Die Enträtselung magmatischer Prozesse
Untersuchungen der Lavaströme sind von grundlegender Bedeutung für das Verständnis der Prozesse, die unsere dynamische Erde prägen. Insbesondere die Bestimmung der Spannungen, unter denen Magma sich geschmeidig oder spröde verhält, sowie der Bedingungen, die Mischbrüche (Spröd-Duktil-Übergänge) fördern, ist von größter Bedeutung für Vulkanologie, Geodynamik und Planetenwissenschaften. Vor diesem Hintergrund will das EU-geförderte Projekt RHEA ("Rheophysics and energy of magmas") das stabile von dem metastabilen Strömungsfeld kristalltragender Schmelzen unterscheiden und den Beginn spröden Verhaltens abschätzen. Hierfür wurden experimentelle und numerische Untersuchungen der Energieverteilung innerhalb der Magmen geplant. Durch den Vergleich von Simulationen mit Proben, die bei starkem Druck und hohen Temperaturen experimentell verformt wurden, gewann man einen besseren Einblick in die Vorgänge während der Magmaverformung. Insbesondere entwickelte man im Rahmen von RHEA auf der Basis von realen Messungen eins der ersten numerischen Rheometer zur Messung magmatischer suspendierter Stoffe, und man formulierte neue Gesetze für größere Modelle. Mithilfe des Finite-Elemente-Verfahrens modellierten die Projektmitglieder das mikrohydrodynamische Verhalten der suspendierten Stoffe. Um die Strömungen zu berechnen, wurde eine andere Technik angewandt, die auf der Smoothed-Particle-Hydrodynamics-Methode (SPH) basiert, einem Rechenverfahren zur Simulation fluider Strömungen. Obwohl sich diese Methode auf die Schwerkraft von Massenstromablagerungen konzentrierte, kann mithilfe des entwickelten Codes potenziell die Strömungsdynamik von der Magmakammer bis zur Ablagerung untersucht werden. Das Projektteam führte die erste widerspruchsfreie Studie durch, welche die Entstehung von sprödem Flussverhalten mit der Kristallfraktion in Verbindung bringt. Experimentelle Tests beinhalteten die Herstellung gut kontrollierbarer synthetischer Magmen mit verschiedenen Kristallfraktionen. Eine Paterson-Apparatur für Hochtemperatur und -druck ermöglichte die Messung der Viskosität. Zusätzliche Festigkeitsprüfungen mithilfe einer Kegel-Platte-Versuchsapparatur wurden mit verschiedenen analogen Flüssigkeiten durchgeführt. Mithilfe von Partikeln, wie Hohlkugeln, Glasperlen und Kunststoffpartikeln konnte die gesamte Bandbreite des Magmaverhaltens imitiert werden. Oszillationsmessungen halfen bei der Untersuchung der viskoelastischen Eigenschaften der Suspension bei verschiedenen Kristallfraktionen sowie bei der Bestimmung des Auftretens eines nicht-Newtonschen Verhaltens bei Festkörper enthaltenden Flüssigkeiten. RHEA trug wesentlich dazu bei, die Vorgänge während der Magmaverformung besser zu verstehen. Die entwickelten Modelle sollten in einem breiten Spektrum geowissenschaftlicher Gebiete Anwendung finden.
Schlüsselbegriffe
Magmatische Prozesse, Vulkanausbrüche, Lavastrom, Magma, Spröd-Duktil-Übergang, Rheophysik, Energie der Magmen, Magma-Verformung, Kristallfraktion, Geowissenschaft
