Die grundlegenden Ziele meiner geowissenschaftlichen Forschung sind detaillierte Einblicke in die dynamischen Differenzierungsprozesse der Erdlithosphäre und des oberen Erdmantels, die zur heutigen Form der Erde geführt haben und noch immer Auswirkungen auf unseren Lebensraum haben. Die moderne experimentelle Mineralogie bietet mehrere leistungsstarke Werkzeuge zur Untersuchung von Zusammensetzung, Struktur und dynamischen Prozessen des Erdinneren bei hohen Temperaturen und Drücken. Meine Forschung ist motiviert durch den Wunsch, das grundlegende Verständnis der Wechselwirkung von flüchtigen Stoffen (H₂O, CO₂, SO₂/H₂S, Cl, Edelgase) mit der Geosphäre zu fördern.
Diese Untersuchungen sind nicht nur von lokalem Interesse, z. B. zur Abschätzung des Gefährdungspotentials der in der Nähe von aktiven Vulkanen lebenden Bevölkerung, sondern auch von globaler Bedeutung, z. B. zum Verständnis des Klimaausbruchs des Pinatubo im Jahr 1991. Die Untersuchung der Fluid-Gestein-Wechselwirkung ist auch wichtig für die Kenntnis der physikalischen Eigenschaften der Erdkruste und des Erdmantels, z. B. Rheologie, thermische und elektrische Leitfähigkeit und Ausbreitung von Schallwellen. Darüber hinaus können experimentell extrahierte physikalisch-chemische Daten für ein detaillierteres Wissen über unsere terrestrischen Nachbarplaneten verwendet werden.

Fluid-Schmelz-Rock-Wechselwirkungen: Vom Mikrometer bis zum globalen Maßstab

Fluid-Gestein-Wechselwirkungen im Mikrometermaßstab lösen makroskopische metamorphe Prozesse und bei ausreichend hohen Temperaturen eine intensive Magmabildung in der Erdkruste und im Obermantel aus. Fluid-Mineral-Schmelze-Wechselwirkungen haben signifikante Auswirkungen auf plutonische Prozesse und steuern Vulkanausbrüche an der Erdoberfläche in hohem Maße. Allerdings fehlen noch die grundlegenden Parameter, die die Reaktion von Mineralien, Entgasung, Schmelzbildung, Flüssigkeitsauflösung und flüchtige Entgasung in dynamischen Systemen wie Subduktionszonen oder großen magmatischen Provinzen, die wichtige Bestandteile geochemischer Kreisläufe sind, steuern. Daher ist es schwierig, Fluid-Mineral-Schmelze-Wechselwirkungen im Mikrobereich, die mit experimentellen Techniken untersucht werden können, mit großräumigen geologischen Prozessen zu verknüpfen.
Für gegebene Druck-, Temperatur- und Zusammensetzungsbedingungen sagt die Thermodynamik den makroskopischen Zustand eines ausgeglichenen Systems voraus. Unabhängig von der Größe (z. B. regional oder mikroskopisch) werden Fluid-Schmelz-Gestein-Wechselwirkungen jedoch durch eine Reihe von dynamischen nano- und mikroskaligen Prozessen gesteuert, darunter (1) Lösung/Ausfällung, (2) Rekristallisation, (3) Oberflächen- und Korngrenzendiffusion und (4) Volumendiffusion. Zeit und Geometrie müssen berücksichtigt werden, um die Reaktionskinetik von Fluid-Schmelz-Gestein-Wechselwirkungen zu untersuchen. Chemische (und isotopische) Heterogenitäten sind eine mächtige Informationsquelle über die Bedingungen und die zeitliche Geschichte der Fluid-Schmelz-Gestein-Wechselwirkung und liefern entscheidende Hinweise auf Prozesse und Geschwindigkeiten, die den Stoffaustausch bis in den globalen Maßstab beeinflussen. Um diese Informationen richtig zu interpretieren, müssen wir jedoch die komplexen Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Prozessen, Mechanismen und Raten verstehen. Trotz erheblicher Anstrengungen im letzten Jahrzehnt steht das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeiten, Schmelzen und Mineralien im Mikromaßstab noch am Anfang. Experimentelle und theoretische mineralogische Methoden haben das Potenzial, viele Fragen und Probleme der Kinetik von Fluid-Schmelz-Gestein-Wechselwirkungen zu lösen. Dieses Forschungsfeld bietet neben den Geowissenschaften auch Verbindungen zu den Materialwissenschaften. Darüber hinaus ist die Untersuchung physikalischer Eigenschaften, z. B. der Rheologie von teilweise geschmolzenen Gesteinen mit geringen Anteilen an flüchtigen Lagerschmelzen bei Drücken und Temperaturen der Erdkruste und des Erdmantels, für das Verständnis und die Modellierung geodynamischer Prozesse unerlässlich.