Fluidpermeabilität und Speziation in Subduktionszonen

• Antragsteller: Professor Dr. Daniel J. Frost
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 539187065

Aus Subduktionszonen stammende H2O-reiche Fluide erhöhen den Schmelzgrad und führen zu Metasomatismus und möglicherweise zur Oxidation der Mantelquelle von Inselbogenmagmen. Serpentinite sind wichtige Träger von H2O und Eisen(III) in Subduktionszonen. Obwohl die Dehydratisierung von Serpentiniten ausgiebig untersucht wurde, ist nicht bekannt, ob und in welchem Zeitrahmen die freigesetzten Fluide in den Mantelkeil eindringen können oder ob in diesen Fluiden oxidierte Spezies existieren, die die Oxidation der Mantelquelle erklären könnten. Der Migrationsmechanismus von Mantelfluiden und die Frage, ob es zu einem konzentrierten oder flächendeckenden Fluss kommt, ist wichtig, da er die Position von Inselbogenvulkanen und das Ausmaß, in dem H2O-lösliche Elemente aus der Platte freigesetzt werden, beeinflussen kann. Wenn die Migrationsgeschwindigkeit im Vergleich zur Subduktionsgeschwindigkeit gering ist, können die Flüssigkeiten in den tiefen Mantel subduziert werden. In Vorarbeiten haben wir eine neue experimentelle Methode zur Bestimmung des H2O-Flusses durch eine Mineralparagenese unter den Bedingungen der Dehydratisierung des Plattenmantels entwickelt. Eine Flüssigkeitsquelle, z. B. Serpentinit, wird dehydriert, um einen Überdruck in der Porenflüssigkeit zu erzeugen. Das Fluid migriert durch einen darüber liegenden Kern aus heißgepresstem Olivin oder Pyroxen und wird in einer MgO-Senke auf der anderen Seite des Kerns durch die Bildung von Brucit aufgefangen. Anhand des Volumens des gebildeten Brucits lässt sich der Flüssigkeitsstrom bestimmen. Das Hinzufügen von FeS in der Serpentinit-Fluidquelle und von Eisenmetall in der MgO-Senke, ermöglicht die Migration einer oxidierten Fluidphase zu verfolgen. Die Ergebnisse zeigen, dass H2O unter Serpentinit-Dehydratationsbedingungen vorwiegend diffusiv durch eine Olivinparagenese migriert, wodurch Olivin-Gestein effektiv undurchlässig wird. In diesem Antrag werden wir die Grenzen dieses Verhaltens untersuchen und mit der neuen Methode Gitter- und Korngrenzendiffusionskoeffizienten für H2O in Mantelparagenesen bestimmen. Die Experimente zeigen auch, dass poröses Fließen in Orthopyroxen auftreten kann. Wir werden die Bedingungen und die Zeitskala erforschen, über die orthopyroxenreiche Gesteine H2O transportieren können, sowie die Auswirkungen von Korngröße und Olivingehalt auf diesen Vorgang untersuchen. Schließlich werden wir unsere vorläufigen Ergebnisse, dass eine mobile schwefelhaltige Flüssigkeit bei der Dehydratisierung von Serpentinit entsteht, weiter studieren und ihre Mobilität und ihr Redoxpotential bestimmen. So werden wir auf vielversprechenden vorläufigen Ergebnissen aufbauen, um die Zeitskala zu bestimmen, die erforderlich ist, damit H2O-reiche Fluide durch ursprünglich trockene überlagernde peridotitische und eklogitische Gesteine migrieren können, und um zu bewerten, ob und in welchem Umfang ein mobiles schwefelhaltiges Fluid den Mantelkeil oxidieren kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Marcel Thielmann