Experimental investigation into the effect of stress on dissolution and growth of very soluble brittle salts in aqueous solution

Das Studium der Auflösungs- und Wachstumsprozesse an Feststoff-Flüssigkeits-Grenzflächen unter nicht-hydrostatischen Beanspruchungen ist wesentlich für das Verständnis von Defor-mationsprozessen, die in der Erde ablaufen. Unter diesen genannten Prozessen gehört die Drucklösung zu den wichtigsten duktilen Deformationsprozessen, von der Diagenese bishin zur niedrig- bis mittelgradigen metamorphen Bedingungen. Bisher ist allerdings wenig darüber bekannt, welche mechanischen, physikalischen oder chemischen Potentialenergie-Gradienten die Drucklösung steuern. I.a. wird angenommen, daß die Drucklösung durch Un-terschiede kristallplastischer Verformungsenergien oder aber durch Unterschiede der Normal-beanspruchung an Korngrenzen gesteuert wird. Unterschiede der elastischen Verformungs-energien werden dabei allerdings als zu gering erachtet, um einen signifikanten Beitrag zu leisten. Aus diesem Grund werden sie als mögliche treibende Kräfte für die Drucklösung vernachlässigt. Andererseits haben neue experimentelle und theoretische Untersuchungen gezeigt, daß die elastische Verformung in der Tat einen starken Einfluß auf Lösungs- und Wachstumsmechanismen von Kristallen in einer Lösung haben kann. Da die in der Erdkruste vorherrschenden Deformationsmechanismen überwiegend im elastischen Verformungsbereich der Gesteine ablaufen, ist es sehr wichtig, das Verständnis für die Effekte, die die elastische Verformung verursacht, zu erweitern, und ihre Rolle während der Deformation durch Drucklösung zu definieren. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Experimenten, bei denen der Effekt der mechanisch kompressiven Beanspruchung auf Lösungs- und Wachstumsprozesse von Einzelkristallen unterschiedlicher, sehr gut löslicher, elastisch/spröder Salze untersucht wurde. Diese Salze wurden als Analoga gesteinsbildender Minerale wie Quarz und Calcit ausgewählt. Der Einfluß von Stress auf die Ausbildung der Oberflächenmikrostrukturen in einer untersättigten Lösung wurde an Kaliumalaun untersucht.Lösungsrillen (20 – 40 µm breit, 10 – 40 µm tief und 20 – 80 µm Abstand) entwickelten sich in den Bereichen, in denen die Beanspruchung im Kristall am größten war. Sie verschwanden wieder, sobald der Kristall entlastet wurde. Diese Rillen entwickelten sich parallel zu niedrig indizierten kristallographischen Richtungen und sub-perpendikular zu den Trajektorien, die der maximalen, lokalen kompressiven Beanspruchung entsprachen. Die Größe der Lösungsrillen hing von der lokalen Oberflächenbeanspruchung, der Oberflächenenergie und dem Untersättigungsgrad der wässrigen Lösung ab. Die mikrostrukturelle Entwicklung der Kristalloberflächen stimmte gut mit den theoretischen Vorhersagen überein, die auf den Modellen von Heidug & Leroy (1994) und Leroy & Heidug (1994) basieren. Der Einfluß der Beanspruchung auf die Auflösungsrate wurde an Natriumchlorat-Einzelkristallen untersucht. Dabei wurde herausgefunden, daß sich gestresste Kristalle schneller lösen als Kristalle, auf die keine Beanspruchung einwirkt. Der experimentell beobachtete Anstieg der Auflösungsrate der gestressten Kristalle war ein bis zwei Größenordnungen höher als theoretisch erwartet. Die Auflösungsrate stieg linear mit dem Stress an, und der Anstieg war um so größer, je stärker die Lösung untersättigt war. Außerdem wurde der Effekt der Bean-spruchung auf das Kristallwachstum an Kaliumalaun- und Kaliumdihydrogenphosphat-Ein-zelkristallen untersucht. Die Wachstumsrate der Flächen {100} und {110} von Kalium-alaun war bei Beanspruchung stark reduziert. Für all diese Ergebnisse spielte die Oberflächenrauhigkeit der Kristalle eine Schlüsselrolle, indem sie eine nicht-homogene Stressverteilung auf der Kristalloberfläche verursachte. Die Resultate zeigen, daß die elastische Verformung eine signifikante Rolle während der Drucklösung spielen kann, und eine signifikante Deformation in der oberen Kruste verursachen kann, bei Beanspruchungen, die geringer sind, als gemeinhin angenommen wird. Somit folgt, daß die elastische Bean-spruchung berücksichtigt werden muß, wenn mikrophysikalische Deformationsmodelle entwickelt werden sollen.

Abstract The study of dissolution and growth processes at a solid-fluid interface under non-hydrostatic stresses is essential for the understanding of the deformation mechanisms that are active in the Earth's crust. Among these, pressure solution is the most important ductile deformation mechanism at diagenetic to low to medium-grade metamorphic conditions. However, it is still poorly understood which mechanical, physical or chemical potential energy gradients drive pressure solution. Commonly, pressure solution is assumed to be driven either by differences in crystal plastic strain energy, or by differences in grain boundary surface normal stress. Differences in elastic strain energy are thought to be much too small to play any significant role and are for this reason commonly neglected as a possible driving force for pressure solution. However, recent experimental as well as theoretical investigations have shown that elastic strain may in fact strongly influence the dissolution and growth mechanisms of crystals in solution. As deformation mechanisms occurring in the Earth's crust mostly take place while the rocks are elastically strained, it is very important to improve our understanding of the effect of the elastic strain and define the role it may have during deformation by pressure solution in rocks. This thesis reports on an experimental investigation into the effect of mechanical compressive stress on the dissolution and growth of single crystals of different very soluble elastic/brittle salts in aqueous solution. These salts were chosen as analogues for rock-forming minerals such as quartz or calcite. The effect of stress on the surface dissolution microstructures was studied on potassium alum single crystals. Dissolution grooves, 20-40 µm wide, 10-40 µm deep and about 20-80 µm apart from each other, developed in the highest stressed regions of the crystals, and disappeared as soon as the stress was taken off. The grooves were oriented parallel to low index crystallographic directions, and sub-perpendicular to the local maximum compressive stress trajectories. The size of the dissolution grooves depended on the local surface stress, the surface energy and the degree of undersaturation of the aqueous solution. The microstructural evolution of the crystal surface was found to be in good agreement with theoretical predictions based on the model of Heidug & Leroy (1994) and Leroy & Heidug (1994). The effect of stress on the dissolution rate was investigated on sodium chlorate single crystals. The stressed crystals dissolved faster than the crystals left stress-free. The experimentally observed increase in the dissolution rate of the stressed crystals was one to two orders of magnitude stronger than theoretically predicted on the basis of the increased dissolution driving force due to the increase in the bulk stored elastic energy. The dissolution rate increased linearly with the stress and the increase was larger with increasing degree of undersaturation. Finally, the effect of the stress on crystal growth was studied using potassium alum and potassium dihydrogen phosphate single crystals. The growth rate of {100} and {110} faces of potassium alum was strongly decreased on the application of stress, by an amount much larger than theoretically predicted on the basis of the decreased crystal growth driving force due to the increase in the bulk stored elastic energy. For all these results, the roughness of the crystal surface played a key role, by inducing a non-homogeneous stress distribution on the crystal surface. The results show that elastic strain may play a significant role during pressure solution, and that elastic strain gradients may eventually cause significant deformation in the upper crust. Hence, elastic strain should be taken into account while defining microphysical deformation models. Kurzfassung