Kristallaggregation in Magmen: Mechanismen und Bedeutung

Während der Kristallisation von Magma, einem Gemenge aus Gesteinsschmelze und Kristallen, bilden die neu wachsenden Kristalle häufig Aggregate, sogenannte Cluster. Diese Kristallcluster können im Magma aus großer Tiefe an die Erdoberfläche gelangen, und tragen Information über die Bildungsbedingungen und Bildungsprozesse, wie eine Flaschenpost aus dem Inneren eines Vulkans. Zudem beeinflusst das Vorhandensein von Kristallclustern das Fließverhalten eines Magmas, sowie die Trennung von Schmelze und Kristallen und damit die chemische Entwicklung des Magmas. In diesem Projekt wird die Entstehung von Kristallclustern in Schmelzen experimentell untersucht, und die Ergebnisse mit natürlichen magmatischen Gesteinen, das sind aus Schmelzen entstandene Gesteine, verglichen. Insbesondere werden Cluster aus Klinopyroxen und Magnetit bearbeitet, die in Basalt, dem häufigsten magmatische Gestein der Erde, typisch sind. Dazu wird Glas mit basaltischer Zusammensetzung in Platinkapseln (3 x 3 x 6 mm) eingeschlossen und unter einen Druck entsprechend einer Tiefe von 12km bis über seine Schmelztemperatur von ca. 1200C aufgeheizt und eine synthetische Gesteinsschmelze erzeugt. Die Proben werden danach bis unter die Schmelztemperatur abgekühlt und für unterschiedlich lange Zeiten bei unterschiedlichen Temperaturen gehalten, um Kristalle und Kristallcluster zu bilden. Schließlich werden die Proben abgeschreckt und eine Momentaufnahme ihres Zustands bei hoher Temperatur eingefroren. Mit diesem Vorgehen untersuchen wir den Einfluss der Haltetemperatur, der Haltezeit bei konstanter Temperatur und des Wassergehaltes der Schmelze auf die gebildeten Cluster. Dabei sollen einerseits die Orientierungsbeziehungen von Kristallgittern an den Grenzflächen zwischen aggregierten Kristallen und andererseits die zwei- und dreidimensionalen Formen und Verteilungen der Kristalle erfasst werden. Kristalle wachsen oft auf anderen Kristallen auf und richten dabei ihr Kristallgitter an dem Gitter des bereits vorhandenen Kristalls aus. Es ist zu erwarten, dass sich die Orientierungsbeziehungen zwischen den Gittern zweier auf dieses Art verbundenen Kristalle in Abhängigkeit von den Bildungsbedingungen verändern. Für die Analyse der Orientierungsbeziehungen zwischen Kristallen werden wir eine Elektronenbeugungstechnik am Rasterelektronenmikroskop einsetzen. Für die dreidimensionale Analyse der Internstruktur der Proben werden wir Röntgen-Computertomographie - ähnlich der medizinischen Computertomographie aber mit höher energetischer Röntgenstrahlung - verwenden. Mit diesem experimentell-analytischen Ansatz werden wir lernen, die Prozesse und Bedingungen der Bildung von Kristallclustern besser zu verstehen. Schließlich werden wir die Ergebnisse aus den Experimenten mit Basaltproben vom Ätna (Sizilien) vergleichen, wo Kristallaggregate aus Klinopyroxen und Magnetit häufig auftreten. Damit soll ein verbessertes Verständnis der Dynamic des Magmenaufstiegs unter dem Ätna erzielt werden.

Dieses Projekt hat unser Verständnis über die Entstehung von "Kristallclustern" ( Kristallaggregate) in magmatischen Gesteinen und Experimenten deutlich verbessert, indem wir die Kristallcluster direkt untersuchten. Wir haben gezeigt, wie zweidimensionale (durch Elektronenmikroskopie) und dreidimensionale (durch Röntgenstrahlen) Beobachtungen der Form und Verteilung von Kristallen in Cluster mit Information über die räumliche Variation des Mineralchemismus und die Übereinstimmung der kristallographischen Orientierungen von benachbarten Mineralkörnern kombiniert werden kann, um herauszufinden, ob ein Mineralkorn durch "heterogene Nukleation" auf einem anderen entstanden ist (d.h. die Entstehung eines neuen Mineralkorns an einer bestehenden Kristalloberfläche). Mittels dieser Erkenntnisse konnten wir bestätigen, dass gewisse Anordnungen zwischen den Kristallstrukturen von benachbarten Klinopyroxen- und Titanomagnetit-Mineralkörnern besonders gute Indikatoren für die Aktivität der heterogenen Nukleation sind, da diese "kristallographische Orientierungsbeziehungen" ("CORs") nicht gebildet wurden, wenn andere Clusterentstehungsmechanismen aktiv waren. Wir haben unsere neuen Kriterien für die Erkennung der heterogenen Nukleation angewendet, um die Kristallisationsabfolge in unseren Experimenten genau zu rekonstruieren. Ein Schlüsselerkenntnis war, dass die Verfügbarkeit von "Kernen" für eine heterogene Nukleation für die Verteilung und Morphologie der Kristalle in unseren Experimenten wichtiger war, als die Temperatur der Experimente. Weiter haben wir herausgefunden, dass die bestimmte COR, die zwischen Klinopyroxen und Titanomagnetit entstanden ist, von dem Unterschied zwischen der Temperatur im Experiment und der Temperatur, bei der in dem System Kristalle zuerst entstehen sollten, abhängig ist, wobei weitere Forschung notwendig sein wird, um diese Erkenntnis auf natürlichen Proben anwenden zu können. Darüber hinaus haben wir in manchen Experimenten beobachtet, dass Titanomagnetitkörner, die mit Klinopyroxenkörnern assoziiert waren, je nach Größe, Form, und Orientierungsbeziehungen in 3 Gruppen eingeteilt werden konnten, weil der Mechanismus und/oder Zeitpunkt der Clusterbildung sich zwischen den Gruppen unterschieden hat. Diese Erkenntnis war überraschend, weil in unseren Experimenten nur ein einziger Abkühlungsschritt angewendet wurde. Daher ist es möglich, dass magmatische Gesteine, die mehrere unterschiedliche Kristallclustertypen aufweisen, während eines einzigen Abkühlereignisses entstanden sind. Früher hätte man eventuell aufgrund des Vorhandenseins von mehreren Clustertypen argumentiert, dass die Abkühlgeschichte eines Gesteins sehr komplex gewesen sein muss. Durch heterogene Nukleation kristallisierten unsere Experimente sehr rasch, ein Kristallanteil von > 50% wurde innerhalb von 5 Minuten erreicht. Sollte ein magmatisches System so rasch kristallisieren, würde sich der Magmenfluss rasch verlangsamen oder überhaupt stehenbleiben, was möglicherweise eine Eruption verhindern könnte, oder stattdessen die Gefahr einer explosiven Eruption erhöhen könnte. Daher haben wir auch die Auswirkungen der schnellen Kristallisation untersucht. Wir fanden heraus, dass die Kristallgitter der Klinopyroxenkörner, die schnell gewachsen sind, eine charakteristische Verbiegung aufweisen, die bei unterschiedlichen kristallographischen Wachstumsrichtungen und Kristallisationsbedingungen verschieden ist und daher nützlich sein könnte, um Information über rasche Kristallisationsprozesse zu extrahieren. Schlussendlich haben wir in dem Projekt mehrfach gezeigt, dass die räumlich aufgelöste kristallographische Orientierungsbestimmung im Rasterelektronenmikroskop (durch "Rückstreueelektronenbeugung") ein mächtiges Werkzeug für die Untersuchung von Kristallisationsvorgängen ist.