Rheologie von Eklogiten: Vergleich zwischen HP-HT Verformungsexperimenten u. Natur

Die Rheologie von Gesteinen beschreibt das komplexe Druck- und Temperatur-abhängige Materialverhalten, welches maßgeblich bestimmt, ob ein Gestein spröd, evtl. bei einem Erdbeben, zerbricht oder langsam viskos fließt und ob die Deformation lokalisiert oder aber über das ganze Gesteinsvolumen verteilt ist. Daher ist das rheologische Verhalten der Gesteine von immenser Bedeutung für die Art und Verteilung der Deformation an Plattenrändern aber auch im Platteninneren. Neben dem Druck- und Temperatur- abhängigen Materialverhalten der Gesteine, ist die Rheologie vor allem aber durch die im Gestein räumlichverteilten und angeordneten Minerale bestimmt. Weil die Materialeigenschaften von Minerale zum Teil stark richtungsabhängig sein können, ist das rheologische Verhalten von mehrphasigen natürlichen Gesteinen vielfach in Detail unbekannt. In dem vorgeschlagenen Projekt wollen wir das rheologische Verhalten von Eklogiten untersuchen. Ekogite sind Gesteine, welche sich unter hohem Druck in großen Tiefen, typischer Weise unterhalt der Kruste, bilden. Sie spielen eine wichtige Rolle in der dynamischen Entwicklung von kontinentalen und ozeanischen Subduktionszonen, aber haben auch einen signifikanten Einfluss auf die Konvektionsströme im Erdmantel. Dementsprechend kommen größere Eklogitkörper in allen Kollissionsgebirgen, wie die Alpen, den Himalaya oder den Kaledoniden vor. Eklogite sind mit variablen Verhältnis vor allem aus Natrium-reichen Pyroxen (Omphazit) und Granat zusammengesetzt, wobei Omphazit die weiche und Granat die härtere Phase bildet. Die Rheologie von solchen aus verschiedenen Mineralien zusammengesetzten Gesteinen kann direkt in einem Labor mit Deformationsexperimenten untersucht werden, wobei die größteHerausforderungdie für Eklogitdeformationnötigen Druck- und Temperaturbedingungen darstellt (über 1.2 GPa was einer Tiefe von >45 km entspricht und Temperaturen >550 C). Während der Deformation entwickeln sich in den Gesteinen charakteristische Mikrostrukturen, welche mit hoch-auflösenden analytischen Geräten, wie z.B. einem Rasterelektronenmikroskop untersucht und quantifiziert werden können. Das wichtigste Ziel des Projektes ist es die experimentell generierten Strukturen, von welchen die Laborbedingungen eindeutig bekannt sind,zu quantifizieren und diese mit natürlichen Mikrostrukturen von den Eklogiten der Kor- und Saualpe in Österreich zu vergleichen, um vor allem die wichtigen aber unbekannten rheologischen Parameter der natürlichen Gesteine abzuleiten. Die geplanten Studien sollen helfen die Rheologie von Eklogiten besser zu verstehen und vor allem ihre plattentektonische Bedeutung für die Lokalisierung von regionaler Deformation zu bestimmen.

Das Fließverhalten von Gesteinen, hängt neben der Temperatur und Deformationsrate, in erster Linie von der Gesteinszusammensetzung ab. In konvergenten Zonen, wo tektonische Platten kollidieren und/oder subduziert werden, entstehen unter hohen Drücken Eklogite. Die Entstehung, sowie das fließ und deformationsverhalten dieser Hochdruckgesteine, beeinflusst maßgeblich die Dynamik der Lithosphäre. Die einzige direkte Information, die wir über das deformationsverhalten von Gesteinen in der Tiefe gewinnen können, ist durch die detaillierte Analyse ihrer Erscheinung, im speziellen durch sogenannte Mikrostrukturen. Durch Anwendung hochauflösender Analysemethoden, können wir aus dem Mikrogefüge Rückschlüsse auf das Deformationsverhalten von Gesteinen ziehen. In dem Projekt Rheologie von Eklogiten, sind wir einen Schritt weitergegangen und haben hochdruck-Deformationsexperimente an selbst synthetisierten Eklogiten durchgeführt. Die mechanischen Daten, die während der Experimente generiert und Dokumentiert wurden, geben uns Informationen über das Fließverhalten der Gesteine. Zusätzlich, können wir das Mikrogefüge der experimentell deformierten Eklogite mit dem von natürlich deformierten Eklogiten vergleichen und gewinnen Informationen, über das Fließverhalten der Lithosphäre in der Tiefe. Eklogite bestehen in erster Linie aus zwei Mineralen, Omphazit und Granat, die in variierenden Mengenverhältnis vorkommen. Beide Minerale, werden üblicherweise als "fest" beziehungsweise "hart" bezeichnet, was bedeutet, dass sie schwer Deformieren. Dennoch beobachten Geologen häufig, dass Deformation in eben diesen, theoretisch festen Gesteinen lokalisiert. Um diese Unstimmigkeit aufzuklären, haben wir uns im Detail angesehen, wie ein variierender Anteil von Granat im Eklogit das Fließverhalten beeinflusst und ob es eine Wechselwirkung zwischen den beiden Mineralen im Zuge der Deformation gibt. Im Zuge unserer Studie, konnten wir feststellen, dass nicht nur das Fließverhalten, sondern auch das Deformationsverhalten von Eklogiten stark mit ihrer Zusammensetzung variiert. Die Festigkeit von Eklogiten nimmt mit zunehmendem Granatanteil kontinuierlich zu. Um genau zu sein, gibt es einen logarithmisch-linearen Zusammenhang zwischen Eklogit-Festigkeit und Granatanteil. Eine vergleichbare Beobachtung wurde bereits für andere zweiphasige Gesteine gemacht. In unserer Studie, beobachten wir jedoch, dass der Eklogite nach kurzer stationären Deformation anfängt "weicher" zu werden. Ein solches mechanisches erweichen kann zu der Lokalisierung von Deformation in einer Zone führen und somit das großräumige Dynamische Verhalten stark beeinflussen. Wir konnten dokumentieren, dass der mechanische Erweichungsprozess mit zunehmendem Granatanteil drastischer wird. Des Weiteren, konnten wir die Änderung im Fließverhalten mit der Aktivierung unterschiedlicher Deformationsmechanismen korrelieren. Während Eklogite mit einem geringeren Granatanteil kontinuierlich duktil deformieren, konnten wir beobachten wie in Eklogiten die zu 50% aus Granat bestehen, Deformation anfängt in sogenannten Scherzonen zu lokalisieren. Diese Scherzonen sind durch feinkörnigere Granat und Omphazit Körner gekennzeichnet und Deformieren schneller und leichter als das umliegende Gestein. In Eklogiten mit einem Granatanteil von 75% lokalisiert die Deformation in diskontinuierlichen Brüchen im Granat. Die von uns Beobachtete Wechselwirkung zwischen Granat und Omphazit im Zuge der Eklogit-Deformation, ist höchstwahrscheinlich der Hauptgrund für die mechanische Erweichung und die häufige Beobachtung von Deformationslokalisierung in dem theoretisch harten Eklogit.