Magnetischer Ermüdungsprozess von Magnetit: Einfluss von zyklischer Belastung auf das magnetische und mikrostrukturelle Verhalten bei erhöhten Temperaturen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Agnes Kontny; Professor Dr. Frank Rüdiger Schilling; Dr.-Ing. Mario Walter
• Fachliche Zuordnung: Paläontologie ; Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 329643415

Magnetische Eigenschaften von Gesteinen reagieren auf Verformungen in der Erdkruste, welche von langsamen plattentektonischen Prozessen über vulkanische Ausbrüche bis hin zu hochdynamischen seismischen Ereignissen reichen können. Bisher wurden Änderungen der magnetischen Eigenschaften hauptsächlich mittels statischer Verformungsexperimente untersucht. Es ist allgemein anerkannt, dass tektonische Spannungen zuerst ungleichmäßig akkumulieren und im Folgenden rasch anwachsen. Ein schneller Spannungszuwachs könnte speziell dann dominant sein, wenn die tektonische Belastung einen zyklischen Charakter unter erhöhten Temperaturen aufweist. Diese Annahme lässt die Frage aufkommen, ob die magnetischen Eigenschaften von Gesteinen auf zyklische Verformung reagieren. Überaschenderweise liegen hierzu bisher kaum Erkenntnisse aus dem Bereich der Geowissenschaften vor. Unsere Voruntersuchungen zeigen allerdings deutlich dass dynamische Belastung zu einer Abschwächung der magnetischen Eigenschaften eines Magnetit-haltigen Erzes führen, hier als magnetischer Ermüdungsprozess bezeichnet. Vorversuche mit Wechseldruckbelastung an Magnetit-haltigen Proben bei 500°C zeigen eine nichtlineare Beziehung zwischen zunehmender Belastungsfrequenz und dem magnetischen Verhalten, beispielsweise der Verwey Übergangstemperatur, der magnetischen Remanenz und der Koerzitivfeldstärke. Zusätzlich kann eine drastische nichtlineare Abnahme der magnetischen Suszeptibilität und ihrer Anisotropie in Abhängigkeit der Beanspruchungsdauer festgestellt werden. Ziel unseres Projekts ist es die magnetische Ermüdungs-Hypothese von Geomaterialien zu testen. Dies beinhaltet die Untersuchungen irreversibler (Mikrorisse, Leerstellenanordnung, Versetzungen, Zwillinge) sowie reversibler Eigenschaften (Magnetostriktion, elastische Verformung). Zu diesem Zweck sollen ein Magnetit-Erz, Magnetit-Einkristalle und Magnetit-haltige Gesteine nach unterschiedlichen Wechselbelastungen mittels verschiedener magnetischer Methoden sowie mit Hilfe von mineralogischen und mikrostrukturellen Techniken untersucht werden. Auf Basis der erhaltenen Ergebnisse sollen Verformungskarten bezogen auf das magnetische Verhalten von Magnetit erstellt werden. Wir erwarten von diesem Projekt grundlegende Erkenntnisse zur Wechselwirkung von magnetischem Feld und dessen Spannungssensitivität. Dieser Zusammenhang ist aktuell nur unzureichend verstanden, vor allem in Bezug auf die ihm zugrunde liegenden mikrostrukturellen Mechanismen. Das Verständnis hierüber könnte jedoch enorm wichtig sein, um die in der Erdkruste weit verbreiteten magnetischen Signale verformter Gesteine differenziert interpretieren zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen