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3. Forschungsprojekte

Es wird an dieser Stelle über die wichtigsten, 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 sollen nicht zitiert werden.

3.1 Physikalische Eigenschaften von Feststoffen

Prozesse und Zustände im Erdinneren können nur indirekt beobachtet werden. Zu ihrem Verständnis müssen Erkenntnisse verschiedener geowissenschaftlicher Disziplinen verknüpft werden. Wissenschaftler des Geoinstituts bestimmen experimentell die physikalischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften von Mineralen, die als wahrscheinliche Bestandteile des Erdmantels angesehen werden. Für ein globales Bild des Aufbaus der tiefen Erde und der in ihr ablaufenden Prozesse ist die Kenntnis der Struktur von einzelnen Mineralen im atomistischen Maßstab unverzichtbar. Die Atomanordungen variieren in der Regel durch die Druck- und Temperatureinflüsse; dies führt zu Phasenübergängen oder kontinuierlichen Veränderungen in der Feinstruktur der Minerale. Die detaillierte Untersuchung des atomaren Aufbaus potenzieller Mantelminerale ist daher ein entscheidender Schritt, da es die Struktur eines Festkörpers ist, die seine physikalischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften bestimmt.

Die experimentelle Bestimmung physikalischer (z.B. elastischer und elektrischer) Eigenschaften von Mantelmineralen als Funktion von Druck, Temperatur, Zusammensetzung und Mikrostruktur liefern die Informationen, die für die Erstellung mineralogischer, geophysikalischer und geochemischer Modelle des Erdmantels notwendig sind. Die Erfassung derartiger Daten stellt einen Schwerpunkt der Forschungsarbeiten am Bayerischen Geoinstitut dar, der es erlaubt, unsere Kenntnisse über das rheologische Verhalten der Erde zu erweitern.

Obwohl die Verformbarkeit der Minerale des Erdmantels einen großen Einfluss auf die Mantelkonvektion hat, sind die rheologischen Eigenschaften dieser Minerale bisher kaum bekannt. Der Aufbau einer Verformungsapparatur Typ Paterson und eines neuen Raster-Elektronenmikroskops im vergangenen Jahr hat die Voraussetzungen zur Erforschung der rheologischen Eigenschaften der Erdmaterie am Geoinstitut stark verbessert. Die Kombination dieser beiden Apparaturen ermöglicht Versuche zur Rheologie des Erdmantels und nachgeschaltete Untersuchungen der kristallographischen Vorzugsorientierung in Proben mit gut definierter Geometrie. Die in den letzten 45 Jahren am Geoinstitut entwickelte innovative Hochdruck-Technik führt zu immer genaueren Rheologiedaten für Materie unter den hohen Drücken und Temperaturen des Erdmantels. Daraus ergeben sich speziell Informationen über aktive Gleitsysteme und druckabhängige Veränderungen des Deformationsverhaltens.

3.2 Kristallchemie und Phasenumwandlungen

Kristallstrukturen und ihre Umwandlungen als Reaktion auf veränderte Druck- und Temperaturbedingungen bieten Anhaltspunkte für das Verständnis der Struktur des Erdinneren, der Gleichgewichtszustände von Materie in diesen Tiefen und der Prozessdynamik. Sowohl die wesentlichen seismischen Diskontinuitäten im Erdmantel (bedingt durch abrupte Änderungen der Elastizität und der Dichte) als auch mehr oder weniger sprunghafte Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit sind das Resultat derartiger Umwandlungen; sie führen mit zunehmendem Druck zu dichteren Atomanordnungen mit ganz anderen chemischen und physikalischen Stoffeigenschaften. So konnten wir in den vergangenen Jahren nachweisen, daß das Eisen (das wichtigste Übergangsmetall in der Erde) in seiner kristallchemischen Rolle dramatischen druck-abhängigen Veränderungen unterliegt: in den am häufigsten vorkommenden Niederdruck-Silikaten wie Olivin stellt Fe3+ im Gegensatz zu Fe2+ ein inkompatibles Element dar. Daher ist der Gehalt an dreiwertigem Eisen sogar unter oxidierenden Bedingungen niedrig. Aber ab der Übergangszone, wo Hochdruck-Formen mit Olivin-Zusammensetzung (Wadsleyit und Ringwoodit) stabil werden sowie im unteren Mantel, der überwiegend aus Silikat-Perowskit aufgebaut ist, wird Fe3+ zu einer kompatiblen Oxidationsstufe des Eisens. Zweiwertiges Eisen kann sogar disproportionieren in Fe3+ und Fe-Metall. Kristallchemische Untersuchungen an Mantelphasen (bzw. ihren entsprechenden Niederdruck-Modifikationen) und die Art ihrer Phasenübergänge stellen unsere Verständnisgrundlage für ihr physiko-chemisches Verhalten in der Tiefe dar. Diese Arbeiten sind unter allgemeinen Aspekten eng mit der Materialwissenschaft verknüpft, der wir uns folglich annähern, da uns die Systematik von Hochdruck-Phasenumwandlungen Vorhersagen darüber erlaubt, welche neuartigen Eigenschaften Materialien im Allgemeinen - nicht nur die Materie, die wir in der Tiefe der Erde vermuten - unter erhöhten Drücken entwickeln.

Zahlreiche der in diesem Kapitel beschriebenen Projekte sind in das EC-Netzwerk "Mineral Transformations" eingebunden, das eine enge Zusammenarbeit mit Materialwissenschaftlern, Physikern und Chemikern in europäischem Maßstab fördert.

3.3 Geochemie

Es wird allgemein davon ausgegangen, daß die Erde bei ihrer Formation eine relativ homogene Zusammensetzung aufwies und sich später in die vorherrschend silikatischen Bereiche Kruste und Mantel einerseits und den metallischen Kern andererseits differenzierte. Eines der wesentlichen Ziele der Geochemie ist es, die Bildung dieser einzelnen Reservoirs und die Verteilung der Elemente zwischen und in ihnen zu verstehen. Die Fraktionierung der Erde trat in Perioden der Aufschmelzung auf, in denen sich entweder Kristalle und Schmelzen oder nicht-mischbare Schmelzen voneinander trennten und individuelle Bereiche bildeten. Die experimentelle Reproduktion von Schmelzvorgängen und die Erfassung der Elementverteilung in den sich abtrennenden Phasen erlaubt die Bestimmung der Bildungsbedingungen der neuen Reservoirs sowie ihrer ungefähren chemischen Zusammensetzung bei der Bildung. Derartige Messungen sind von besonderer Bedeutung für Element-"Sammelbecken" wie den Erdkern, der für direkte chemische Analysen unzugänglich ist.

Stark siderophile Elemente wie Pt, Rh, Ir, Re und Os werden deshalb so genannt, weil sie überwiegend und über eine weite Spanne von Bildungsbedingungen einen metallischen Zustand anstreben. Im Verlauf der Erdkernbildung sind diese Elemente wahrscheinlich vom silikatischen Erdmantel in Form einer metallischen Schmelze abgetrennt worden. Um die Effizienz der Herauslösung stark siderophiler Elemente aus dem Erdmantel zu testen, wurden einige neue Experimente entwickelt. Der Vergleich der experimentell bestimmten Verteilungskoeffizienten siderophiler Elemente mit den in der Natur beobachteten Konzentrationen erlaubt dann Rückschlüsse auf die Erdentstehung. Wäre die heutige Konzentration dieser Elemente im Mantel höher, als durch die Experimente abgeschätzt, so würde dieses für ein komplexeres Akkretionsmodell sprechen, nach dem zusätzliche Materie nach der Abtrennung des Erdkerns dem Mantel zurückgeführt worden wäre. Diese These eines sekundären meteorischen Einflusses auf den silikatischen Anteil der Erde bezeichnet man häufig als das "late veneer"-Modell (veneer = Furnier).

Hohe Temperaturen und langsame Konvektion im Erdmantel bedeuten, daß man sich der Elementverteilung zwischen ko-existierenden Phasen generell mit thermodynamischen Ansätzen nähern kann. Die experimentelle Bestimmung thermodynamischer Größen, wie z.B. (Gleichgewichts-) Molvolumen und chemische Aktivität erlaubt dann die Extrapolation der Elementverteilung auf Bedingungen von Temperatur, Druck und Zusammensetzung, die experimentell nicht zugänglich sind. Es mag jedoch andere Arten der Elementverteilung geben, bei denen sich kein Gleichgewicht einstellt. So könnten zum Beispiel die bei der Erdkernbildung separierten Metallkörper groß genug sein und/oder zu schnell absinken, dass sich kein vollständiges Gleichgewicht mit dem umgebenden Mantel einstellen könnte. Wenn Reaktionen nur im festen Zustand ablaufen, läßt sich Ähnliches anhand natürlicher Proben beobachten: Ungleichgewichte können bei Abwesenheit einer fluiden Phase auch bis in hohe Metamorphosegrade erhalten bleiben. In diesen Fällen liefert die experimentelle Bestimmung der Diffusionsraten von Elementen Informationen über die wahrscheinliche chemische Zusammensetzung der entstehenden Reservoirs und der darin enthaltenen Phasen.

3.4. Fluide und ihre Wechselwirkung mit Schmelzen und Mineralen

Wasser- oder kohlendioxidreiche Fluide treten lediglich in sehr kleinen Mengen im Erdinneren auf. Trotzdem können sie Schmelztemperaturen, elektrische Leitfähigkeit und Rheologie des Erdmantels dramatisch beeinflussen. Gelöste flüchtige Komponenten stellen die Antriebskräfte aller explosiven Vulkaneruptionen dar. Außerdem sind wasserhaltige Fluide außergewöhnlich gute Lösungsmittel für einige Spurenelemente; sie können diese Elemente aus großen Reservoiren gewöhnlicher Gesteine oder Magmen herauslösen und sie in hydrothermalen Erzlagerstätten konzentrieren.

Trotz ihrer Bedeutung für zahlreiche geologische Prozesse sind die Eigenschaften von Fluiden bei höheren Drücken und Temperaturen allgemein nur ungenügend bekannt. Forschungsarbeiten am Bayerischen Geoinstitut konzentrierten sich in den vergangenen Jahren auf die Entwicklung neuer in-situ-Techniken zur Untersuchung der Strukturen und der Eigenschaften von Fluiden unter extremen Bedingungen. Diese Techniken basieren auf einer Kombination von außenbeheizten Diamantstempelzellen mit leistungsstarken Infrarot- und Raman-Spektrometern. Wesentliche Fortschritte konnten hier sowohl auf dem Gebiet der Speziation und der thermodynamischen Eigenschaften von Fluiden im System SiO2-H2O als auch in der Entschlüsselung von Phasenbeziehungen zwischen wässerigen Fluiden und Silikatschmelzen erzielt werden. Gleichzeitig verbesserten andere Untersuchungen unser Verständnis zur Speicherung von Wasser in den Kristallstrukturen "normaler" (d.h. nominell wasserfreier) Minerale des Erdmantels. Hierzu gehören beispielsweise in-situ-Hochdruck-Untersuchungen des Bindungszustandes von Hydroxyl-Gruppen in MgSiO3-Ilmenit in einer Diamantstempelzelle. Die Strukturuntersuchungen an wasserhaltigen Schmelzen und Gläsern wurden mittlerweile von sehr einfachen Modellsystemen auf Zusammensetzungen ähnlich denen natürlicher Magmen ausgedehnt.

3.5 Physikalische und chemische Eigenschaften von Schmelzen

Jeder kleinste Anteil einer Schmelzphase übt einen wesentlichen Einfluß auf zahlreiche physikalische Eigenschaften und die dynamischen Prozesse in der festen Erde aus. Experimentelle Untersuchungen, die unser Verständnis über die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Schmelzen verbessern, erlauben Aussagen über das Erdinnere, von der Viskosität des Erdkerns über Magmentransport im Erdmantel bis zu oberflächennahen Bereichen mit vulkanologischen und lagerstättenorientierten Ansätzen. Die in diesem Kapitel aufgeführten Beiträge beschreiben beispielhaft die komplexen Zusammenhänge vieler Schmelzeigenschaften (wie Viskosität, Volumen, Entropie in Abhängigkeit von Zusammensetzung, Temperatur und Druck). Desweiteren ermöglichen Strukturuntersuchungen mit Hilfe einer Reihe spektroskopischer Methoden Rückschlüsse auf rheologische und thermodynamische Charakteristiken von Schmelzen. Es wurden neue Ansätze in Verbindung mit modernster Technik und Methodik bei der Untersuchung von Schmelzen unter hohen Drücken entwickelt, um dynamischen Vorgängen in Schmelzen nachzuspüren, die für konventionelle Untersuchungsmethoden zu schnell ablaufen. Weitere Bemühungen zielten auf die Bestimmung komplexerer Chemismen wie beim Einbau von Haliden in Silikatschmelzen und bei der Hydratisierung vulkanischer Produkte im Labor. Ebenso haben wir einige schwache Anomalien in einfacheren Systemen untersucht, wie der Nicht-Linearität in der thermischen Expansion einer Diopsidschmelze über einen weiten Temperaturbereich, sowie das komplexe Viskositätsverhalten von Aluminiumsilikat-Schmelzen bei nur wenig veränderter chemischer Zusammensetzung entlang Linien gleicher Silikat-Konzentration. Mit diesen Untersuchungen ist es möglich, einige grundlegende Modelle zur Struktur und Dynamik von Silikatschmelzen zu testen, die nicht einfach als erwiesen angesehen werden sollten.

3.6 Magmendynamik und vulkanische Prozesse

Magmatische Gesteine geben zahlreiche Hinweise auf ihre Entwicklungsgeschichte, so z.B. durch Xenolithe, Phänokristalle und Blasenhohlräume. Die Morphologie vulkanischer Ablagerungen sowie Größe und Form der abgelagerten Fragmente lassen Rückschlüsse auf die beteiligten Eruptionsmechanismen zu. Gläser in Lavaflüssen liefern Informationen über Abkühlungsgeschichte chemisch unterschiedlich zusammengesetzter Ausgangsmaterialien. Die in diesem Abschnitt aufgeführten Projekte kombinieren Gelände- und Labor-Untersuchungen zu einem integrierten Ansatz, um das Transport-, Kontaminations-, Eruptions- und Abkühlungsverhalten von Magmen zu verstehen.

"Exotisches" Material, das durch Magmen aus dem Mantel an die Erdoberfläche gelangt, erlaubt Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der Mantel- und Krustenstockwerke, die das aufsteigende Magma vor dem Ausbruch passiert hat. Die Aufschmelzung wasserhaltiger Minerale (z.B. in Mantelxenolithen auftretender Amphibol) gibt Auskunft über die Druck- und Temperaturgeschichte, die die Xenolithe bei ihrem Transport durchlaufen haben; noch bedeutsamer ist die mögliche Abschätzung des Zeitraumes zwischen dem Loslösen des Xenoliths in der Tiefe und dem Auswurf an der Oberfläche.

In zahlreichen magmatischen Systemen herrscht ein chemisches Ungleichgewicht zwischen einem Magma und seiner Umgebung. Dieses Ungleichgewicht stellt die Antriebskraft für die Lösung von Mineralen dar, wodurch die chemische Zusammensetzung eines Magmas verändert werden kann. Das Verhältnis, in dem sich Materie in einer Silikatschmelze löst, hängt von der chemischen Zusammensetzung sowohl der Schmelze als auch der sich lösenden Minerale und von der Geometrie des Systems Kristall/Schmelze ab. Experimente zur Modellierung von Lösungsprozessen haben ergeben, daß die Geometrie des Systems Kristall/Schmelze für die Kontrolle der Lösungsrate und folglich für den Grad der Kontamination eines Magmas von fundamentaler Bedeutung ist.

Beim Aufstieg des Magmas an die Erdoberfläche werden durch Dekompression leichtflüchtige Bestandteile freigesetzt. Bei hochviskosen kieselsäurereichen Magmen können dadurch äußerst gefährliche explosive Eruptionen verursacht werden. Einige der laufenden Projekte untersuchen Mechanismen, die während der Dekompression an der Blasenbildung in Magmen beteiligt sind; andere befassen sich mit der Rolle von Kristallen bei der Blasenbildung bzw. Magmenfragmentation oder untersuchen die Schnelligkeit, mit der Magma fragmentiert. Die Ergebnisse aus diesen Arbeiten unterstützen die Risikoabschätzung bei gefährlichen Vulkanausbrüchen.

Ein weiterer wichtiger Parameter für diese Abschätzung ist die Viskosität einer Schmelze. Für die Viskosität kalk-alkalischer Laven wurde bereits ein Modell entwickelt. Dieses Modell ist jedoch auf die Alkali-Laven, die aus süditalienischen Vulkanen gefördert werden, nicht übertragbar. Eines der in diesem Kapitel beschriebenen Projekte befaßt sich mit der Modellierung der Viskosität alkalischer Schmelzen. Die Ergebnisse werden bei Modellierungen von Eruptionsvorgängen bereits verwendet.

Nach dem Ausbruch beginnt das Magma abzukühlen. Die Abkühlungsrate beeinflußt die Fließfähigkeit und somit auch das Risiko, das von Lavaströmen unterschiedlicher Zusammensetzung ausgeht. Zwei Untersuchungen über glasführende Lavaströme mit Hilfe der "Relaxations-Geospeedometrie" zeigen auf, wie die Zusammensetzung und die Art des Lavaausbruchs die Abkühlungsrate beeinflussen.

3.7 Methodische Entwicklungen

Die ständige Weiterentwicklung neuer Apparaturen und neuartiger Experimentier-Technik ermöglicht dem Geoinstitut, seine Forschungsarbeiten an vorderster Front der Geowissenschaften weiterzuführen. Hierfür sind nicht nur wissenschaftlicher Überblick und Innovation hinsichtlich des Designs, sondern auch ein hoher technischer Sachverstand erforderlich sowie die hohe Qualität der personellen und apparativen technischen Unterstützung in der Probenvorbereitung und in den mechanischen und elektronischen Werkstätten.

Im vergangenen Jahr wurde ein neuartiger Scherwellengenerator ("Transducer") entworfen und konstruiert. Er wird zukünftig unsere Möglichkeiten zur Messung der Geschwindigkeit elastischer Wellen zur Bestimmung elastischer Konstanten in derartig kleinen Proben, wie sie in unseren Hochdruckapparaturen synthetisiert werden, revolutionieren. Diese Technologie gewinnt besonders unter dem Aspekt Bedeutung, daß wir seit kurzem durch den Einsatz von GHz-Messwandlern in der Diamantzellen-Technik in der Lage sind, Messungen elastischer Konstanten unter hohen Drücken erfolgreich durchzuführen. Deutliche Fortschritte wurden beim Einsatz der Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (EELS) für die Analyse sehr kleiner Proben aus Hochdruck-/Hochtemperaturexperimenten erzielt. Diese Fortschritte ermöglichen uns zum Beispiel Einblicke in den Oxidationszustand des unteren Erdmantels und in die Verteilung des dreiwertigen Eisens zwischen den Hauptkomponenten des Mantels.

Das Geoinstitut gehört zu den wenigen Instituten, die bisher erfolgreich Bestimmungen der elektrischen Leitfähigkeit unter sehr hohen Drücken durchgeführt haben. Seit kurzem wird diese Technik eingesetzt, um Korngrößeneffekte beim Halbleiter/Metall-Übergang in nano-kristallinen Halbleitern bei hohem Druck zu erfassen. Auch zur Ermittlung von Volumenänderungen fluidhaltiger Schmelzproben bei hohen Drücken wurden neue in-situ-Techniken entwickelt. Sie ermöglichen die kontinuierliche Überwachung der Blasenbildung in der Probe während des Druckablassens (bei der Simulation von Vulkanausbrüchen). Der Einfluß von Stoßwellen auf Kalzit wurde untersucht, um den Einfluß von Einschlägen von Himmelskörpern auf das Erdklima der Vergangenheit zu bestimmen. Als Beispiel sei hier der Chicxulub-Körper angeführt, der vor ca. 66 Millionen Jahren in kalzitreiche Gesteins-formationen einschlug. Die Weiterentwicklung und Verbesserung der kernmagnetischen Resonanzspektroskopie (NMR) als analytisches Instrument erbrachte im vergangenen Jahr sowohl eine verbesserte Simulation von Spektren als auch eine vollständige Charakterisierung der Bindungsstruktur verschiedener chemischer Komponenten.

Bayerisches Geoinstitut, Universität Bayreuth, 95440 Bayreuth, Deutschland
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