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Es wird an dieser Stelle nur über die wichtigen, derzeit laufenden Projekte berichtet. Informationen über abgeschlossene Teilprojekte sind in den Abschnitten 4.1 und 4.2 in Form von Literaturzitaten angegeben. Die Beiträge des Kapitels 3 sind nicht zitierfähig.

3.1 Phasenumwandlungen, Deformation und Eigenschaften von Mineralen des Erdmantels

Mit zunehmender Tiefe im Erdmantel durchlaufen Minerale, die bei niedrigeren Drücken stabil sind, Phasenumwandlungen in dichtere Phasen. Aus diesem Grunde besitzt der Erdmantel mineralogisch eine Schichtstruktur, bei der im oberen Mantel bis in eine Tiefe von 410 km Olivin, Pyroxen und Granat und zwischen 410 und 660 km (MgFe)₂SiO₄-Modifikationen (Wadsleyit, Ringwoodit) und Granat dominieren. Silikatischer Perowskit + Magnesiowüstit stellen die verbreitetsten Phasen im unteren Mantel unterhalb von 660 km dar. Umwandlungen dieser Phasen, die überwiegend in Tiefen zwischen 410 - 660 km auftreten, kontrollieren sowohl die Dynamik einer tiefreichenden Subduktion als auch großräumige Konvektionsvorgänge im Erdmantel. Eine genaue Bestimmung physikalischer und chemischer Eigenschaften der Hochdruck-Phasen ist daher für das Verständnis der Dynamik des Erdmantels wichtig. Mechanismen und Kinetik der Phasentransformationen bestimmen die mineralogische Struktur, die Rheologie, Auftriebskräfte und Spannungszustände in subduzierten Platten der Lithosphäre, wie in verschiedenen Beiträgen dieses Kapitels diskutiert wird. Die Konvektion im Mantel wird von der Rheologie der Übergangszone und des unteren Erdmantels gesteuert. Ergebnisse einer ersten Untersuchung zur plastischen Deformation von (MgFe)₂SiO₄-Ringwoodit bei 16 GPa und 1400-1600 K werden hier vorgestellt. Für die Rheologie ebenfalls von Bedeutung ist die Kinetik des Kornwachstums in polymineralischen Gesteinen. Kornwachstum begrenzt die Dauer der "superplastischen" (korngrößenabhängigen) Verformung, die bei sehr kleinen Korngrößen auftritt. Die Beiträge am Ende dieses Kapitels befassen sich mit Ergebnissen aus Untersuchungen der Kationen-Diffusion und der elektrischen Leitfähigkeit in den Hochdruckmineralen des Erdmantels, Wadsleyit und Ringwoodit. Es wurde nachgewiesen, daß beide Prozesse in diesen Mineralen viel schneller ablaufen als in Olivin (der Niedrigdruck-Modifikation), eine Tatsache, die große Auswirkungen auf die Defektchemie dieser Phasen sowie auf die Geschwindigkeit des Reaktionsablaufes und der Gleichgewichtseinstellung im tiefen Erdmantel hat.

3.2 Geochemie bei hohen Drücken und Temperaturen

Unbeantwortete Fragen zum Verständnis des Erdinneren sind Bildung, Transportvorgänge und chemische Wechselbeziehungen im Zusammenhang mit silikatischen Schmelzen. Weitgehend unverstanden sind einerseits globale Probleme wie z.B. die Art der Erdkernbildung (d.h. homogen oder heterogen) in der frühen Entstehungsgeschichte der Erde, die für die Verteilung der siderophilen Elemente im Erdmantel (als "Anomalie siderophiler Elemente" bekannt) verantwortlich ist. Andere Fragen beziehen sich auf lokalere Prozesse, wie z.B. auf die Entstehungsursachen und Entwicklung von Karbonatiten, die zusammen mit ultramafischen Alkaligesteinen in komplexen Intrusionen auftreten, oder wie die umstrittene Petrogense von Glaseinschlüssen exoitischer Zusammensetzung in Mantelxenolithen aus Spinell-Peridotit oder wie die heiß debattierte Abstammung K-reicher- bis K-übersättigter Magmen (d.h. homogenes oder heterogenes Aufschmelzen).

Die Hochdruck-Apparaturen am Geoinstitut (Vielstempel-Pressen, Stempelzylinder-Pressen und Rotationszentrifuge mit Autoklaven) trugen ausgiebig und systematisch zur Beantwortung dieser Fragen bei. Die Nachahmung von Zusammensetzungen und von Eigenschaften (z.B. Elementmuster, Lösungsstrukturen) natürlicher Erdmaterie ist das verbindende Ziel der experimentellen Hochdruck-Studien.

Die Hauptziele der im Folgenden beschriebenen Projekte sind: (1) Bestimmung der Elementverteilung zwischen Magnesiowüstit und Silikatschmelze bei hohen Drücken und Temperaturen, um zu testen, ob Mineralfraktionierung zur Verarmung des heutigen Erdmantels an siderophilen Elementen beitrug. (2) Elementverteilung zwischen nicht mischbarem Karbonat und Silikatschmelze. Der Einsatz einer speziell für derartige Versuche zugeschnittenen Rotationszentrifuge mit Autoklaven umgeht technische und analytische Probleme. (3) Bestimmung der Orthopyroxen-Zersetzung in Alkalischmelzen zur Klärung, ob Glaseinschlüsse in Xenolithen durch metasomatische Prozesse im Erdmantel gebildet wurden, oder nicht. (4) Verbesserung des Verständnisses über die Herkunft K-reicher Magmen durch Aufschmelzexperimente an heterogenen Gang-/Wirtsgesteinen.

3.3 Kristallchemie und Struktur

Die Forschungsziele, die am Bayerischen Geoinstitut unter dem Aspekt der Kristallchemie verfolgt werden, zielen auf das Verständnis von Mineraleigenschaften basierend auf ihrer Struktur und der Bindung zwischen den Atomen. Dieses Ziel kann jedoch allein nicht durch die Betrachtung von bestimmten Mineralen erreicht werden, sondern vielmehr durch den Vergleich ähnlich strukturierter Mineralphasen. Konzepte der Mineralphysik zum physikalischen Verhalten müssen anhand analoger Beispiele verifiziert werden. Eine derartige Annäherung an eine wissenschaftliche Fragestellung ist seit langer Zeit die Grundphilosophie des Instituts gewesen: einfache experimentelle Systeme werden häufig verwendet, um ein Verständnis über komplexere natürliche Systeme zu erlangen. Beispiele für diese Vorgehensweise stellen in diesem Kapitel die experimentellen Untersuchungen der Fe³⁺-Substitution in Perowskiten und die Bestimmung des Phasenübergangsverhaltens von Akermanit dar. Aber diese Annäherung wurde im Berichtsjahr auf das Studium von Analog-Systemen ausgedehnt, somit einen Schritt weiter entfernt von natürlichen Mineralen. Zum Beispiel konnte unser Verständnis über die Stabilität des Minerals Wadsleyit, einer Hauptkomponente der Übergangszone, anhand von Untersuchungen der isotypen Spinelloide, die in diesem Jahr in dem System Magnetit-Fayalit gefunden wurden, getestet und weiterentwickelt werden. Das Bindungsverhalten von Cr²⁺-Kationen in Chrom-Silikat (und die Begründung, warum diese Zusammensetzung nicht die erwartete Olivinstruktur ausbildet) konnte nur durch Paralleluntersuchungen am isotypen Cadmium-Silikat erläutert werden. Das Übergangs-verhalten von Granat, einer im Erdmantel verbreiteten Mineralphase, kann durch Untersuchungen des Verhaltens von analogen Granaten von Übergangsmetallen studiert werden.

Aber ein Konzept über analoges Verhalten ist noch weitreichender als ein einfacheres Konzept über analoge Strukturen. Der im Kalzium-Silikat CaSi₂O₅ entdeckte Phasenübergang hat uns zum ersten Male Gelegenheit gegeben, den Koordinationswechsel von Silizium in kristallinen Festkörpern zu untersuchen, ein Prozess, der möglicherweise die physikalischen Eigenschaften von Schmelzen im oberen Erdmantel beherrscht. Analog dazu lieferten Untersuchungen verdichteter Germaniumoxid-Gläser Einblicke in die Antriebskräfte von Schmelz- und Amorphisationsvorgängen.

Aus den hier angeführten Beispielen kann der Trend verdeutlicht werden, daß sich zukünftig für geowissenschaftliche Fragestellungen angewandte kristallchemische Untersuchungen eigentlich von der "klassischen" Mineralogie und Erdmaterie weiter entfernen. Derartige Studien müssen über einen weit größeren Bereich von Strukturen und Chemismen verfolgt werden. Sie müssen auch auf Gebiete ausgedehnt werden, die augenscheinlich keine direkte Beziehung zur Mineralogie aufweisen, da physikalisches Verhalten keine Rücksicht auf derartige künstliche Abgrenzungen nimmt, wie sie zwischen der Mineralogie, der Physik und der Chemie häufig bestehen.
 
 

3.4 Metamorphose entlang unterschiedlicher Zeitachsen

Rückschlüsse über den Verlauf zahlreicher tektonischer Prozesse lassen sich aus Druck-Temperatur-Zeit-Pfaden (P-T-t) ziehen, die sich aus metamorphen Gesteinen ermitteln lassen. Eine der bedeutendsten Aufgaben von Petrologen liegt daher in der Entschlüsselung metamorpher Zeitskalen mit Hilfe von Anhaltspunkten, die in Chemismus und Mikrostrukturen der fraglichen Gesteine zu finden sind. Diese Zeitskalen können sowohl Sekunden (bei "Impact"-Ereignissen), Jahrtausende (im Zusammenhang mit Kontaktmetamorphose), als auch Jahrmillionen (Regionalmetamorphose) umfassen. Weitere Komplikationen bei der metamorphen Entschlüsselung sind dadurch begründet, daß Metamorphosevorgänge auf dieser Zeitachse als Reaktion auf Kurzzeit-Ereignisse diskontinuierlich sein können, wie zum Beispiel bei Reaktion mit Fluiden oder durch kurzzeitige thermische Störungen. In derartigen Fällen wird normalerweise lediglich ein begrenzter metamorpher Einfluß in Form heterogen verteilter und sich nicht im Gleichgewicht befindlicher Mineralvergesellschaftungen und Mikrostrukturen sichtbar.

Derartige Heterogenität wird besonders in Gesteinen angetroffen, die von einem extraterrestrischen "Impact"-Ereignis betroffen wurden, mit dem, obwohl extrem kurzzeitig, sehr hohe Drücke und Temperaturen verbunden gewesen sein können. Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) wird immer mehr zu einem sehr nützlichen Werkzeug, um Phasen und Mikrostrukturen zu bestimmen, die für eine Stoßwellen-Metamorphose bezeichnend sind. Erst mit diesen Methoden wird es möglich, die Ursache von Kraterstrukturen wie von Chixulub und Sudbury, vermutlich zwei der größten Einschlagskrater der Welt, unzweifelhaft zu begründen. Wegen ihrer einzigartigen Möglichkeiten der Darstellung von Mikrostrukturen und der chemischen Analytik im Nanometer-Maßstab, läßt sich die Transmissionselektronenmikroskopie weiterhin in der Untersuchung von Diffusionsprozessen im Nahbereich, die bei niedrigen Temperaturen bzw. in kurzer Zeit ablaufen, verwenden. Mit dem Einsatz dieser Methode wurden neue experimentelle Daten über die Fe-Mg-Diffusion in Olivin bei so niedrigen Temperaturen wie 800°C gewonnen, ein entscheidener Schritt zur Beurteilung der Frage, ob bei höheren Temperaturen gemessene Diffusionskoeffizienten verläßlich extrapoliert werden können. Derartige experimentelle Daten werden letztendlich benötigt, um Diffusionsprofile zu interpretieren, die in natürlichen Gesteinen erfaßt werden. Unter günstigen Umständen lassen sich mit diesen Ergebnissen Abkühlungsraten in natürlichen Gesteinen modellieren und daraus Schlüsse über die Zeiträume der Freilegung metamorpher Gesteine ziehen. Wie in einem detaillierten petrologischen Beitrag in diesem Kapitel erläutert, kann der Gebrauch einer derartigen Modellierung mit Unsicherheiten befrachtet sein, wenn es sich herausstellt, daß Abschätzungen über das Verhältnis von schneller Korngrenzen-Diffusion zu Volumen-Diffusion zu ungenau sind. Wahrscheinlichster Grund für eine Fehlannahme kann das Fehlen von Fluiden sein, von denen, wie man weiß, die Korngrenzen-Diffusion wesentlich beschleunigt wird. Es ist ebenso deutlich geworden, daß fehlende Fluide die Hauptursache für die Erhaltung metastabiler Phasen wie Coesit sein können. Coesit findet sich in Gesteinen, die durch Subduktion in Tiefen von über 100 km sehr hohen Drücken ausgesetzt waren, bevor sie wieder an die Erdoberfläche gelangten. Aus Untersuchungen natürlicher Probenmaterialien mittels Infrarot-Spektroskopie (FTIR) ist anzunehmen, daß die Umwandlung von Coesit vorwiegend schlagartig einsetzt und durch die Reaktion mit Fluiden bei niedrigen Temperaturen ausgelöst wird.
 
 

3.5 Fluide und ihre Wechselwirkung mit silikatischen Schmelzen und Mineralen.

Im vergangenen Jahr befaßten sich mehrere Untersuchungen am Bayerischen Geoinstitut mit der Verteilung von Wasser zwischen den Phasen des Erdmantels. Während Wasser im oberen Mantel nur in Spuren vorhanden ist, gibt es gute Gründe für die Annahme, daß Wasser in einigen Phasen der Übergangszone und des unteren Mantels angereichert sein könnte. Dies würde bedeuten, daß möglicherweise im Erdinneren noch größere Wasserreservoire vorhanden sind. Insbesondere wurde spekuliert, daß OH^--Gruppen leicht in die Struktur von MgSiO₃-Perowskit, dem Hauptbestandteil des unteren Mantels, eingebaut werden könnten. Da diese Phase ungefähr 50% der gesamten Masse der Erde ausmacht, würden sogar Spuren von OH^--Defekten in ihrer Struktur ein Wasserreservoir darstellen, welches mit der Gesamtmasse aller Ozeane vergleichbar wäre. Erste Experimente im System MgO-SiO₂ zeigen, daß die Ilmenit-Modifikation von MgSiO₃ in der Tat einige Tausend ppm Wasser einbauen kann, wohingegen die Perowskit-Phase im Gleichgewicht mit MgSiO₃-Ilmenit faktisch wasserfrei ist. Dies könnte sich jedoch bei Anwesenheit von chemischen Defekten, die möglicherweise die Aufnahme von OH^--Gruppen erleichtern, ändern. Tatsächlich ergaben systematische Untersuchungen, daß die Wasserlöslichkeit in MgSiO₃-Enstatit bei Anwesenheit von Aluminium stark erhöht wird, wahrscheinlich wegen der Substitution von H⁺+Al³⁺ für Si⁴⁺.

Sogar im oberen Mantel mit einem normalerweise nur geringen Wasseranteil können enorme Mengen wässeriger Lösungen durch Dehydrationsvorgänge in Subduktionszonen freigesetzt werden. Frühere Arbeiten in Bayreuth haben zumindest für das System Albit-H₂O gezeigt, daß vollständige Mischbarkeit zwischen Silikatschmelze und wässerigen Fluiden besteht unter den PT-Bedingungen im unteren Teil von Subduktionszonen. Durch eine Ausweitung dieser Untersuchungen auf komplexere Systeme mit für den Erdmantel relevanten Zusammensetzungen konnten wir nun zeigen, daß dies auch für einen weiten Zusammensetzungsbereich natürlicher Silikatschmelzen gilt. Weitere Fortschritte wurden auch gemacht bei der Untersuchung der Speziation von Wasser in komplexen Alumo-Silikatschmelzen als Funktion von Druck und Temperatur. Ein gemeinsamer Aspekt dieser Projekte ist der Einsatz eines speziellen Typs von außenbeheizten Diamantzellen für Infrarot-Studien, welcher in Bayreuth entwickelt wurde.

Neben Wasser stellen Kohlendioxid und Schwefelverbindungen die wichtigsten Fluidbestandteile in Kruste und Mantel dar. Erste Studien zur direkten Bestimmung der Speziation von CO₂ in Silikatschmelzen bei hohen Drücken und Temperaturen mit Raman- und Infrarot-Techniken wurden begonnen. Untersuchungen zur Verteilung von Schwefel zwischen Silikatschmelze und wasserhaltigen Fluiden sind dagegen fast abgeschlossen. Diese Messungen erklären, warum einer vulkanischen Eruption häufig erhöhte Schwefelemissionen vorausgehen. Weiterhin erlauben diese Daten eine Abschätzung der Masse von freier fluider Phase in der Magmenkammer vor der Eruption.
 
 

3.6 Physikalische und chemische Eigenschaften von Schmelzen

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Schmelzen werden von der strukturellen Anordnung von Atomen bzw. von atomaren Baueinheiten und derem dynamischen Verhalten beeinflußt. Obwohl nur sehr schwer zu bestimmen und zu beschreiben, sind die Art dieser Einheiten und ihre Ordnung im nahen und mittelfernen Bereich der Schlüssel zum Verständnis der Systematik von Schmelzeigenschaften sowie der Extrapolation dieser Eigenschaften auf unerreichbare Temperatur-, Druck und Zusammensetzungsbedingungen. Umgekehrt kann eine zusammensetzungsabhängige Änderung physikalischer und chemischer Eigenschaften Strukturwechsel verdeutlichen. Im Folgenden werden unterschiedliche Problemstellungen zu physikalischen und chemischen Eigenschaften von Schmelzen von der strukturellen Seite her dargestellt:

• die Speziation silikatischer Polymereinheiten in Modellgläsern,
• der Einfluß von Aluminium auf die Struktur von Kalzium-Alumosilikat-Schmelzen,
• der Einfluß der Koordination von Übergangsmetallen auf die Glasübergangstemperatur und Dichte,
• die Wirkung anionischer Spezies auf die Viskosität,
• die Speziation und Löslichkeit von "high-field-strength"-Elementen in Schmelzen.

 

3.7 Zur Physik magmatischer Systeme

Die komplizierte, vollständige Beschreibung physikalischer Zustände und Eigenschaften von Magmen stellt eine offene Herausforderung für experimentelle Laboruntersuchungen der Erdmaterie dar. Die natürliche Komplexizität von Phasenvergesellschaftungen, Ausbildungen von Phasengrenzen, chemische Heterogenitäten innerhalb der Phasen sind Folge der relativ komplizierten petrogenetischen Geschichte, die für magmatische Systeme in einem relativ spätem Entwicklungsstadium und in relativ oberflächennahen Stockwerken in der Erdkruste typisch ist. Vulkanismus ist eine der spektakulärsten Konsequenzen oberflächennaher magmatischer Aktivität. In diesem Kapitel werden in einer Reihe von Beiträgen verschiedene Aspekte zur Rolle beteiligter Materialien und zu Prozessmechanismen bei explosivem und effusivem Vulkanismus diskutiert.
 
 

3.8 Methodische Entwicklungen

Innovation und Fortschritt werden in der Labormethodik immer bedeutender, je mehr wir aufgrund der verschiedenartigsten geophysikalischen Beobachtungen über das Erdinnere lernen. Die Charakterisierung von Materie, sei es bei Umgebungs- oder unter extremen Experimentbedingungen, muß akkurater und präziser erfolgen, um zu genaueren physikalischen und dynamischen Modellen für die Erde zu gelangen. Zu unseren Zielen gehört daher (1) eine Verbesserung der bestehenden Technik, sei es z.B. die Ausweitung der Druck- und Temperaturgrenzen oder verbesserte Analysemethoden und (2) die Neu-entwicklung von Techniken, entweder als Erweiterung bestehender Methoden oder derart, daß sie Zugangswege zu ganz neuen Forschungsgebieten erschließen können. Wir fassen im Folgenden die neuesten Entwicklungen am Bayerischen Geoinstitut zusammen.