Grain-boundary – fluid inclusion interaction in rocks and analogues [Elektronische Ressource] / Joyce Schmatz

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• Publié le: 01 janvier 2011
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Extrait

Dissertation
Joyce Schmatz
Grain
Boundary
Fluid Inclusion
Interaction
in Rocks and
Analogues
Dissertation
Grain Boundary – Fluid Inclusion Interaction in Rocks and Analogues
Joyce Schmatz
Joyce Schmatz Grain Boundary – Fluid Inclusion Interaction in Rocks and Analoguescover design · typesetting · book layout david schulze
2010Grain-Boundary - Fluid Inclusion Interaction in
Rocks and Analogues
Von der Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik der Rheinisch-
Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von Dipl.-Geol.
Joyce Schmatz
aus Gießen
Berichter: Univ.-Prof. Dr. Janos Urai
Univ.-Prof. Dr. Paul D. Bons
Tag der mündlichen Prüfung: 29. November 2010
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbarIIFür Hanna
Parabase
Freudig war vor vielen Jahren
Eifrig so der Geist bestrebt,
Zu erforschen, zu erfahren,
Wie Natur im Schaffen lebt.
Und es ist das ewig Eine,
Das sich vielfach offenbart.
Klein das Große, groß das Kleine,
Alles nach der eignen Art.
Immer wechselnd, fest sich haltend,
Nah und fern und fern und nah;
So gestaltend, umgestaltend -
Zum Erstaunen bin ich da.
J.W. v. Goethe
IIIIVZusammenfassung
Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit werden Wechsel- Das Verteilungsmuster von Flüssigkeitsein-
wirkungen von bewegenden Korngrenzen schlüssen in den Körnern wird mit unter-
mit Flüssigkeitseinschlüssen untersucht. Zu schiedlich schnell bewegenden Korngrenzen
diesem Zweck werden Untersuchungen an in Verbindung gebracht.
Gesteinen und gesteinsanalogen Materialien In situ – Deformationsexperimente, welche in
durchgeführt. Chemische sowie kinetische Durchlichtmikroskopie durchgeführt werden,
Wechselwirkungen von Korngrenzen mit Flüs- ermöglichen es, die Wechselwirkungen von
sigkeitseinschlüssen haben bedeutsame Flüssigkeitseinschlüssen mit Korngrenzen zu
Auswirkungen auf die Entwicklung von Mikro- beobachten. In dieser Studie wird eine Defor-
strukturen, anhand derer Rückschlüsse auf die mationsmaschine verwendet, die mit einem
mechanischen Eigenschaften sowie Bildungs- System ausgestattet ist, um Salze und Ana-
bedingungen eines Gesteins gezogen werden. logmaterialien unter kontrolliertem Fluiddruck
Um das Verständnis dieser Wechselwirkungen und konstanter Temperatur zu deformieren.
zu vertiefen werden Morphologie und Kinetik Polykristalliner Kampfer, ein Gesteinsana-
von Korngrenzen und Flüssigkeitseinschlüssen log, wird zusammen mit kampfergesättigtem
anhand natürlicher Proben und experimentell Ethanol deformiert und ausgeglüht. Das Sys-
deformierter Analogmaterialien erforscht. Die tem erlaubt es, den Einfluss von unterschied-
empirisch hergeleiteten Zusammenhänge so- lich schnell bewegenden Korngrenzen auf die
wie theoretische Überlegungen dienen als Ba- Morphologie und Kinetik der Flüssigkeitsein-
sis für ein numerisches Modell. schlüsse zu beschreiben. Beobachtet wird
Eine Quarzkluft aus dem Hunsrückschiefer, zum einen das Mitschleifen und Hinterlassen
deformiert und statisch rekristallisiert unter der Einschlüsse und zum anderen, dass sehr
grünschieferfaziellen metamorphosen Bedin- schnelle Korngrenzen nicht mit Flüssigkeits-
gungen, wird hinsichtlich Art und Verteilung einschlüssen interagieren. Empirisch lässt
von Flüssigkeitseinschlüssen in Körnern und sich so eine kritische Korngrenzengeschwin-
Korngrenzen untersucht. Primäre, vielphasige digkeit in dem System bestimmen, welche
Einschlüsse (CO , H O und Graphit) in schwach insbesondere von der Größe der Einschlüsse 2 2
deformierten, alten Körnern akkumulieren an kontrolliert wird.
Subkorngrenzen. Korngrenzenmigrationsre- Um die wichtigen Einflussgrößen in diesem
kristallisation führt zur Umverteilung und Al- Prozess zu bestimmen werden drei gestein-
teration dieser Einschlüsse und spiegelt sich sanaloge Systeme miteinander verglichen,
deutlich in einem geringeren Flüssigkeitsvo- die sich in der Löslichkeit der festen in der
lumen in den rekristallisierten Körnern wider. flüssigen Phase sowie im Benetzungswinkel
Korngrenzen zwischen alten und rekristallisier- unterscheiden: Kampfer mit Ethanol, Kampfer
ten Körnern weisen eine unregelmäßige Struk- mit Ethylenglykol und Bischofit mit Wasser.
tur und Flüssigkeitseinschlussverteilung auf Die Proben haben ähnliche Ausgangsmikro-
und enthalten kaum Graphit. Korngrenzen von strukturen und werden unter vergleichbaren
rekristallisierten Körnern hingegen sind glatt Randbedingungen (Temperatur und Glühzeit)
und enthalten feine Anordnungen von einpha- ausgeglüht. Benetzungswinkel und Löslich-
sigen Flüssigkeitseinschlüssen. Die Wechsel- keit bestätigen sich als wichtige Einflussgrö-
wirkungen werden dahingehend interpretiert, ßen auf die Wechselwirkung von Korngrenzen
dass die wässrige Phase entlang von Korngren- mit den Flüssigkeitseinschlüssen. So führt
zen abtransportiert wird, während Graphit im ein großer Benetzungswinkel zum Hinterlas-
Kontakt mit einer Oxidationsmittel enthalten- sen des Porenfluids als isolierte Einschlüsse,
den Korngrenze in CO umgewandelt wird. während ein kleiner Winkel das Aufnehmen2
VZusammenfassung
des Fluids in die Korngrenze begünstigt. In sie – zwar auch nur näherungsweise – die Ent-
allen drei Proben konnte eine maximale Flüs- wicklung einer Mikrostruktur über viele Zeitin-
sigkeitseinschlussgeschwindigkeit bestimmt tervalle simulieren können. Um den Einfluss
werden, bis zu der ein Einschluss von einer der empirisch ermittelten und theoretisch
bewegenden Korngrenze mitgeschleift wer- zugrunde liegenden Einflussgrößen zu tes-
den kann. Die Daten zeigen, dass in allen ten wird in einem numerischen Modell Korn-
Proben der ratenkontrollierende Prozess Volu- wachstum in der Anwesenheit unterschiedlich
mendiffusion ist. mobiler (großer) Partikel bei gleichbleibender
Analogexperimente fördern das Verständnis Partikelanzahl simuliert. Die Ergebnisse zei-
von der Entwicklung einer Mikrostruktur, je- gen eine nicht-monotone Beziehung zwischen
doch sind sie in Raum und Zeit begrenzt. Nu- Partikelmobilität und Kornwachstumsrate.
merische Modelle besitzen den Vorteil, dass
VIAbstract
Abstract
This thesis deals with the interaction of moving in recrystallized rocks, see-through deforma-
grain boundaries with fluid inclusions in meta- tion experiments on minerals and rock ana-
morphic rocks and rock analogues. The grain logues provide a valuable method to study the
scale distribution of fluids, the fluid inclusion spatio-temporal development of microstruc-
morphology and kinetics have important impli- tures. The newly developed see-through de-
cations for the preserved microstructure and formation apparatus is used to undertake de-
therefore for interpretations on thermobaro- formation and annealing experiments using
metry and rheology. In order to better under- minerals and rock analogues containing a
stand the dynamics and kinetics involved and liquid phase. It resembles a miniature triaxial
finally to enhance the reliability of fluid inclu- deformation apparatus and includes a cont-
sions used as a tool in geosciences, this thesis rolled pore-fluid system constructed to allow
is built as a combination of investigations on i) fluid-pressures up to 30 MPa. Samples were
natural samples, ii) analogue experiments that made of mixtures of solid, rhombohedral cam-
allow in-situ observations on fluid inclusion – phor with a liquid, saturated solution of cam-
grain boundary interaction with carefully selec- phor in ethanol. Samples were deformed at
ted variations of boundary conditions, and iii) high homologous temperatures (Th ~ 0.7) and
-6 -4 -1numerical simulations. strain rates of 1×10 to 9×10 s . For grain
-10A folded (D2) and statically recrystallized boundary migration rates ranging from 10 to
6 -1quartz vein from the Hunsrück Slates in Ger- 10- ms , the experiments showed Zener pin-
many was studied, focusing on the structure of ning, drag and drop of fluid inclusions by mig-
multiphase fluid inclusions in primary and rec- rating grain boundaries, but also the passage
rystallized grains and in different types of grain of grain boundaries over fluid inclusions wit-
boundaries. The primary, deformed grains con- hout noticeable interaction. The experiments
tain numerous, complex H O – CO – graphite also show that fluid inclusions may or may not 2 2
inclusions, with significant differences in fluid be affected by a migrating grain boundary, de-
inclusion structure along subgrain boundaries. pending on the grain boundary velocity. The
The recrystallized grains contain considerably critical grain boundary velocity for the interac-
less fluid volume. Migration of grain bounda- tion of migrating grain boundaries with fluid
ries into the old grains was accompanied by inclus