Diffusive Fraktionierung von Lithium- und Borisotopen in Silikatschmelzen: ein Werkzeug zur Untersuchung von Entgasungsprozessen in aufsteigenden Magmen

• Antragsteller: Professor Dr. Max Wilke
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 349804343

Das Ziel ist, die Fraktionierung von stabilen Lithium- und Borisotopen (6Li vs. 7Li, 10B vs. 11B) während der Magmenentgasung als Funktion der Druckentlastungsrate (d.h. während des Magmaaufstieges) experimentell zu kalibrieren. Diese Kalibration dient als Basis eines neuen Geospeedometers, welches die quantitative Bestimmung von Magmenaufstiegsraten in vulkanischen Schloten ermöglicht.Die Magmenaufstiegsrate kontrolliert maßgeblich die Art von vulkanischen Eruptionen (effusiv oder explosiv) und die damit verbundenen vulkanischen Gefahren. Allerdings wurde gezeigt, dass homogene Blasennukleation und -wachstum erheblich vom Druckentlastungspfad abhängen (ein- bzw. mehrstufige vs. kontinuierliche Druckentlastung), und dass speziell bei niedrigen Druckentlastungsraten die Blasensignatur durch Blasenwachstum und -koaleszenz (z.B. Ostwald-Reifung) überprägt wird. Darüber hinaus sind die vorhandenen experimentell bestimmten Daten der Blasenanzahldichte (engl.: BND) von kontinuierlich entgasten Schmelzen auf Druckentlastungsraten von mehr als 0.02 MPa/s begrenzt und die Werte streuen über mehrere Größenordnungen. Es ist daher schwierig, konkrete Aussagen und Korrelationen nur an Hand von BND-Werten zu machen. Eine bessere Methodik zur zeitlichen Quantifizierung der Entgasung beim Magmenaufstieg neben der etablierten Blasentexturanalyse ist daher dringend notwendig. Li ist volatil und diffundiert schnell durch Magmen. B zeigt ähnliche Eigenschaften, diffundiert im Vergleich zu Lithium jedoch erheblich langsamer. Die jeweiligen stabilen Isotope von Li und B diffundieren mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, so dass sich eine Fraktionierung über den Zeitraum vulkanischer Eruptionen (Stunden bis hin zu Tagen) entwickeln kann. Daher stellt die Messung der stabilen Isotope (6Li vs. 7Li und 10B vs. 11B) in vulkanischen Produkten ein großes Potential zur Geschwindigkeitsbestimmung aufsteigender Magmen dar. Zur Entwicklung dieses Geospeedometers bedarf es einer quantitativen Kalibration der Isotopenfraktionierung von 6Li/7Li und 10B/11B. Es sind zwei Arten von Experimenten geplant, um die Kalibrierung in Intern beheizten Gasdruckanlagen (sog. IHPVs) durchzuführen: (1) Diffusionspaarexperimente zwischen einer Lithium- und Borfreien Schmelze und einer mit Li und B angereicherten Schmelze, welche zur Quantifizierung des Diffusionsvermögens von Lithium- und Borisotopen herangezogen wird. (2) Durch Druckentlastung hervorgerufene Entgasungsexperimente, welche die Messung von Li- und B-Isotopenfraktionierung zwischen Schmelze und entstehender Gasphase ermöglicht. Hierbei wird eine speziell entwickelte IHPV genutzt, die einen kontinuierlichen Magmenaufstieg simuliert. Beide Experimenttypen werden hauptsächlich mit rhyolitischen Schmelzen durchgeführt, welche dem gut erforschten Los Posos Obsidian (Valles Caldera, New Mexico, USA) entsprechen; erst später wird die Experimentreihe auf basischere Schmelzen ausgeweitet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen