Durchflussstärke und akustischer Emissionen von Geomaterialien bei hohen Drücken

• Antragsteller: Professor Dr. Daniel J. Frost, seit 5/2017
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers ; Paläontologie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 339850624

Dynamische Mantelprozesse in der Erde, die die plattentektonischen Bewegungen antreiben, haben unseren Planeten in einen verwandelt, der im Sonnensystem einzigartig ist. Trotz einiger Durchbrüche bei Untersuchungen von Gesteinsdeformation im Labor ist unser Verständnis der grundlegenden Mechanismen der Plattentektonik aufgrund von experimentellen Limitierungen immer noch sehr rudimentär.Experimentelle Messungen des Hochtemperaturfliessens von Krusten- und Mantelgesteinen begannen in den 60er Jahren, aber Spannungs-Verformungs-Messungen konnten mit hoher Genauigkeit nur unter krustalen p,T-Bedingungen durchgeführt werden. Eine weitere wichtige technische Entwicklung fand in den 2000er Jahren statt, als die Vielstempel-Technologie mit in-situ Synchrotron Röntgenbeugungstechniken kombiniert wurde, so dass Probenspannungen bei kontrollierter Verformung unter hohem Druck abgeschätz werden konnten. Aufgrund unzureichender theoretischer Grundlagen sowie experimenteller Limitierungen haben diese Stressabschätzungen jedoch immer noch inakzeptabel hohe Unsicherheiten von ca. 1 GPa. Dieser Mangel an Genauigkeit verhindert die Durchführung robuster Messungen des Fliessverhaltens, d.h. der Viskosität, von Mantelgesteinen.Ein dritter Durchbruch im Gebiet der Hochdruckgesteinsphysik ist daher notwendig, um einen Fortschritt zu erreichen. In dem vorgeschlagenen Projekt wird ein interner piezoelektrischer Spannungssensor für grossvolumige Hochdruckpressen entwickelt, mit dem die Viskosität von Olivin unter hohem Druck präzise bestimmt werden kann. Darüberhinaus wird der Spannungssensor für Spannungsmessungen im Zusammenhang mit der Aufzeichnung und Ortsbestimmung akustischer Emissionen während der experimentellen Gesteinsdeformation verwendet werden. Pilotexperimente haben die Durchführbarkeit dieser Technologie und ihre klare Überlegenheit gegenüber anderen Methoden der Spannungsmessung demonstriert. Mithilfe der entwickelten Technologie werden zwei wichtige Probleme bearbeitet. 1) Die Ursache und die Grössenordnung von Viskositätsänderungen werden bestimmt, die für den Übergang in rheologischen Eigenschaften zwischen Lithosphäre und Asthenosphäre verantwortlich sind. 2) Der Ursprung von Erdbeben in Subduktionszonen wird mithilfe der Aufzeichnung von in-situ akustischen Emissionen untersucht. Das Erreichen der dargestellten Ziele wird dann auch die zukünftige Zusammenarbeit mit Geodynamikern (z.B. hier am Bayerischen Geoinstitut) ermöglichen, um mit numerischen Modellen die im Labor beobachteten Prozesse auf den Grössenmassstab der Erde herauf zu skalieren. Die erwarteten Resultate des Flac Projektes sind daher essentiell für ein vertieftes Verständnis der Vorgänge im Inneren der Erde.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Robert Farla, bis 5/2017