Wechselwirkungen zwischen Mineralen und Fluiden im Gestein

Heidelberger Geowissenschaftler erproben neuen Methoden, um die Auswirkungen von Bruchprozessen im Erdinneren zu untersuchen.

Mit spontan auftretendem Wachstum und Zerfall von Mineralen im Gestein der Erdkruste stehen Vorgänge im Fokus eines neuen Forschungsvorhabens an der Universität Heidelberg, die bisher nur zufällig beobachtet und noch nie beschrieben oder systematisch untersucht wurden. Ziel des am Institut für Geowissenschaften angesiedelten Projektes ist es, Bedingungen, die natürlichen Bruchprozessen im Gestein ähneln, kontrolliert im Labor zu reproduzieren.

„Der Ausgang unserer Experimente ist ungewiss“, betont Dr. Sebastian Cionoiu, der das Projekt gemeinsam mit Prof. Dr. Lucie Tajcmanova leitet. „Sind wir erfolgreich, könnten sie jedoch zu wichtigen neuen Erkenntnissen in der Erdbeben- und Materialforschung führen.“ Die experimentellen Arbeiten werden von der VolkswagenStiftung gefördert. Für die 18-monatige Vorbereitungsphase, in der die Tragfähigkeit des Forschungskonzeptes überprüft werden soll, stehen Fördergelder in Höhe von rund 120.000 Euro zur Verfügung.

Die Arbeitsgruppe von Prof. Tajcmanova erforscht mineralogische und petrologische Vorgänge, die im Erdinneren stattfinden. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Lithosphäre – der äußersten, etwa einhundert Kilometer dicken Schicht des Erdinneren. Im Rahmen des aktuellen Forschungsvorhabens mit dem Titel „Fluid-Mineral Interaction during Instantaneous De-/Compression in Rupture Processes (FIND RUPTURE)“ wollen die Wissenschaftler herausfinden, wie sich die plötzliche Verdichtung und Ausdehnung von sogenannten überkritischen Fluiden auf den Zerfall und die Ausfällung von Mineralen im Gestein auswirken. Von Interesse ist dabei auch, in welchem Zusammenhang diese Vorgänge mit seismischer Aktivität stehen und ob ähnliche Effekte auch bei anderen Materialien auftreten, etwa bei Hochleistungskeramiken.

„Es ist bekannt, dass mineralische Prozesse, bei denen Wasser freigesetzt wird, eine wichtige Rolle in Regionen spielen, in denen tektonische Plattengrenzen verlaufen, auch Subduktionszonen genannt. Wir wissen durchaus, dass die Fluide die Mechanik von Erdbeben beeinflussen. Die Auswirkungen plötzlicher Druckentlastung von Fluiden auf die umliegenden Minerale zum Zeitpunkt eines Bruches sind jedoch bislang ungeklärt“, erläutert Dr. Cionoiu. Die Wissenschaftler vermuten, dass sich Mineralwachstum, das in diesem Zeitfenster stattfindet, entscheidend auf nachgelagerte Verformungs- und Bruchprozesse auswirkt.

Die Grundlage für ihre innovative Herangehensweise zur Untersuchung dieser Phänomene bildet ein modifiziertes Verfahren der Hochdrucksynthese, mit dem im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden sprunghafte Druckveränderungen in Gesteinsproben erzeugt werden können. Anhand der damit durchgeführten Experimente wollen die Heidelberger Forscher nach Ansatzpunkten suchen, um ihre These zu überprüfen. „Bislang geht die Wissenschaft davon aus, dass sich solche mineralischen Wachstumsprozesse im Gestein nur sehr langsam vollziehen“, sagt Prof. Tajcmanova. „Gelingen unsere Experimente mit abrupten Druckveränderungen, müssten wir diese Sichtweise unter Umständen ändern und damit auch unser Verständnis jener Prozesse erweitern, die dem Erdbebenzyklus zugrunde liegen.“ Gleichzeitig erhoffen sich die Geowissenschaftler neue Impulse für die Herstellung von besonders widerstandsfähigen Materialien.

FIND RUPTURE, dessen Arbeiten im Herbst begonnen haben, ist als eines von 18 Projekten in der Ausschreibung „Experiment!“ der VolkswagenStiftung erfolgreich. Mit dieser Initiative unterstützt die Stiftung explorative Forschungsprojekte in den Natur-, Ingenieur- und Lebenswissenschaften, die sich mit grundlegend neuen oder risikobehafteten Fragestellungen beschäftigen. Gefördert werden Forschungsvorhaben und Forschungsideen mit ungewissem Ausgang, deren Tragfähigkeit erprobt werden soll.

Kontakt:
Universität Heidelberg
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Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Sebastian Cionoiu
Institut für Geowissenschaften
Telefon (06221) 54-4804
Sebastian.Cionoiu@geow.uni-heidelberg.de

Weitere Informationen:

http://www.geow.uni-heidelberg.de/researchgroups/tajcmanova