Der Einfluss der Kristallgrößenverteilung auf dynamische Prozesse in magmatischen Systemen

• Antragsteller: Professor Dr. Jonathan Castro; Dr. Sebastian Müller
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 253685848

Fließbewegungen von Magma sind ein integraler Bestandteil vulkanischer Aktivität. Ob ein Vulkan effusiv oder explosiv ausbricht, ist oft nur auf verschiedene Fließeigenschaften der Gesteinsschmelze zurückzuführen. Um das Gefahrenpotential von Eruptionen besser beurteilen und vorhersagen zu können, ist es deshalb von ausschlaggebender Bedeutung, magmatische Fließprozesse grundlegend und präzise quantifizieren zu können, kurz, die Rheologie des Magmas zu kennen. Trotz signifikanter Fortschritte im Verständnis der rheologischen Eigenschaften von reinen silikatischen Schmelzen, sowie von Schmelz-Kristall-Mischungen (Suspensionen), ist der Einfluss der Kristallgrößenverteilung (crystal size distribution, CSD) auf das Fließverhalten von Magma immer noch weitestgehend unbekannt. Gerade die Größenverteilung kann jedoch die Packungsdichte der Kristalle bei gleichbleibendem Kristallgehalt entscheidend verändern, und damit auch die gesamte Magmenrheologie. Sämtliche bis dato entwickelten numerischen Modelle zur Simulation von Magmenaufstieg, -eruption und -ablagerung basieren auf Partikeln einheitlicher Größe. Natürliches Magma besteht jedoch fast immer aus mehreren Kristallphasen und -populationen unterschiedlicher Größe. Um Viskosität und Fließverhalten einer solchen polydispersen Suspension akkurat vorhersagen zu können, ist es deshalb von wesentlicher Bedeutung, die Zusammenhänge zwischen CSD und Rheologie quantitativ zu verstehen. Die Ziele des hier beantragten Projektes sind (a) experimentell und systematisch zu untersuchen, wie sich verschiedene Partikelgrößenverteilungen auf die Rheologie einer Suspension auswirken, und (b) zu untersuchen, wie sich -unter besonderer Berücksichtigung der Entwicklung der Kristalltextur- die Rheologie von Magmen während des Aufstieg und der Eruption verändert. Unser wissenschaftlicher Ansatz basiert auf einer neuartigen Kombination von grundlegenden Analog-Fließexperimenten mit Hochdruck-Hochtemperatur (HP/HT)-Experimenten an natürlichen Proben. Entsprechend soll das Gesamtprojekt aus zwei Teilen bestehen: (I) Rheometrische Analogexperimente an polydispersen Partikelsuspensionen, mit dem Ziel, fundamentale Gesetzmäßigkeiten hinsichtlich des Einflusses der Partikelgrößenverteilung auf die Rheologie zu entwickeln. (II) Petrologische HP/HT- Experimente, um beispielhaft für zwei Magmenzusammensetzungen (basaltisch & andesitisch) die Zusammenhänge zwischen natürlichen Kristallgrößenverteilungen und -texturen und den Parametern Druck, Temperatur und Dekompressionsrate zu erforschen. Ein zentrales Element dieser synergistischen Herangehensweise wird es sein, die mittels der HP/HT-Experimente gewonnenen Informationen dazu zu benutzen, analoge Proben mit denselben texturellen Eigenschaften herzustellen. An diesen Analogproben sollen dann präzise rheometrische Messungen durchgeführt werden, deren Ergebnisse wiederum zur Entwicklung eines rheologischen Profils des vulkanischen Magmensystems genutzt werden sollen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Rheometer
• Gerätegruppe: 1610 Viskosimeter, Rheometer