Differenziation-, Permeabilität-, Gewebe- und Korngrenzen - Entwicklung in teilgeschmolzenen mafischen Gesteinen während der Schmelzabtrennung: Experimente im Zentrifugeofen mit kontrollierter Sauerstoffugazität.
Zusammenfassung der Projektergebnisse
1. Die Studie über gleichzeitige aufsteigend Diapire aus verschiedenen Tiefen und Positionen mit Hilfe von Analogmodellen zeigt deutlich, dass einzelne Diapire getrennte Aufstiegspfade benutzen und nur unter günstigsten Bedingungen die Stämme bereits existierender Diapire verwenden, um die Oberfläche zu erreichen. Einige Experimente geben Hinweise auf die Bildung von Salzstöcken, die aus einem Becken mit mehreren Salzhorizonte stammen, wie z. B. dem Großen Kavir-Becken (Iran). Die Studie zeigt außerdem, dass Diapire, die sich aus direkt übereinander liegenden Protusionen entwickeln, sich gegenseitig intrudieren und sogenannte „Diapir-in-Diapir“-Strukturen entstehen, ähnlich den Ergebnissen von Dietl und Koyi (2002). Die im Experiment beobachtete „Diapir-in-Diapir“-Struktur ähnelt der Vergesellschaftung von Plutonen z-B. in der Flasergranitoid- Zone im Kristallinen Odenwald. Während ihres Aufstiegs deformieren die Diapire ihre Umgebung duktil. Es kommt zur Bildung von Randsynklinalen. Der Grad der Verformung hängt vom Viskositätskontrast zwischen Diapirmaterial und dem Auflager ab, sowie von der Anzahl von gebildenen Diapire. Künftige Arbeiten zum Thema Diapiraufstieg sollen auch temperaturabhängige Viskositätsänderungen berücksichtigen und als thermomechanische Experimente angelegt sein. 2. Die Zentrifugalexperimente erlauben es, einige Modelle der konzentrierten Kristallensedimentation zu kalibrieren. Sie helfen dabei, einige physikalische Parameter der Kumulatbildung besser zu fassen, die bei normaler Erdbeschleunigung schwer beobacht- und beschreibbar sind. Hier werden Zentrifugalmodelle und numerische Simulationen von Sedimentationsprozessen in einer hochkonzentrierten Suspensionen (als Funktion der Zeit) verglichen. Die Experimente bei unterschiedlichen Zentrifugalbeschleunigungen erlauben es, eine räumliche Verteilung von sinkenden und aufschwimmenden Kristalle in einer basaltischen Schmelze zu beobachten. Die Ableitung des Exponenten C im Stokes’schen Gesetz V=VSt*(1- m)C ergibt einen Wert C = 4,7 für die Sedimentationsgeschwindigkeit V in einer konzentrierten Suspensionen. Die Experimente zeigen, dass sich während der Verdichtung der kumulativen Kristalle aufgrund unterschiedlicher Prozesse die Schmelze- Zusammensetzung mit der Zeit verändert. Diese Prozesse sind: (i) dynamische Auflösung der Kristalle während ihrer Schwimmens und Sinkens in der Schmelz, und (ii) chemische Veränderung der im Kumulat eingeschlossenen Schmelze durch Erhöhung des Gewichts des wachsenden, aufliegenden Kristallstapels. Die Art der Schichtung von Kristallen am Dach und am Boden einer Magmakammer hat einen starken Einfluss auf die Segregation und die Extraktion von Schmelze in den Zwickelräumen von Kumulaten. Allerdings ist diese Schichtung nicht über die Zeit hinweg stabil. Ist die maximale Verdichtung erreicht, kann man nach einiger Zeit eine Homogenisierung der Schmelze-Zusammensetzung beobachten. Das geschieht durch Diffusion und Aufarbeitung der Korngrenzen einzelner Kristalle. Veränderungen der Schmelzzusammensetzung sind auch eine Funktion der Schmelzmenge, wie Zentrifugalexperimente bei unterschiedlichen Temperaturen zeigen. Bei hoher Temperatur und hohem Schmelzanteil, trennt sich die Schmelze in zwei Phasen: Schmelzphase I hat die gleiche chemische Zusammensetzung wie die Schmelze, die bei niedriger Temperatur entsteht, Schmelzphase II hat die gleiche Zusammensetzung und Dichte wie die noch nicht geschmolzenen Plagioklaskristalle aus dem Versuch bei niedriger Temperatur. Die Experimente zeigen, dass die Trennung von Schmelze und Kristallen in basischen Systemen durch verhinderte Sedimentation und dynamische Auflösung von Kristallen in der Magmakammern bestimmt werden. Für zukünftige Untersuchungen müssen diese beiden bedeutenden Mechanismen bei der Entwicklung von chemischer Schichtung in Magmakammer in Betracht gezogen werden. 3. Um die zeitliche Entwicklung der Kumulatbildung in der geschichteten, mafischen Muskox-Intrusion (Kanada) zu beschreiben wurde eine numerische Simulation angewendet. Die Ergebnisse für die Abkühlgeschichte und Kumulatbildung der Intrusion sowie der Entwicklung der Porositätsabnahme mit der Zeit sind in Übereinstimmung mit früheren Ergebnissen der Verdichtung-Modell von Tharp et al. (1998). Die vorliegenden Ergebnisse mit dem Einsatz eines „behinderte Sedimentation“-Modelles zeigen eine exponentielle Abnahme der Porosität der Kumulus-Schicht mit der Zeit durch langsame Abnahme der Sedimentationsgeschwindigkeit bei hoher Kristall-Konzentration. Diese letzte Beobachtung impliziert, dass die behinderte Sedimentation der dominierende Mechanismus für den Porositätsverlust bis hin zur nahezu dichtesten Packung von Kristallen im Kumulat ist. Die Verdichtung durch Sedimentation ist erst im letzten Stadium der Kumulatbildung der vorherrschende Mechanismus für den Porositätsverlust. Unter der Annahme, dass zu diesem Zeitpunkt die Temperatur in der Magmakammer bereits deutlich abgenommen hat, werden Veränderungen in der Dicke des Kumulates möglicherweise nicht mehr wesentlich durch diesen Prozess bestimmt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2009). Simultaneously ascending diapirs from different depths and different positions: a centrifuge study. Geotectonic Research, vol. 96:39-52
Forien, M. and C. Dietl
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(2012). Crystal melt settling in a magma-chamber. Journal of Volcanology and Geothermal Research
Forien, M., Berres, S., Bagdassarov, N., Dingwell, D. und Dorfman A.
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(2012). Olivine settling and compaction in basaltic magma and time scales of cumulate formation. Physics of the Earth and Planetary Interiors
Schmidt, M. W., Forien, M., Solferino, G. und Bagdassarov, N.
