Synthetic zeolites formed from expanded perlite: Type,formation conditions and properties

Summary The starting material used was expanded perlite with a grain size < 40 m (74.5 wt.% SiO₂; 12.5 wt.% Al₂O₃). This material is a waste product obtained during the production of expanded perlite. The experiments were carried out with KOH solutions, mixtures of KOH and NaOH solutions (1:1) as well as NaOH solutions in the concentration range 0.5 N to 6.0 N at temperatures of between 100° and 140°C and with reaction periods of 2 hours to 13 days in closed system. In the experiments with KOH containing solutions zeolite ZK-19 (phillipsite), W (merlinoite), G (chabazite) and F (edingtonite) formed. Without addition of aluminium high percentages of zeolite ZK-19 (80–100 wt.%) and zeolite W (90–100 wt.%) were obtained. The addition of aluminium rendered possibly the formation of 90 to 100 wt.% of zeolite G and 85 to 100 wt.% of zeolite F, respectively. In the experiments with NaOH solutions analcime, zeolite Na-Pc (gismondine), zeolite HS (sodalite hydrate) and zeolite A formed. High percentages of zeolite Na-Pc (90–100 wt.%), zeolite HS (up to 100 wt.%) and analcime (up to 100 wt.%) were synthesized without addition of aluminium. The formation of high percentages of zeolite A (95–100 wt.%), however, needs the addition of aluminium, NaCI and seed crystals. The temperature stability of the zeolites decreases in the following sequence: K-F > K-W K-ZK-19 (Na), K-W Na, K-F G_si-rich (Na), K-ZK-19 >> Na-Pc G_si-poor. Zeolite A has a very good temperature stability up to temperatures of } 550 °C similar to that of zeolite K-W. At higher temperatures, however, its stability is very poor. The NH₄ ⁺-exchange capacities (meq/g) of the different zeolites amount to the following values: ZK-19:2.8 - 3.2; W:3.0 - 3.2; G:2.3 - 3.6; A:3.1 - 3.2; Na-Pc:3.5 - 3.6; F : 3.9 - 4.8.

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Zeolithsynthese aus Blähperlit—Art, Bildungsbedingungen und Eigenschaften

Zusammenfassung Ausgangsmaterial der experimentellen Untersuchungen war Blähperlit mit einer Korngröße < 40 ,m (74,5 Gew.-% SiO₂; 12,5 Gew.-% Al₂O₃). Dieses Material ist ein Abfallprodukt, das bei der Produktion von Blähperlit anfällt. Die Experimente wurden mit KOH-Lösungen, Lösungsgemischen aus KOH und NaOH (1:1) sowie mit NaOH-Losungen im Konzentrationsbereich 0,5 n-6,0 n bei Temperaturen von 100° – 140°C und über Reaktionszeiten von 2 Stunden bis zu 13 Tagen im geschlossenen System durchgeführt. In den Experimenten mit KOH-hältigen Lösungen bildeten sich die Zeolithe ZK-19 (Phillipsit), W (Merlinoit), G (Chabasit) und F (Edingtonit). Hohe Prozentgehalte an Zeolith ZK-19 (80 – 100 Gew.-%) und Zeolith W (90–100 Gew.-%) entstehen nur ohne Zugabe von Aluminium. Die Bildung von 90–100 Gew.-% Zeolith G bzw. 85–100 Gew. % Zeolith F ist dagegen durch die Zugabe von Aluminium möglich. In den Experimenten mit NaOH-Lösungen bildeten sich die Zeolithe Analcim, Na-Pc (Gismondin), HS (Sodalithhydrat) und Zeolith A. Hohe Prozentanteile an Zeolith Na-Pc (90–100 Gew.-%), HS (bis zu 100 Gew. %) und Analcim (bis zu 100 Gew.-%) wurden ohne Aluminium-Zugabe synthetisiert. Die Bildung von hohen Gehalten an Zeolith A (95–100 Gew. %) ist jedoch nur unter Zugabe von Aluminium, NaCl und Kristallkeimen möglich.Die Temperaturbeständigkeit der Zeolithe nimmt in der folgenden Reihenfolge ab: K-F > K-W - K-ZK-19 (Na), K-W Na, K-F G_si-reich (Na), K-ZK-19 >> Na-Pc G_si-am. Zeolith A weist bis zu Temperaturen von etwa 550°C eine gute Temperaturbeständigkeit auf, die in etwa der von Zeolith K-W entspricht. Bei höheren Temperaturen ist die Beständigkeit jedoch sehr gering.Die NH⁴⁺-Austauschkapazitäten (mÄqu/g) der verschiedenen Zeolithe erreichen folgende Werte: ZK-19:2,8 - 3,2; W:3,0 - 3,2; G:2,3 - 3,6; A:3,1 - 3,2; Na-Pc:3,5 -3,6; F:3,9 - 4,8.

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With 2 Figures     

Nonlinear generation of ion loss-cone waves by electrostatic turbulence in the magnetosphere

Effects of plasma turbulence on the stability of electrostatic ion loss-cone waves are examined. The turbulence is assumed to be electrostatic with frequencies near 1.5 times the electron gyrofrequency and the frequencies of the generated waves are below the ion plasma frequency ω_pi>. A nonlinear growth rate of the order of 10^?2ω_pi may be obtained, when the amplitude of the turbulence is 20 mV/m. This is comparable to previously found growth rates of the linear ion loss-cone instability, in a plasma with large pitch angle anisotropy. Bounce averaged pitch angle diffusion coefficients are also presented for different models of the ion loss-cone wave spectrum.     

Crustal structure of the Rhenish Massif: results of deep seismic reflection lines Dekorp 2-North and 2-North-Q

The reflection seismic line DEKORP 2-N reveals an almost complete cross section through the Rhenohercynian Zone, the most external part of the Variscan orogen in Europe.The northern part of DEKORP 2-N and a NE-directed branch (2-N-Q) reveal the Cretaceous of the Münsterland basin and the underlying folded Palaeozoic rocks. The northward decreasing intensity of folding is depicted in great detail by the highly reflective Late Carboniferous coal-measures and deeper reflections down to the level of the Givetian/Frasnian shallow-water carbonates.In the Devonian and older rocks of the Rhenish Massif, bedding is only represented by relatively weak, short and irregular reflections. These are truncated by stronger, southward dipping reflections, which exhibit the listric curvature and flat/ramp geometry characteristic of faults. In the northern part of the section, the thrusts appear to be blind. From the Ebbe Anticline southwards, prominent reflections can be correlated with important thrust faults known from the surface, such as the Ebbe-, Siegen-, Müsen- and Sackpfeife- Thrusts, as well as further important thrust faults in the Lahn- and Dill Synclines. The basal thrust of the extremely thin-skinned Giessen Nappe is only recognizable for a very short distance.At depth, the thrusts flatten out in a relatively transparent zone between 3–5 s TWT, with strongly reflective bands at its bottom and top. The transparent zone might correlate with a high-conductivity layer detected in a magnetotelluric survey; it represents either graphitic metapelites or a zone with an interconnected, brine-filled pore space. The seismic record relates either to lithological differences, or to rheological boundaries.The lower crust in the north is characterized by a relatively transparent zone, which wedges out towards south under the northern margin of the Siegen Anticline. Comparisons with a similar feature in the ECORS profile »Nord de la France« suggest that the transparent zones in both sections correspond to a pre-Palaeozoic basement, such as it underlies the Brabant Massif. Further south, the lower crust is increasingly reflective.The curvilinear, thrust-related reflections are cut by a conjugate set of much weaker, N- and S-dipping reflectors indicating a later deformation with pure shear. Displacement of some marker reflections suggests late- or post-Variscan compression.In an alternative interpretation, these straight and weak reflections represent the only thrust faults, while the curvilinear elements might relate to bedding.A southward rise of the Moho from approx. 11 to 8.5 s TWT is probably due to Tertiary rifting.

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Zusammenfassung Das reflexionsseismische Profil DEKORP 2-N stellt einen fast vollständigen Querschnitt durch das Rhenohercynikum dar.Der nördliche Teil des Profiles 2-N sowie ein SW/NE-verlaufender Abzweig (2-N-Q) zeigen die Transgression der Münsterländer Kreide und das unterlagernde gefaltete Paläozoikum. Schichtgebundene Reflektoren (flözführendes Karbon, devonischer Massenkalk) bilden das Ausklingen der variscischen Faltung nach NW detailliert ab.In den devonischen und vordevonischen Sedimenten des rechtsrheinischen Schiefergebirges erzeugt die Schichtung nur relativ schwache, kurze und unregelmäßige Reflexionen. Diese werden von stärkeren, südfallenden Reflektoren abgeschnitten, die aufgrund ihrer listrischen Krümmung und flat/ramp-Geometrie wahrscheinlich als Überschiebungen zu interpretieren sind. Im Nordteil des Schiefergebirges sind diese Überschiebungen offenbar blind, werden also nahe der Oberfläche durch Faltung kompensiert. Im Ebbe-Sattel und weiter südlich lassen sich die meisten der starken, südfallenden Reflektoren zweifelsfrei mit bekannten Großüberschiebungen korrelieren (Ebbe-, Siegen-, Müsen-, Sackpfeife-Ü, sowie weitere Überschiebungen in der Lahn- u. Dill-Mulde). Die Basisüberschiebung der Giessen-Decke wird nur teilweise abgebildet.Zur Tiefe hin zeigen die Überschiebungen ein zunehmend flacheres Einfallen, und verschwinden in einer relativ transparenten Zone zwischen 3 und 5 s TWT, die im Hangenden und Liegenden durch dünne, stark reflektive Zonen begrenzt ist. Diese transparente Zone entspricht möglicherweise einer Zone hoher integrierter Leitfähigkeit, die in einem begleitenden magnetotellurischen Experiment nachgewiesen worden ist; es handelt sich entweder um einen Graphit-führenden Phyllit-Horizont oder eine mächtigere permeable Zone mit Elektrolyt-gefülltem Porenraum. Die hochreflektiven Bänder über und unter der transparenten Zone entsprechen entweder lithologischen Kontrasten oder rheologischen Grenzen, die vermutlich von einer scherenden Verformung überprägt worden sind.Die Unterkruste im N-Teil des Profiles enthält einen relativ transparenten Bereich, der nach Süden hin unter dem Nordteil des Siegener Sattels keilförmig ausläuft. Ein ähnliches Bild zeigt der Nordteil des ECORS-Profiles »Nord de la France«. Die transparenten Bereiche beider Profile entsprechen wahrscheinlich einem prä-paläozoischen kristallinen Basement, das das Brabanter Massif unterlagert und sich rechtsrheinisch fortsetzt. Südlich des transparenten Keiles wird die Unterkruste zunehmend reflexionsreicher. Die listrisch gekrümmten, an Überschiebungen gebundenen Reflektoren werden von einem konjugierten System schwächerer, N- u. S-fallender Reflektoren abgeschnitten, die auf eine jüngere, bruchhafte Verformung durch reine Scherung hindeuten. Der Versatz einiger älterer Reflektoren deutet auf spät- oder postvariscische Kompression hin.In einer alternativen Interpretation werden nur diese jüngeren Reflektoren als Überschiebungen gedeutet; die älteren, gekrümmten Elemente müßten dann primären lithologischen Grenzen entsprechen.Die Moho steigt von ca. 11 s TWT im N auf 8.5 s TWT unter dem Taunus an. Die Krustenverdünnung im Süden geht wahrscheinlich auf Dehnung im Tertiär zurück.

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Résumé Le profil sismique par réflexion DEKORP-2-N représente une transversale quasiment complète à travers la zone rhénohercynienne. La partie septentrionale du DEKORP-2-N ainsi qu'une branche de direction SW-NE (2-N-Q) mettent en évidence la transgression du Crétacé du Münsterland sur le Paléozoïque sous-jacent plissé. Des réflecteurs liés à la stratification (à savoir: le Houiller et les calcaires de plate-forme dévoniens) illustrent de façon détaillée la diminution vers le nord de l'intensité du plissement varisque.Dans les sédiments dévoniens et pré-dévoniens du Massif Rhénan à l'est du Rhin, la stratification ne fournit que que des réflexions relativement faibles, courtes et irrégulières. Elles sont tronquées par des réflecteurs plus intenses, à pendage sud qui, en raison de leur courbure listrique et de leur géométrie en «flat/ramp», doivent être interprétés comme des chevauchements. Dans la partie septentrionale du Massif, ces chevauchements sont apparemment aveugles, c'est-à-dire qu'ils sont compensés, près de la surface, par le plissement. Dans l'anticlinal d'Ebbe, ainsi que plus au sud, la plupart des réflecteurs intenses à plongement sud peuvent être corrélés avec des chevauchements majeurs connus, tels ceux de Ebbe, Siegen, Müsen, Sackpfeife et d'autres encore dans les synclinaux de la Lahn et de la Dill. Le chevauchement basai de la nappe de Giessen n'est que partiellement représenté.Les chevauchements deviennent de plus en plus plats en profondeur pour disparaître dans une zone relativement transparente qui se situe entre 3–5 sec TWT. Celle-ci est prise en sandwich par des zones minces à forte réflectivité. La zone transparente correspond probablement à une zone de conductivité intégrée élevée dont l'existence a par ailleurs été démontrée dans un essai magnétotellurique mené parallèlement. Il s'agit soit d'un horizon phyllitique graphiteux, soit d'une zone perméable plus épaisse dont les pores sont remplis d'électrolyte. Les bandes à haute réflectivité au-dessus et en-dessous de la zone transparente correspondent soit à des contrastes lithologiques, soit à des limites rhéologiques probablement accentuées par la déformation cisaillante.La croûte inférieure dans la partie septentrionale du profil comporte un domaine relativement transparent qui s'amincit vers le S et se termine, en dessous de la partie nord de l'anticlinal de Siegen, en forme de coin. La partie nord du profil ECORS «Nord de la France» montre une image semblable.Les domaines transparents des deux profils correspondent vraisemblablement à un soubassement cristallin pré-paléozoïque qui est sousjacent au Paléozoïque du Massif du Brabant et se prolonge vers l'est au-delà du Rhin. Au sud du coin transparent, la réflectivité de la croûte inférieure va en augmentant. Les réflecteurs listriques liés à des chevauchements sont recoupés par un système conjugué de réflecteurs plus faibles à plongement nord et sud qui indiquent des failles plus récentes. Le déplacement de quelques réflecteurs plus anciens suggère l'effet d'une compression tardiou post-varisque.Dans une interprétation alternative, seuls ces réflecteurs plus récents sont considérés comme correspondant à des chevauchements. Dans ce cas, les éléments courbes plus anciens devraient représenter des limites lithologiques primaires.Le Moho s'élève à partir de 11 sec TWT environ au nord jusqu'à 8.5 sec TWT en-dessous du Taunus. L'amincissement crustal au sud résulterait du régime de distension survenu au Tertiaire.

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DEKORP 2 Nord. x-t- ray-tracing'a. 6,0 6,6 /, — 7,0 8,2 /. 6,25 /. 28 30 . , .

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Abbreviations MORB Mid-Ocean Ridge Basalt - TWT two-way travel time, seconds (s) - CMP common mid-point - VP vibration point - SNR signal to noise ratio     

Geochemistry and Rb–Sr geochronology of a ductile shear zone in the Orlica-Śnieżnik dome (West Sudetes, Poland)

Amphibolite-facies orthogneisses of the Orlica-vnie™nik dome in the West Sudetes (Poland) show a local continuous transition from weakly deformed augen gneisses to finely laminated mylonites. Field evidence indicates that ductile shearing developed pre- or syntectonically to a migmatization event. Bulk-rock compositions of variably deformed samples yield no indications for deformation- and/or fluid-enhanced element mobility and redistribution. ⁸⁷Rb-⁸⁶Sr geochronology (biotite, phengite, whole rock) places time constraints on the deformation process and the post-orogenic cooling history. Phengite- and biotite-whole-rock pairs yield Rb-Sr ages of 340 to 334 Ma and 335 to 294 Ma, respectively, independent of the degree of deformation. The weighted mean of phengite-whole-rock pairs indicates an age of 337.4DŽ.3 Ma. Combining most of the biotite-whole-rock data yields a weighted mean age of 328.6dž.4 Ma. Because of their different closure temperatures for the Rb-Sr system, these differences are interpreted to date cooling after a thermal event. Direct dating of the deformation is not possible, but the cooling history record defines a minimum age for the development of ductile shearing and the last migmatization event. These time constraints provide evidence for the initiation of crustal collapse during or immediately following peak metamorphic conditions. The results of this study further document the importance of Variscan metamorphism in the Orlica-vnie™nik dome.     

Geochemistry of oceanic carbonatites compared with continental carbonatites: mantle recycling of oceanic crustal carbonate

Major and trace element and Sr-Nd-Pb-O-C isotopic compositions are presented for carbonatites from the Cape Verde (Brava, Fogo, Sáo Tiago, Maio and Sáo Vicente) and Canary (Fuerteventura) Islands. Carbonatites show pronounced enrichment in Ba, Th, REE, Sr and Pb in comparison to most silicate volcanic rocks and relative depletion in Ti, Zr, Hf, K and Rb. Calcio (calcitic)-carbonatites have primary (mantle-like) stable isotopic compositions and radiogenic isotopic compositions similar to HIMU-type ocean island basalts. Cape Verde carbonatites, however, have more radiogenic Pb isotope ratios (e.g. ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb=19.3-20.4) than reported for silicate volcanic rocks from these islands (18.7-19.9; Gerlach et al. 1988; Kokfelt 1998). We interpret calcio-carbonatites to be derived from the melting of recycled carbonated oceanic crust (eclogite) with a recycling age of ~1.6 Ga. Because of the degree of recrystallization, replacement of calcite by secondary dolomite and elevated ‘¹³C and ‘¹⁸O, the major and trace element compositions of the magnesio (dolomitic)-carbonatites are likely to reflect secondary processes. Compared with Cape Verde calcio-carbonatites, the less radiogenic Nd and Pb isotopic ratios and the negative Ɨ/4 of the magnesio-carbonatites (also observed in silicate volcanic rocks from the Canary and Cape Verde Islands) cannot be explained through secondary processes or through the assimilation of Cape Verde crust. These isotopic characteristics require the involvement of a mantle component that has thus far only been found in the Smoky Butte lamproites from Montana, which are believed to be derived from subcontinental lithospheric sources. Continental carbonatites show much greater variation in radiogenic isotopic composition than oceanic carbonatites, requiring a HIMU-like component similar to that observed in the oceanic carbonatites and enriched components. We interpret the enriched components to be Phanerozoic through Proterozoic marine carbonate (e.g. limestone) recycled through shallow, subcontinental-lithospheric-mantle and deep, lower-mantle sources.     

Erratum: Comparison of Seismic Dispersion and Attenuation Models: Stud. Geophys. Geod., 46(2002), 293-320

Studia Geophysica et Geodaetica -     

Long-term investigations on the water budget quantities predicted by the hydro-thermodynamic soil vegetation scheme (HTSVS) – Part II: Evaluation, sensitivity, and uncertainty

Summary ¶Various water budget elements (water supply to the atmosphere, ground water recharge, change in storage) are predicted by HTSVS for a period of 2050 days. The predicted water budget elements are evaluated by routine lysimeter data. The results show that land surface models need parameterizations for soil frost, snow effects and water uptake to catch the broad cycle of soil water budget elements. In principle, HTSVS is able to simulate the general characteristics of the seasonal changes in these water budget elements and their long-term accumulated sums. Compared to lysimeter data, there is a discrepancy in the predicted water supply to the atmosphere for summer and winter which may be attributed to the hardly observed plant physiological parameters like root depth, LAI, shielding factor, etc., the lack of measured downward long-wave radiation, and some simplifications made in the parameterizations of soil frost and snow effects. The fact that high resolution data for the evaluation of model results are missing and evaluation is made on the basis of the data from routine stations of a network is typical for the results of long-term studies on climate. Taking into account the coarse resolution of climate models, the coarse vertical resolution that is used in their LSMs, and the lack of suitable parameters needed, it seems that discrepancies in the order of magnitude found in this study are a general uncertainty in the results of land surface modeling on typical spatial and temporal scales of the climate system.Received October 8, 2001; revised February 15, 2002; accepted September 20, 2002 Published online: April 10, 2003