Leben und Sterben chemischer Reaktionsfronten

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Müller
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 549891241

Unter unseren Füßen und unter dem Meeresboden bewegt sich Wasser durch das Gestein der Erdkruste. Dabei interagiert das Wasser mit dem Gestein, tauscht Elemente aus und verändert die Mineralien im Gestein und deren Zusammensetzungen. Die Wechselwirkung zwischen Fluiden und Gestein ist ein äußerst wichtiger Prozess auf unserem Planeten. Er kontrolliert die Bildung von Erzvorkommen, die Porosität von Gesteinen und die Chemie der Ozeane. Dieser Prozess erzeugt häufig geochemische Fronten zwischen reagiertem und nicht reagiertem Gestein. Das Hauptziel dieses Projekts ist es, die Ausbreitung und Stagnation dieser Fronten zu verstehen. Die Arbeitshypothese des Projekts ist, dass dieser Fortschritt effektiv durch den Transport von Fluiden zu und von Reaktionsfronten gesteuert wird. Dies hängt von einem Gleichgewicht zwischen transportermöglichenden Reaktionsschritten wie Auflösung und transportverhindernden Reaktionsschritten wie Rekristallisation und Porenverfüllung ab, was wiederum im experimentellen Raum effektiv kartiert werden kann. Als Beispiel für solche Reaktionen werden wir die Ersetzung von Ca-Karbonaten durch Mg-haltige Karbonate untersuchen, eine Reaktion, die allgemein als Dolomitisierung bekannt ist. Wir werden diese Fluid-Gesteins-Reaktion mit modernsten Analysetechniken untersuchen und entwickeln: 1) ein tiefgreifendes, quantitatives Verständnis der Zusammenhänge zwischen lokaler Fluidchemie, Keimbildung und Wachstumsprozessen, Fluidpfade und Reaktionsdynamik sowie 2) ein numerisches Modell zur Vorhersage der räumlichen und zeitlichen Entwicklung chemischer Reaktionsfronten auf mikrometer- bis cm-Skalen. Unser Hauptziel ist die Entwicklung eines theoretischen Verständnisses des Fortschreitens und der Stagnation chemischer Fronten. Wir wollen die interne Kopplung und Rückkopplung zwischen Elementflüssen, Mineralreaktionen, Rekristallisation und Entwicklung von Flüssigkeitswegen quantitativ verstehen. Daher möchten wir Keimbildungs- und Wachstumsprozesse innerhalb einer sich entwickelnden Reaktionsfront mit der lokalen Zusammensetzung von Porenfluiden und ihren Transporteigenschaften in Verbindung bringen. Am Ende des Projekts hoffen wir, einen neuen „Werkzeugkasten“ an Methoden und Parametern entwickelt zu haben, der für andere Wissenschaftler nützlich sein wird, die Mineralreaktionen, Elementmobilität und die Entwicklung chemischer Fronten untersuchen. Es wird gezeigt werden, welche experimentellen Daten für andere Mineralsystemen benötigt werden und wie diese in reaktive Transportmodelle einbezogen werden müssen. Durch zukünftige Arbeiten wird dies dazu beitragen, Erzlagerstätten besser zu bewerten, die Entstehung von Porosität besser zu verstehen, eine bessere Modellierung hydrothermaler Systeme zu ermöglichen und dabei zu helfen, langfristig die Prozesse des chemischen Austauschs zwischen der Geo- und der Hydrosphäre besser zu beschreiben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Daniel Koehn
• Kooperationspartnerinnen: Professorin Dr. Catherine Hollis; Professorin Dr. Sandra Piazolo