Neue Einblicke in das Zusammenspiel von Wasserdiffusion und Viskosität bei der Fragmentierung von Magma

• Antragsteller: Professor Dr. Harald Behrens
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428916619

Die Effizienz der Magma-Entgasung hängt vom Zusammenspiel von Wasserdiffusion und Viskosität in der Schmelze ab. Die Übersättigung der Schmelze an volatilen Komponenten während des Magma-Aufstiegs führt zur Bildung von H2O-reichen Blasen. Die damit einhergehende Abnahme des Wassergehalts in der Schmelze bewirkt wiederum eine starke Zunahme der Viskosität. Als Folge davon können sich insbesondere bei Silizium-reichen Magmen Druckunterschiede zwischen den Blasen und den Schmelzen ausbilden, die zur Fragmentierung der Magmen führen. In SiO2-reichen Magmen liegt gelöstes Wasser als Wassermoleküle und als Hydroxylgruppen vor, die im Netzwerk gebunden sind. Die Wasserfreisetzung durch die Mobilität von Wassermolekülen, aber auch durch die Umwandlungsrate zwischen OH-Gruppen und H2O-Molekülen bestimmt. In Modellierungen der Wasserdiffusion in silikatischen Schmelzen wurde allgemein angenommen, dass sich in der Schmelze ein lokales Gleichgewicht der Wasserspezies einstellt. Diese Annahme gilt jedoch nur bei hohen Temperaturen weit oberhalb des Glasübergang und bei ausreichend langen Zeitskalen. Unsere Hypothese ist, dass die Effizienz der Magma-Entgasung in Richtung niedriger Temperaturen und kurzer Zeitskalen (schnelle Dekompression) stark abnimmt. Daher kann die Anwendung von publizierten Wasserdiffusionsgleichungen unter solchen Bedingungen die Freisetzung von Wasser stark überschätzen.Um diese Hypothese zu testen, führen wir Dehydratisierungsversuche im Bereich des Glasübergangs mit dazitischen Gläsern durch, die 1 - 4 Gew .-% gelöstes Wasser enthalten. Die Mikro-Raman-Spektroskopie ermöglicht die Messung von Konzentrations-Distanz-Profilen mit hoher räumlicher Auflösung unter Verwendung eines Tiefenprofilmodus. Der Wassergehalt in der Nähe der Glasoberfläche gibt Aufschluss über den Anteil unbeweglicher Wasserspezies. Darüber hinaus liefert die Analyse der gemessenen Profile Informationen über die Konzentrationsabhängigkeit der Wasserdiffusivität, die den Einfluss der Schmelzrelaxation auf die Entgasungskinetik widerspiegelt. Die erhaltenen Daten sind von Interesse, um die Wasserdiffusionsgleichungen bei niedrigen Temperaturen und / oder bei kurzen Zeitskalen zu verbessern. Dieses hat Implikationen für die Modellierung von Magma-Entgasung und Fragmentierung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen