Forschung in der experimentellen Mineralogie

Magmatische und vulkanische Systeme unter hohen Drücken und Temperaturen können nicht direkt untersucht werden, um ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften und damit verbundene kinetische Prozesse zu erforschen. Die experimentelle Mineralogie bietet entscheidende Werkzeuge, um diese Systeme unter kontrollierten Laborbedingungen zu untersuchen. Dadurch können Phasenbeziehungen, die Löslichkeit und Diffusion flüchtiger Gasbestandteile sowie Entgasungsprozesse bestimmt werden. Diese experimentellen Ergebnisse sind entscheidend für das Verständnis der Eigenschaften und Dynamik von Magma im Inneren der Erde, während explosiver Vulkanausbrüche an der Schnittstelle zwischen Geosphäre, Hydrosphäre und Atmosphäre und sogar bei der Wechselwirkung von geschmolzener glasiger Vulkanasche mit Turbinenschaufeln in Flugzeug Turbinen.

Eigenschaften und Dynamik aufsteigender Magmen

Das Entgasen von H₂O-gesättigter silikatischer Schmelze spielt eine entscheidende Rolle bei der Beeinflussung der Dynamik des Magmaaufstiegs und vulkanischer Eruptionen. Experimentelle Untersuchungen von H₂O-reichem Magma unter kontrollierter Druckentlastung sind von zentraler Bedeutung, um die Phasentrennung von H₂O-Flüssigkeit und Silikat-Schmelze, der damit verbundenen Entgasungsprozesse und schließlich die Interpretation von Texturen und gelösten Gaskomponenten, die in glasigen Gesteinen und Aschen aus Hochrisiko-Vulkansystemen wie Vesuvius, Campi Flegrei und Laacher See enthalten sind, zu verstehen. Diese Studien liefern wertvolle Einblicke in die Bewertung vulkanischer Gefahren.

Sample capsules with partially degassed hydrous Vesuvius melt. Allabar A, Nowak M (2020) EPSL 501, 192-201.

Transmitted light microscopy images of dry VAD79 starting glass and hydrous Vesuvius melt decompressed with four different decompression rates and quenched to glass at similar final pressures. The starting glass is free of vesicles and crystals. In hydrated and subsequently decompressed samples, vesicles are homogeneously dispersed and vesicle number densities are equal within error in all four samples. Vesicles in samples decompressed with ≥0.064MPa·s−1 are nearly uniformly sized and revealing similar porosities. The bright haloes visible around the vesicles out of focus are an optical effect (Becke line).The sample decompressed with 0.024MPa·s−1 has a significantly lower porosity due to diffusional loss of H2O into fringe vesicles during long decompression time before homogeneous phase separation occurred. The scale bar is valid for all images. Allabar A, Nowak M (2020) EPSL 501, 192-201.

Physikalisch-chemische Eigenschaften von Magma mit gelösten Gaskomponenten

and b) show reflected light microscope images of the area mapped with ATR-FPA of decompressed and vesiculated rhyolitic samples. Intersected vesicles are dark and polished glass is light gray. c) to f) show ATR-FPA mapping results plotted with Matlabc. Each pixel represents one spectrum. The pixel size is ~1.1 × 1.1 μm. c) and d) total H2O and e) and f) molecular H2O concentrations. Allabar A, Nowak M (2020) Chemical Geology 556, 119833.

Die Zusammensetzungsvariationen der Gase, die während aktiver vulkanischer Phasen freigesetzt werden, sind noch nicht gut verstanden, was es schwierig macht, solche Prozesse genau zu modellieren. Der Ätna dient als ideales Referenzsystem für experimentelle Studien, da seine Petrologie und die freigesetzten Gasbestandteile bereits ausführlich untersucht und überwacht wurden. Die experimentelle Bestimmung der Verteilung zwischen basaltischen Schmelzen und komplexen H-O-S-Cl-Fluiden in Abhängigkeit von Druck und Temperatur ist entscheidend für die geochemische Modellierung der Entgasung basaltischer Schmelzen. Weitere wichtige Schwerpunkte sind die Bestimmung der Diffusivität und der Diffusionsmechanismen von Gaskomponenten sowie spektroskopische Untersuchungen der strukturellen Einbau-Mechanismen von flüchtigen Bestandteilen in Silikat-Schmelzen unter hohen Temperaturen und Drücken.

Phasenbeziehungen in magmatischen Systemen großer magmatischer Provinzen und geschichteter Intrusionen

Die Bildung großer magmatischer Provinzen in der Erdgeschichte wird häufig mit globalen Klimakrisen und Massenaussterben in Verbindung gebracht, hauptsächlich aufgrund der massiven Freisetzung magmatischer Gase in die Atmosphäre und Hydrosphäre. Neben den Auswirkungen der chemischen Zusammensetzung spielen gelöste Gase und der Sauerstoff-Partialdruck eine entscheidende Rolle in den Phasenbeziehungen, die die magmatische Differentiation und Entgasungstrends beeinflussen. Die Bestimmung der prä-eruptiven Bedingungen der Magmakammern in basaltischen Gesteinen von großen magmatischen Provinzen – durch den Vergleich der Chemie von Gesteinen mit den Ergebnissen von Experimenten zur Gaslöslichkeit und Phasen-Gleichgewichten unter hohen Drücken und Temperaturen – ist unerlässlich, um das Budget gelöster Gase und das Entgasungspotential dieser Provinzen abzuschätzen.

Hochgradig fraktionierte, peralkaline, eisenreiche erdmantelbürtige Schmelzen aus dem Magmatischen Ilímaussaq Komplex (Südgrönland) zeigen ein ungewöhnlich breites Kristallisationsintervall von mehr als 500 °C. Um die Phasenentwicklungstrends zu verfolgen, wird die fraktionierte Kristallisation experimentell unter stark reduzierten Bedingungen simuliert, wobei mehrstufige Experimente in Graphitkapseln durchgeführt werden, um die verschiedenen Stadien der magmatischen Phasen nachzubilden. Diese Daten sind entscheidend, um die Entwicklung der Schmelzzusammensetzung und die Anreicherung von seltenen Erden während der Bildung komplexer magmatischer geschichteter Intrusionen zu modellieren.

Back-scattered electron images of peralkaline phonolitic melt samples equilibrated experimentally at 750 °C conducted using a) high halogen and b) low halogen phonolitic starting glasses. Ae aenigmatite; Afs alkalifeldspar; Cpx clinopyroxene; Eud eudialyte; Fl fluorite; Gl glass; Nph nepheline; Sdl sodalite. Giehl´C, Marks M, Nowak M (2014) Contrib Mineral Petrol 167, 977.

Übergangsmetalle in Silikat-Schmelzen und Kristallphasen

Übergangsmetalle sind wichtige kompatible Spurenelemente in magmatischen Systemen, und ihre Mineral-Schmelze-Verteilung ist entscheidend für das Verständnis wichtiger dynamischer Prozesse wie der Entwicklung des Erdmantels und der Erdkruste. Spektroskopische Studien haben gezeigt, dass die häufigste flüchtige Komponente, H₂O, das Koordinationsumfeld von Übergangselementen beeinflusst. Die Bildung von Hydrathüllen um diese Elemente beeinflusst ihre Verteilung zwischen Silikatschmelzen, Mineralen und Flüssigkeiten erheblich – bis zu zwei Größenordnungen. Dieser Effekt kann Übergangsmetalle von kompatiblen zu leicht inkompatiblen Elementen während der magmatischen Fraktionierung verändern.
Das Hochdruckverhalten von Dichrom-Orthosilikat Cr₂[SiO₄], ein Analogon zum häufigsten Mineral der Erde - Olivin (Mg, Fe)₂[SiO₄] – wurde mittels Absorptionsspektroskopie und Röntgenbeugung in einer Diamantstempelzelle untersucht. Die experimentellen Daten zeigen, dass unter hohem Druck Chromkationen Dimere mit schwachen Metall-Metall-Bindungen innerhalb der Silikatstruktur bilden. Es ist sehr wahrscheinlich, dass multiple Metall-Metall-Bindungen und Dimere Übergangsmetalle in silikatischen Kristall- und Schmelzstrukturen bei hohen Drücken und Temperaturen stabilisieren. Dieses überraschende Ergebnis liefert wichtige geochemische Erkenntnisse für die Fraktionierung von Übergangsmetallen während der frühen Entwicklung der Erde.

The sequence of images shows the change of the light absorption properties von Cr2[SiO4] in VIS at two differently oriented crystal sections, parallel (001) and (010), with increasing pressure from 1 GPa to 12 GPa at room temperature. Two crystals (lower part, right upper part) within the pressure chamber are ruby crystals for pressure control. The diameter of the Diamond Anvil Cell pressure chamber is about 220 µm. Pressure medium is 4:1 methanol-ethanol. Miletich R, Nowak M, Seifert F, Angel RJ, Brandstätter G (1999) Phys Chem Mineral 26, 446-459.

Vulkanasche-Ablagerungen in Gasturbinen und Auswirkungen auf die Sicherheit von Flugzeugturbinen

Die Flugverbot von Verkehrsflugzeugen in Europa aufgrund des Vulkanausbruchs des Eyjafjallajökull im April 2010 in Island hat die Öffentlichkeit auf die potenziellen Gefahren von Durchflügen in Vulkanaschewolken aufmerksam gemacht. Ein ernstes Problem stellt der Ausfall von Flugzeugturbinen aufgrund der Ablagerung von geschmolzenen Silikat-Aschepartikeln auf hochtemperierte Turbinenschaufeln dar. In einer experimentellen Studie zeigen wir den Einfluss der Vulkanaschezusammensetzung, des Kristall-Glas-Verhältnisses und der resultierenden Viskosität auf die Wechselwirkung von Aschepartikeln mit hochtemperierten Turbinenschaufeln. Eine Reihe von vulkanischen Materialien wird verwendet, um das Schmelzen von Asche während des Transports durch die Kerosinflamme im Brennraum und die Ablagerung auf einer Turbinenschaufel aus einer Nickel-Superlegierung zu simulieren, die üblicherweise für die hochtemperierten Komponenten von Flugzeugturbinen verwendet wird. Die Ergebnisse zeigen, wie die Aufschichtung von geschmolzenen Partikeln auf der Schaufel unter bestimmten Umständen zu effizienter Haftung (Benetzung) und anschließender schneller Ansammlung von weiterem geschmolzenem Material führen kann. In anderen Fällen bilden die Aschepartikel eine Glasur oder prallen vollständig von der Schaufel ab. Jede Ablagerung stört den kritischen lamellaren Luftstrom in der Turbine, verstopft das Kühlsystem der Schaufeln und führt schließlich zum Stillstand deTurbine. Die glasigen Ablagerungen können jedoch in unseren Experimenten (sowie „in-flight“ für eine Turbine) entfernt werden, indem die Flamme abgeschaltet wird, sodass die Ablagerungen durch thermischen Stress aufbrechen und sich lösen. Diese derzeit empfohlene Sicherheitsmaßnahme für Flugzeuge funktioniert jedoch nicht für basaltische Schmelzen, die die Oberfläche von Turbinenschaufeln wie eine Emaille effizienter benetzen. Unsere Experimente zeigen, wie die Art der einströmenden Vulkanaschepartikel stark den Typ der Ablagerung beeinflusst, wobei die wichtigen Parameter die Aschezusammensetzung, der Kristallanteil und die Partikelgröße sind.

Verbesserung experimenteller Hochdruck-Hochtemperatur-Techniken

Piezoactor driven Low flow metering valve for our Internally Heated Argon Pressure Vessel

Eine Reihe von experimentellen Hochdruck-Hochtemperatur-Techniken, die an den Grenzen der technischen und materialwissenschaftlichen Machbarkeit arbeiten, ist unerlässlich, um ein breites Spektrum mineralogischer und geologischer Fragestellungen zu untersuchen. Dazu gehören magmatische Differentiation, Magmaaufstieg und Entgasung, explosive Vulkanausbrüche und CO₂-Speicherung in potenziellen Wirtgesteinen an der Schnittstelle von Biosphäre, Hydrosphäre und Geosphäre. Daher ist die erfolgreiche Entwicklung experimenteller Hochdruck-Hochtemperatur-Apparaturen eine Voraussetzung, um extreme Durck- und Temperaturbedingungen zu simulieren. Dies umfasst Innovationen wie die Entwicklung einer Saphirstempelzelle für in situ spektroskopische Studien von H₂O-haltigen Silikatschmelzen, Verbesserungen von Druckautoklaven mit schnellen Abkühleinrichtungen, Sauerstoff-Partialdruckregelung in Druckautoklaven, Höchsttemperatur-Gasdruckautoklaven (bis 1500 °C) und ein Hochdruck-Feindosierventil-Ventil.

Veröffentlichungen zu den genannten Themen sind hier aufgelistet:

uni-tuebingen.de/fakultaeten/mathematisch-naturwissenschaftliche-fakultaet/fachbereiche/geowissenschaften/arbeitsgruppen-kontakte/mineralogie-geodynamik/forschungsbereich/experimentelle-mineralogie/arbeitsgruppe/publikationen/

Einige Forschungs-Perspektiven

Das grundlegende Ziel der Arbeitsgruppe „Experimentelle Mineralogie“ ist es, detaillierte Einblicke in die dynamischen Prozesse des Erdinneren zu gewinnen, die die gegenwärtige Form des Planeten geformt haben und weiterhin unsere Umwelt beeinflussen. Diese Forschung stellt leistungsstarke Werkzeuge zur Untersuchung der Zusammensetzung, Struktur und dynamischen Prozesse des Erdinneren bei hohen Temperaturen und Drücken zur Verfügung. Der treibende Motivationsfaktor ist es, die Wechselwirkungen von Fluiden und flüchtigen Komponenten (z. B. H₂O, CO₂, SO₂/H₂S, F, Cl, Edelgase) mit der Geosphäre zu verstehen, um eruptive Prozesse auf Grundlage der Verteilung flüchtiger Komponenten in vulkanischen Gläsern zu rekonstruieren. Diese Untersuchungen sind sowohl lokal als auch global von Bedeutung: Lokal helfen sie, die potenziellen Gefahren für Bevölkerungen in der Nähe aktiver Vulkane zu bewerten, und global tragen sie zum Verständnis der klimatischen Auswirkungen von großen magmatischen Eruptivprovinzen und Supereruptionen in der Erdgeschichte bei.

Eine wichtige Voraussetzung für die Modellierung von Prozessen, die für den Magmaaufstieg und vulkanische Eruptionen relevant sind, ist ein umfassendes Verständnis sowohl der kinetischen als auch der thermodynamischen Eigenschaften von Magma bei erhöhten Drücken und Temperaturen. Ausgasungs- und Kristallisationsprozesse beeinflussen die rheologischen Eigenschaften von Magma erheblich, was wiederum die Fragmentierung und den Eruptionsstil beeinflusst. Das Piezoaktor-gesteuerte Hochdruck-Niedrigdurchfluss-Ventil, das mit einem Gasdruckbehälter kombiniert wurde, ermöglicht kontrollierte kontinuierliche Dekompressionsversuche, um Ausgasungs- und Kristallisationsprozesse in einer Weise zu untersuchen, die den natürlichen Bedingungen sehr ähnlich ist.

Fluid-Schmelze-Gesteinswechselwirkung: Vom Mikrometer- bis zum globalen Maßstab

Fluid-Gestein-Interaktionen im Mikrometer-Maßstab sind die Auslöser für makroskopische metamorphe Prozesse und führen bei ausreichend hohen Temperaturen zu intensiver Magma-Bildung in der Erdkruste und im oberen Mantel. Fluid-Mineral-Schmelze-Wechselwirkungen spielen auch eine entscheidende Rolle bei der Steuerung des Magmaaufstiegs und vulkanischer Eruptionen.

Unter spezifischen Druck-, Temperatur- und Kompositionsbedingungen kann mithilfe der Thermodynamik das makroskopische Verhalten eines Systems im Gleichgewicht beschrieben werden. Fluid-Schmelze-Gesteinswechselwirkungen werden jedoch sowohl im regionalen geologischen Maßstab als auch auf mikroskopischer Ebene durch dynamische Prozesse auf der Nano- und Mikroskala gesteuert, einschließlich (1) Lösung/Fällung, (2) Rekristallisation, (3) Diffusion an Oberflächen und Korngrenzen sowie (4) Volumendiffusion. Um die Reaktionskinetik von Fluid-Schmelze-Gesteinswechselwirkungen zu untersuchen, müssen sowohl Zeit als auch die Geometrie berücksichtigt werden. Die Analyse chemischer und isotopischer Heterogenitäten sind geeignet, um die Bedingungen und die zeitliche Geschichte dieser Interaktionen zu verstehen, und bieten entscheidende Hinweise auf Prozesse und Raten, die den Massentransfer im globalen Maßstab beeinflussen. Um diese Daten jedoch effektiv zu interpretieren, müssen zunächst die komplexen Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Prozessen, Mechanismen und Raten verstanden werden.

Trotz erheblicher Fortschritte in den letzten Jahrzehnten bleibt die Wechselwirkung zwischen Fluiden, Schmelzen und Mineralen im Nano- und Mikromaßstab eine Herausforderung. Die Schlüsselfaktoren, die Mineralreaktionen, Entgasung, Schmelzbildung, Fluidauflösung und das Ausgasen flüchtiger Stoffe in dynamischen Systemen wie Subduktionszonen oder großen magmatischen Provinzen steuern, die tief im Erdmantel ihren Ursprung haben und wesentliche Bestandteile geochemischer Kreisläufe darstellen, sind nach wie vor unzureichend verstanden. Daher stellt die Verknüpfung experimentell bestimmter Fluid-Mineral-Schmelze-Wechselwirkungen und geochemischer Analysen im Mikromaßstab mit großräumigen geologischen Prozessen eine große Herausforderung dar.

Die oben skizzierten Forschungsperspektiven verdeutlichen, dass die experimentelle Mineralogie eine entscheidende Schnittstelle zwischen verschiedenen Forschungsbereichen wie Petrologie, Geochemie, Geophysik, angewandter Geologie, Kristallographie und Materialwissenschaften ist.