Die experimentelle Untersuchung des Einflusses der Zusammensetzung auf die Bildung von H2O Blasen in wasserhaltigen Silikatschmelzen

• Antragsteller: Professor Dr. Marcus Nowak
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 531692493

Große explosive Vulkanausbrüche H2O-haltiger Magmen mit einem Fördervolumen von mehr als 100 km3 sind eine der größten Naturkatastrophen, die mit einem Wiederholungsintervall von über 100 Jahren auftreten können. Die Emission großer Mengen an Aschepartikeln und schwefelhaltigen Gasen können die globale Oberflächentemperatur bedeutend herabsetzen. Die Entstehung explosiver Vulkanausbrüche wird auf die plötzliche Bildung und das Wachstum zahlreicher H2O-Bläschen im Magma während der Dekomprimierung zurückgeführt. Die Ausbrüche sind durch die Fragmentierung des Magmas in Bimsstein und Aschepartikel mit einer bimodalen Verteilung von Blasengrößen gekennzeichnet. H2O-haltige Magmen mit verschiedenen Zusammensetzungen wie Rhyolith, Phonolith, Phono-Tephrit, Andesit und Dazit neigen zu explosiven Eruptionen. Auf der Grundlage von Dekompressionsexperimenten wurden für H2O-haltige Silikatschmelzen zwei Blasenbildungsmechanismen vorgeschlagen. Die Anzahl der Blasen mit einer breiten Größenverteilung, die in hydrierten Rhyolith-Schmelzen gebildet werden, nimmt mit der Dekompressionsrate dP/dt zu. Dies weist auf die Nukleation von Blasen hin. Im Gegensatz dazu ist die Anzahl nahezu gleich großer Blasen, die in Phonolith-Schmelze gebildet werden, unabhängig von dP/dt und ist konsistent mit dem Modell der spontanen Phasentrennung. Die Abhängigkeit der Bildungsmechanismen der Blasen von der Zusammensetzung ist nur unzureichend verstanden. Die Unklarheiten der Bildungsmechanismen in anderen Zusammensetzungen als Rhyolith und Phonolith können auf die Inkonsistenz experimenteller Ergebnisse früherer Studien zurückzuführen sein. Dies kann mit der geringen Anzahl experimenteller Daten und verschiedenen experimentellen Protokollen zusammenhängen. Für die Charakterisierung der Blasen-Bildungsmechanismen sollen H2O-haltige phono-tephritische, andesitische und dazitische Schmelzen experimentell dekomprimiert werden. Folgende Größen sollen bestimmt werden: (1) die Anzahldichte und die Größenverteilung der Blasen, die auf Nukleation oder spontane Phasentrennung hinweisen, (2) die erforderliche Druckreduzierung für die Blasenbildung und (3) im Falle der Nukleation, die Oberflächenspannung σ, sowie (4) die residualen H2O-Gehalte der blasenhaltigen Gläser. Die Daten werden dazu beitragen, grundlegende Fragen zur Dynamik der Blasenbildung zu beantworten, die vermutlich von der Schmelzzusammensetzung abhängt. Die Daten werden zusammen mit bereits veröffentlichten Daten für rhyolithische und phonolithische Schmelzen die Modellierung der Blasenbildung verbessern. Die Ergebnisse helfen, die erforderlichen Druckreduzierungen und die Dekompressionsraten zu quantifizieren, um eine bimodale Blasengrößenverteilung mit zahlreichen kleinen Bläschen zwischen wenigen größeren Blasen zu bilden. Das Modell zur Blasenbildung ist ein wichtiger Bestandteil zur Modellierung der Eruptionsdynamik, die für die Risikobewertung explosiver vulkanischer Systeme entscheidend ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen