Die Enträtselung magmatischer Prozesse

Untersuchungen der Lavaströme sind von grundlegender Bedeutung für das Verständnis der Prozesse, die unsere dynamische Erde prägen. Insbesondere ist das Wissen über die Spannungen, unter denen Magma sich geschmeidig oder spröde verhält, von größter Bedeutung für die Vulkanologie, die Geodynamik und die Planetenwissenschaften. Ein wesentlicher Schwerpunkt wird auf die Untersuchung der Reichweite der spröd-duktilen Übergangszone gesetzt.

Vor diesem Hintergrund initiierten Wissenschaftler das EU-geförderte Projekt "Rheophysics and energy of magmas" (RHEA). Sie versuchten, das stabile Strömungsfeld der kristalltragenden Schmelzen vom metastabilen zu trennen und den Beginn des spröden Verhaltens zu bestimmen. Um dies zu erreichen, führte man experimentelle und numerische Untersuchungen der Energieverteilung innerhalb der Magmen durch.

Die Wissenschaftler verglichen numerische Simulationen mit Proben, die bei starkem Druck und hohen Temperaturen verformt wurden und gewannen dadurch einen besseren Einblick in die Vorgänge während der Magma-Verformung. 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 konzentriert, kann der entwickelte Code möglicherweise die Strömungsdynamik von der Magmakammer bis zur Ablagerung untersuchen.

Das Projektteam führte die erste widerspruchsfreie Studie durch, welche die Entstehung von sprödem Magma 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 den Wissenschaftlern dabei, die viskoelastischen Eigenschaften der suspendierten Stoffe bei verschiedenen Kristallfraktionen zu untersuchen und das Auftreten eines nicht-Newtonsches Verhaltens bei Flüssigkeiten zu bestimmen, die Teilchen enthalten.

RHEA trug wesentlich zu einem verbesserten Verständnis der Vorgänge während der Magmaverformung bei. Die entwickelten Modelle sollten in einem breiten Spektrum geowissenschaftlicher Gebiete Anwendung finden.