungs-oder Inversions-Peaktemperaturen und Peakflächen vom Defektcharakter dieser Mineralstrukturen (Tonminerale, Quarz, Cristobalit, Hydroxide); die Unterteilung von Mineralgruppen durch Nutzung des Zusammenhangs zwischen Kristallchemie und Entwässerungsverhalten (Zeolithe, Tonminerale mit Wechsellagerungsstrukturen); die Charakterisierung ferromagnetischer Minerale durch die Abhängigkeit der Curietemperaturen von der chemischen Zusammensetzung; die Entwicklung einer DTA-Methode zur Messung des Verwitterungsgrades von granitischen Gesteinen etc. Daten von 150 Mineralen werden angeführt.

Резюме

В минералогических и сследования дифференциальный те рмический анализ используется как так овой или же как совмещ енный метод для трех целей:

• 1. Для качественного оп ределения минералов и полуколичественног о определения компонентов в горных породах и почвах.

• 2. Для характеристики к ристалло-физических и кристалло-химически х свойств, включая изучение кинетики ре акций и определения термодинамических д анных, фазовых и реакционных равнове сий.

• 3. Для специальных петр огенетических иссле дований, касающихся взаимосв язей минералогическ их свойств с образовани ем, разложением или рекристаллизацией м инералов.

Представленные резу льтаты были получены при строго стандартных и воспро изводимых условиях анализа и с п омощью недавно разра ботных методов. Они включают построение ключевых диаграммΔ T против температурны х пиков с целью идентификации неизвестных минералов; установле ние зависимости темп ературных пиков дегидратации и разложения от парциального давл ения газообразных пр одуктов реакции (ПА-кривые); опр еделение химических и кристал ло-химических параме тров минералов, используя зависимость температурных пиков дегидроксилировани я твердого раствора (хлориты, сме ктиты) или используя взаимо связь между температ урами структурных превращ ений и кристаллохими ческими заместителями (сульф иды, карбонаты, фосфат ы, силикаты); определение степени наружения ми нералов, образующихс я в осадочных породах, ис пользуя температурн ые пики дегидратации ил и превращения и завис имость фирмы этого пика от ха рактера нарушения этих крист аллических структур (глинистые минералы, кварц, крист обалит, гидроокиси); подразде ление групп минерало в, используя взаимосвязь между их кристаллохимией и отношением их к деги дратации (цеолиты, смешано-слоистые гла инистые минералы); характеристика ферр омагнитных минерало в, изучая их температуру Кюри в за висимости от химического соста ва; разработка метода ДТА для измерения степени вы ветривания гранитных пород и др. П редставлены данные д ля 150 минералов.