Einfluss von Volatilen auf die Bildung von Reaktionssäumen

Metamorphe Reaktionssäume bilden sich bei einer unvollständig ablaufenden Reaktion zweier benachbarter Minerale. Parameter, welche die Ausbildung von Reaktionssäumen maßgeblich beeinflussen, sind zum Beispiel der vorherrschende Druck, die Temperatur, die Reaktionsdauer oder der Chemismus. Folglich enthalten natürlich vorkommende Reaktionssäume zahlreiche Informationen über ihre jeweiligen Bildungsbedingungen. Um auf diese rückschließen zu können, benötigen wir jedoch detaillierte Informationen über den genauen Effekt jedes einzelnen Parameters auf das Saumwachstum. Zahlreiche wissenschaftliche Studien haben gezeigt, dass volatile Elemente einen bedeutenden Einfluss auf die Bildung und das Wachstum von Reaktionssäumen haben können. So beeinflusst bereits die Verfügbarkeit von sehr geringen Wassermengen entscheidend die Wachstumsrate und damit die Gesamtdicke, aber auch das Dickenverhältnis oder sogar die Abfolge der einzelnen Lagen innerhalb eines Saumes. In diesem Projekt soll daher der genaue Einfluss von Wasser auf das Saumwachstum untersucht werden. Die Zugabe von sehr kleinen Wassermengen (Größenordnung: 0.001%) zu Hochdruckexperimenten stellt jedoch eine experimentelle Herausforderung dar. Wir planen synthetische Kristalle, die als Startmaterialien für Saumwachstumsexperimente verwendet werden, mit OH-Defekten zu dopen. Während des Saumwachstums sind diese Kristalle Teil der Reaktion und geben dabei ihr strukturell gebundenes Wasser ab. Die freigesetzte Menge hängt folglich von der Dauer des Experiments ab. Die Experimente werden in den einfachen, gut beschriebenenSystemen MgO-SiO2undCaO-MgO-SiO2unter kontrollierten Druck- und Temperaturbedingungen durchgeführt. In diesen Systemen ist der Effekt aller Parameter (bis auf das Vorhandensein von Wasser) auf das Saumwachstum bekannt, so dass ausschließlich der Einfluss von Wasser auf die Mobilität einzelner Komponenten, die Gesamtsaumdicke, das Dickenverhältnis einzelner Lagen und die Lagenabfolge in mehrlagigen Saumstrukturen untersucht werden kann. Mit Hilfe der Ergebnisse ist ein Ziel dieses Projektes herauszufinden, ob natürliche Reaktionssäume dafür verwendet werden können, kleine Wassermengen, die während metamorpher Reaktionen vorhanden waren, nachzuweisen und zu quantifizieren. Laborexperimente werden häufig in vereinfachten Systemen durchgeführt, um den Effekt von einzelnen Parametern auf Prozesse wie das Wachstum von Reaktionssäumen isoliert untersuchen und verstehen zu können. Aus diesem Grund wird für die Experimente im ersten Teil dieses Projektes reines Wasser als Analog für natürliche Fluide verwendet. Allerdings enthalten natürliche Fluide zahlreiche weitere volatile Elemente, wie zum Beispiel Stickstoff, Kohlenstoff, Fluor, Chlor, Brom oder Iod. All diese Elemente können ebenfalls einen bedeutenden Einfluss auf die Bildungsdynamik von metamorphen Reaktionssäumen haben. Im Rahmen dieses Projektes wird daher, in einem ersten Schritt hin zum Verständnis komplexer natürlicher Fluide, zusätzlich der Einfluss von Fluor auf die Bildung von Reaktionssäumen experimentell untersucht. Möglicherweise haben Reaktionssäume das Potential ein Geo-fluido-meter, das heißt ein Anzeiger für die Menge und Zusammensetzung von komplexen natürlichen Fluiden zu sein, die während ihrer Bildung vorhanden waren. Damit könnten Reaktionssäume einen wichtigen Beitrag für das Verständnis von metamorphen Reaktionen leisten.

Metamorphe Reaktionssäume bilden sich bei einer unvollständig ablaufenden Reaktion zwischen zwei benachbarten Mineralen. Parameter, welche die Ausprägung von Reaktionssäumen maßgeblich beeinflussen sind zum Beispiel der vorherrschende Druck, die Temperatur, die Reaktionsdauer oder der Chemismus. Folglich enthalten natürlich vorkommende Reaktionssäume zahlreiche Informationen über ihre jeweiligen Bildungsbedingungen. Um auf diese rückschließen zu können, benötigen wir jedoch detaillierte Informationen über den genauen Effekt jedes einzelnen Parameters auf das Saumwachstum. Zahlreiche wissenschaftliche Studien haben bereits gezeigt, dass Volatile wie zum Beispiel H2O schon in kleinsten Mengen einen bedeutenden Einfluss auf die Bildung und das Wachstum von Reaktionssäumen haben können. In diesem Projekt wurde daher der Einfluss von sehr geringen Wassermengen auf die Bildung von Reaktionssäumen untersucht. Die Zugabe von sehr kleinen Wassermengen (Größenordnung: 0.001 Gew%) zu Hochdruckexperimenten stellte eine große experimentelle Herausforderung dar, da bereits ein getrocknetes Pulver Wasser an der Oberfläche seiner Körner in einer solch großen Menge adsorbiert, dass das System von uns als "nass" bezeichnet werden muss. Um sehr kleine Wassermengen kontrolliert einem Experiment hinzuzufügen, wurden daher synthetische Periklas-Einkristalle, die als Startmaterialien für Saumwachstumsexperimente verwendet wurden, mit kleinsten Mengen an OH-Defekten "gedopt". Während eines Experiments geben diese "gedopten" Kristalle ihr strukturell gebundenes Wasser ab, welches dann als "aktives Wasser" das Wachstum von Reaktionssäumen beeinflussen kann. Mit dieser Methode konnte experimentell gezeigt werden, dass die Anwesenheit kleinster Wassermengen ein notwendiger Katalysator sein kann, ohne den keine Saumwachstumsreaktion abläuft, auch wenn sie bei den vorherrschenden Druck-Temperaturbedingungen eigentlich ablaufen müsste. Weiterhin wurde ein bestehendes Modell revidiert, welches nun zeigt wie kleinste Mengen an "aktivem Wasser" die Wachstumsgeschwindigkeit und das Dickenverhältnis einzelner Lagen in einem Reaktionssaum beeinflussen. Dadurch haben Reaktionssäume das Potential als Geohygrometer verwendet zu werden. Dies bedeutet, dass sie Aufschluss über die Anwesenheit kleinster Wassermengen geben können, die vor langer Zeit während einer metamorphen Reaktion anwesend waren. Allerdings enthalten natürliche Fluide zahlreiche weitere volatile Elemente, wie zum Beispiel Stickstoff, Kohlenstoff, Fluor, Chlor, Brom oder Iod. All diese Elemente können ebenfalls einen bedeutenden Einfluss auf die Bildungsdynamik von metamorphen Reaktionssäumen haben. Im zweiten Teil des Projektes wurde daher der Einfluss von Fluor auf die Bildung und das Wachstum von Reaktionssäumen experimentell untersucht. Hier haben die Ergebnisse gezeigt, dass die Anwesenheit von Fluor die Wachstumsgeschwindigkeit von Reaktionssäumen stark ansteigen lässt und Einfluss auf die Phasenstabilität und damit die Abfolge und Textur der einzelnen Lagen in einem mehrlagigen Reaktionssaum haben kann. Dies bedeutet, dass Reaktionssäume auch Aufschluss über die Zusammensetzung komplexer Fluide geben können, die in einem natürlichen System während einer Metamorphose oder Metasomatose anwesend waren und folglich nicht nur als "Geohygrometer" sondern sogar als "Geofluidometer" verwendet werden können.