Partiell offene Korn- und Phasengrenzen als Wegsamkeiten für Fluide in metamorphen Gesteinen: neue Beobachtungen und Modellierung

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang W. Schmahl
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 273065999

Mit Hilfe der kombinierten FIB-HRTEM Methode sind Korn- und Phasengrenzen zwischen diversen gesteinsbildenden Mineralen (Plagioklas, K-Feldspat, Amphibol, Pyroxen, Quarz, Calcit) aus unterschiedlichen metamorphen, plutonischen und vulkanischen Gesteinen untersucht worden. Die Grenzen sind teilweise im Bereich von etlichen hundert Nanometern offen und teilweise mit Sekundärmineralen gefüllt, wie z.B. Aktinolith, Biotit, Schichtsilikate und Quarz. Das Öffnen der Grenzen ist halbquantitativ und in 2D als Zusammenspiel zwischen Abkühlungsschrumpfung und Druckentlastungsausdehnung erklärt worden.Um Informationen über die zeitliche Entwicklung der Korngrenzöffnung zu erhalten, sind numerische Simulationen in 3D durchgeführt worden, bei denen Kontaktmechanik mit der Finite-Elemente-Methode kombiniert wurde. Der Vergleich mit natürlichem Quarzit deutet auf eine Dehnungsfestigkeit der Grenzen von ca. 25 MPa hin. Die Modellierung führt zu ca. 55 % offenen Grenzen, in guter Übereinstimmung mit natürlichen Werten, die aus früheren Arbeiten und aus den Untersuchungen der ersten drei Projektjahre stammen. Darüber hinaus zeigt die Modellierung, dass Quarzkorngrenzen sich bei Abkühlung und Druckentlastung (beginnend bei 300 °C und 300 MPa) bei ca. 220°C bzw. 220 MPa öffnen. Auch das passt zu natürlichen Werten und belegt die Verlässlichkeit der Modellierung und ihrer grundlegenden Annahmen. Während des beantragten vierten Projektjahres sollen die Früchte der schwierigen und zeitaufwändigen Implementierung des numerischen Modells geerntet werden. Insbesondere soll (i) ein energie-basiertes Bruchentwicklungs-Kriterum benutzt werden, um die Korngrenzöffnung zu simulieren und um die Voraussetzungen der ersten Modellierungsphase zu testen und zu verfeinern und sie mit vorhandenen Labordaten zur Bruchfestigkeit von Quarzit zu vergleichen; (ii) der Einfluss der Korngröße auf die Korngrenzöffnungsweiten untersucht werden; und (iii) die experimentell abgeleitete Korngrenztheologie für Quarz getestet werden. Bruchmuster der Grenzen in 3D-Modellen natürlichen Quarzits sollen mit den Ergebnissen entsprechender Simulationen verglichen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Australien, Schweiz
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Jörn H. Kruhl
• Kooperationspartner: Dr. Luiz F.G Morales; Dr. Christoph Schrank