Potassium self-diffusion in a K-rich single-crystal alkali feldspar

The paper reports potassium diffusion measurements performed on gem-quality single-crystal alkali feldspar in the temperature range from $1169$ to 1021 \, \mbox{K}. Natural sanidine from Volkesfeld, Germany was implanted with \mbox{}^{43}\mbox{K} at the ISOLDE/CERN radioactive ion-beam facility normal to the (001) crystallographic plane. Diffusion coefficients are well described by the Arrhenius equation with an activation energy of 2.4 \, \mbox{eV} and a pre-exponential factor of 5\times10^{-6} \, \mbox{m}^{2}/\mbox{s}, which is more than three orders of magnitude lower than the \mbox{}^{22}\mbox{Na} diffusivity in the same feldspar and the same crystallographic direction. State-of-the-art considerations including ionic conductivity data on the same crystal and Monte Carlo simulations of diffusion in random binary alloy structures point to a correlated motion of K and Na through the interstitialcy mechanism

The interstitialcy diffusion mechanism in alkali feldspar:self-diffusion measurements and Monte Carlo simulations

Die gesteinsbildenden Alkalifeldspäte gehören zu den häufigsten Mineralien der Erdkruste. Selbstdiffusionsdaten sind die Voraussetzung für die Interpretation der Interdiffusion in Alkalifeldspat, die wiederum die Austauschrate mit der Umgebung und damit verbunden die Mikrostruktur bestimmt. Auf Basis der Radiotracermethode werden Ergebnisse der Na und K-Diffusion in kaliumreichen Einkristallen aus der Eifel und aus Madagaskar präsentiert. Grundlegende Eigenschaften des atomaren Transports über Eigenzwischengitteratome in binären Legierungen AB mit regelloser Ordnung in einem einfach kubischen Gitter werden durch Monte-Carlo-Simulationen untersucht. Die Methoden werden auch auf die monokline Struktur des Alkalifeldspats angewandt, wobei Cluster auf dem Na-K Untergitter berücksichtigt sind. Aus den Ergebnissen kann auf eine überwiegende Beteiligung von interstitiellen Sprüngen gegenüber Leerstellensprüngen geschlossen werden. Gemeinsam mit Messdaten für das Haven-Verhältnis, das einen Zusammenhang zwischen der Tracer- und Ladungsträgerdiffusion herstellt, folgen deutliche Hinweise für die korrelierte Diffusion von Na und K über den indirekt-interstitiellen Diffusionsmechanismus.The rock-forming alkali feldspars belong to the most abundant minerals in the Earth’s crust and are formed as a solid solution between the sodium and potassium end-member compositions. Self-diffusion data in alkali feldspar are a prerequisite for interpreting existing interdiffusion data that, in turn pertain to the evolution and dynamics of the crust. Based on the radiotracer technique diffusion coefficients for Na and K in potassium-rich single crystals originating from the Eifel, Germany and Madagascar are reported. Basic features of atomic movement mediated by interstitialcies in binary random alloys AB with a simple cubic structure are explored by MC simulations. The concepts and methods are also applied to the monoclinic alkali feldspar in consideration of clustering on the Na-K sublattice, revealing a predominance of indirect interstitial jumps over vacancy jumps. Together with results for the Haven ratio, which relates the tracer diffusion coefficient to the charge diffusivity as may be deduced from the ionic conductivity through the Nernst-Einstein equation, the findings give strong evidence for a correlated motion of Na and K through the interstitialcy mechanism