Prof. Yan Lavallée

Forschungsinteressen

Meine Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf die rheologische und mechanische Beschreibung von Magma und Gesteinen sowie deren Einfluss auf vulkanische, magmatische, seismische, geothermische und planetare Prozesse. Meine Arbeit integriert geologische Feldmethoden mit Geophysik, Petrologie, Geochemie und Materialwissenschaften, um die Modelle der Erde weiterzuentwickeln.

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Die Rheologie von Magmen: eine Kontrolle über Magmatismus und Vulkanismus

Die rheologischen (Fließ-)Eigenschaften von Magma steuern magmatische und vulkanische Prozesse. Die Mobilität des Magmas beruht auf der Entmischung flüchtiger Gase – hauptsächlich H₂O, CO₂ und SO₂ – in Gasblasen, wodurch Auftrieb entsteht; im Gegensatz dazu erhöht die Kristallisation des Magmas dessen Scherfestigkeit. Letztendlich sind die Eigenschaften des Magmas entscheidend für Vulkanausbrüche, geothermische Aktivität und die Differenzierung von Planeten. Die Entmischung flüchtiger Bestandteile in Gasblasen erzeugt den Auftrieb des Magmas und treibt Ausbrüche an, wodurch Art und Intensität der Eruptionen bestimmt werden. In geothermischen Systemen beeinflussen flüchtige Bestandteile den Wärmetransport, die Fluidströmung und die Mineralisierung und sind daher für die Rohstoffexploration von entscheidender Bedeutung. Wir führen experimentelle und numerische Arbeiten durch, um die Entwicklung und das Verhalten von Gasblasen und Kristallen in Magma zu untersuchen (einschließlich Keimbildung, Wachstum, Deformation (inkl. Kristallplastizität), Verschmelzung und Ausgasung) und die Eigenschaften (Viskosität, Permeabilität, Festigkeit) von blasen- und kristallhaltigen Magmen beim Fließen oder explosiven Fragmentieren einzugrenzen.

Projekt

• MODERATE - Magma outgassing during eruptions and geothermal exploration (ERC-CoG, 2022- 2025)

Lavallée Y., Kendrick J.E. (2021): A review of the physical and mechanical properties of volcanic rocks and magmas in the brittle and ductile field. In: Forecasting and Planning for Volcanic Hazards, Risks, and Disasters. Vol. 2 in Hazards and Disasters (Ed. Papale P.). Elsevier. 153-238..

Lavallée Y., Kendrick J.E. (2022): Strain Localisation in Magmas. In: Geological Melt (Eds: Neuville D.R., Henderson G.S., Dingwell D.B.). Reviews in Mineralogy and Geochemistry 87, 1088p..

Lavallée, Y., Miwa, T., Ashworth, J. D., Wallace, P. A., Kendrick, J. E., Coats, R., Lamur, A., Hornby, A., Hess, K.-U., Matsushima, T., Nakada, S., Shimizu, H., Ruthensteiner, B., and Tuffen, H. (2022): Transient conduit permeability controlled by a shift between compactant shear and dilatant rupture at Unzen volcano (Japan), Solid Earth, 13, 875–900, https://doi.org/10.5194/se-13-875-2022.

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Errichtung des ersten internationalen Magma-Observatoriums

Das Krafla Magma Testbed (KMT) ist eine wegweisende geothermische und vulkanologische Forschungsinitiative am Vulkan Krafla (Island), einem der wenigen Orte, an denen die genaue Lage von Magma in der Erdkruste bekannt ist. Während des Bohrprojekts IDDP-1 im Jahr 2009 wurde unerwartet Magma in einer Tiefe von 2,1 km angetroffen, was neue Möglichkeiten für die wissenschaftliche Erforschung von Magma eröffnete. Ziel des KMT ist der Aufbau einer internationalen Infrastruktur für wiederholte, kontrollierte Bohrungen in Magma, um dessen Eigenschaften, Wechselwirkungen mit dem umgebenden Gestein und die Rolle flüchtiger Bestandteile in der Eruptionsdynamik und der Geothermie zu untersuchen. Dieses einzigartige Testbed wird multidisziplinäre Forschung unterstützen, unser Verständnis des Magmaverhaltens erweitern, die Eruptionsvorhersage verbessern und das Potenzial extrem heißer Geothermie erforschen. Das KMT dient zudem als natürliches Labor zur Untersuchung von Prozessen im Inneren von Planeten und der Entwicklung terrestrischer Planeten und bietet so globale Einblicke in das tiefe Erdinnere und planetare Systeme.

Projekt

• Constraining magma response to drilling at Krafla, Iceland. (DFG, 2025-2028) as part of SPP1006: Infrastructure area - International Continental Scientific Drilling Program (ICDP)

Lavallée Y., Kendrick J.E., Eichelberger J.C., Papale P., Sigmundsson F., Dingwell D.B. (2025): Accessing Magma: A Necessary Revolution in Earth Sciences and Renewable Energy. European Review 32 (No. 4), 412–434.

Wadsworth F.B., Vasseur J., Lavallée Y., Hess K.-U., Kendrick J.E., Castro J., Weidendorfer D., Rooyakers S.M., Foster A., Jackson L.A., Kennedy B.M., Nichols A.R.L., Schipper C.I., Scheu B., Dingwell D.B., Watson T., Rule G., Witcher T., Tuffen H. (2024): The rheology of rhyolite magma from the IDDP-1 borehole and Hrafntinnuhryggur (Krafla, Iceland) with implications for geothermal drilling. Journal of Volcanology and Geothermal Research 455, 108159.

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Schwefelreinigung durch Vulkanasche bei explosiven Eruptionen

Vulkanasche und Schwefelverbindungen, insbesondere Schwefeldioxid (SO₂), spielen eine wichtige Rolle im Klimasystem der Erde. Bei explosiven Eruptionen reagiert Schwefeldioxid mit Vulkanasche und bildet Salze, die sich auf der Oberfläche der Aschepartikel absetzen. Dieser Prozess ist effizient und kann zur Aufnahme von etwa 50 % des Schwefels aus den vulkanischen Rauchwolken führen, wodurch unsere Messungen des Gehalts an flüchtigen Stoffen mittels Gasanalyse beeinträchtigt werden. In dieser Studie führen wir Experimente durch, um die Wechselwirkung von Vulkanasche mit Schwefel quantitativ zu erfassen und so präzisere Klimafolgensimulationen zu entwickeln.

Projekt

• Rapid scrubbing of SO2 during explosive volcanic eruptions (DFG, 2025-2027)

Vulkanische Entgasung auf Exoplaneten

Vulkanische Emissionen von Gasen aus Magma (z. B. CO₂, H₂O, SO₂ und andere flüchtige Stoffe) spielen eine zentrale Rolle bei der Gestaltung planetarer Atmosphären, einschließlich derer von Exoplaneten. Auf der Erde hat die vulkanische Entgasung maßgeblich zur Entwicklung unserer Atmosphäre und unseres Klimas beigetragen und sowohl die Bewohnbarkeit als auch geologische Prozesse beeinflusst. Ebenso liefert die Untersuchung vulkanischer Aktivität und Entgasung auf Exoplaneten Erkenntnisse über deren Potenzial, Leben zu beherbergen, und über ihre geologische Entwicklung. Bei Gesteinsplaneten könnten vulkanische Emissionen zur Atmosphäre beitragen und somit die Oberflächentemperatur, die Wolkenbildung und die langfristige Klimastabilität beeinflussen. Um das potenzielle Vorkommen von Vulkanismus und Magmatismus auf Exoplaneten zu klären, müssen wir das Verhalten flüchtiger Gase in Magmen unter den außergewöhnlichen Bedingungen, die auf Exoplaneten herrschen, experimentell untersuchen. Das Verständnis dieser Prozesse auf der Erde verbessert unsere Modelle von Exoplanetenatmosphären und leitet die Suche nach bewohnbaren Welten jenseits unseres Sonnensystems.

Upcoming project:

• ORIGINS: Vom Ursprung des Universums bis zu den ersten Bausteinen des Lebens (DFG Exzellenzcluster, 2026-2033).

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Instabilität und Einsturz von Vulkanen

Vulkanische Gebilde sind von Natur aus instabile Konstruktionen, die sich innerhalb kurzer geologischer Zeiträume entwickeln. Während der Lebensdauer eines Vulkans wird die strukturelle Stabilität des Gebildes durch magmatische, vulkanische, tektonische, ozeanische und atmosphärische Prozesse beeinträchtigt, was zu Verformungen, Massenbewegungen und katastrophalen Einstürzen führen kann. Diese großflächigen Einstürze können Vulkanausbrüche auslösen und sogar Tsunamis erzeugen, die sich über große Entfernungen ausbreiten und die Bevölkerung in Küstenstädten bedrohen. Wir untersuchen die mechanischen Eigenschaften vulkanischer Materialien (kohärente Laven und vulkanoklastische Systeme) und die Belastungsbedingungen (Spannung, Erdbeben, Regen), die zu Gesteinsverdichtung und -bruch führen. Außerdem führen wir Reibungstests durch, um die Steuerungsmechanismen und die Kinetik von Verwerfungsprozessen zu untersuchen, die zur Entstehung von Erdrutschen führen. Ergänzt wird diese Arbeit durch Feldanalysen, Drohnenaufnahmen und langfristige Überwachung mittels satellitengestützter Fernerkundung, um die Vorzeichen zu erkennen und das Auftreten solcher katastrophalen Ereignisse vorherzusagen.

Projekte

• Langfristige kühlungsinduzierte Vulkaninstabilität (DFG, 2025 - 2028)

Hughes A., Kendrick J.E., Salas G., Wallace P., Legros F., Di Toro G., Lavallée Y. (2020): Shear localisation, strain partitioning and frictional melting in a debris avalanche generated by volcanic flank-collapse. Journal of Structural Geology 140:104132.

Lamur A., Kendrick J.E., Schaefer L.N., Lavallée Y., Kennedy B.M. (2023): Damage amplification during repetitive seismic waves in mechanically loaded rocks. Nature, Special volume: Forecasting volcanic events of Scientific Reports. 13: 1271. doi.org/10.1038/s41598-022-26721-x

Zorn E.U., Kendrick J.E., Lamur A., Birnbaum J., Kueppers U., Muniz da Silva M., Lavallée Y. (2024): Experimental investigation of volcaniclastic compaction during burial. Volcanica, DOI: 10.30909/vol.07.02.765783.

Konstruktion von Mondhabitaten

Die Kolonisierung des Weltraums erfordert die Entwicklung von Lebensräumen, die auf neuartigen Ingenieurverfahren beruhen. Unter den verschiedenen Lösungsansätzen kann das Sintern von Mondregolith (das Erhitzen und Verschmelzen von Mondbodenpartikeln zu festen Materialien) die Entstehung nachhaltiger Lebensräume fördern, indem es robuste und langlebige Strukturen auf dem Mond schafft und so den Transport von Materialien von der Erde reduziert. Die Entwicklung solcher Lösungen ist entscheidend, um die logistischen Herausforderungen der Weltraumforschung zu bewältigen. Sie ermöglicht die Schaffung autarker Lebensräume, die extremen Temperaturen, Mikrometeoriteneinschlägen und Sonnenstrahlung standhalten können. Sinterverfahren müssen an die lokalen Gesteinseigenschaften angepasst werden. Daher testen wir experimentell die Eigenschaften verschiedener Mondmaterialien und entwickeln numerische Modelle zur präzisen Materialentwicklung. Das Sintern von Mondregolith wird kostengünstigere Lösungen für die menschliche Präsenz auf dem Mond ermöglichen und den Weg für zukünftige Missionen zum Mars und darüber hinaus ebnen.

Projekt

• Collaboration with DLR and OHB

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Bruch- und Verwerfungsprozesse

Erdbeben entstehen, wenn Gesteine ​​aufgrund von Überspannung brechen und die Bruchstücke entlang von Verwerfungssystemen verschieben. Wir untersuchen Bruch- und Gleitprozesse mithilfe von Laborexperimenten und verstehen die komplexen Mechanismen, die aktiven Verwerfungen zugrunde liegen und zu Erdbeben führen. In Laborexperimenten simulieren wir Materialbruch und Verwerfungsbewegungen unter kontrollierten Bedingungen und bestimmen so die mechanischen Eigenschaften von Gesteinen (Festigkeit, Reibung) und deren Entwicklung während Bruchereignissen. Insbesondere untersuchen wir die Entstehung von Reibungsschmelzen, bei dem die durch das Gleiten erzeugte Wärme zu partiellem Schmelzen entlang von Verwerfungsflächen führt. Laborexperimente ermöglichen die präzise Kontrolle der Bedingungen (Temperatur, Spannung und Gleitrate), die in Abhängigkeit von den lokalen Gesteinsarten zum Reibungsschmelzen führen. Die Eigenschaften des geschmolzenen Materials bestimmen nach dem Schmelzen die Verwerfungsverschiebung und die Verschiebung während eines Erdbebens. Das Verständnis dieser Prozesse trägt zur Verbesserung von Erdbebenmodellen, zur Vorhersage des Verwerfungsverhaltens und zur Bewertung seismischer Gefahren bei. Durch die Verknüpfung von Laborergebnissen mit realen seismischen Daten wollen wir einen tieferen Einblick in die Physik von Verwerfungen in einer Reihe tektonischer und vulkanischer Umgebungen gewinnen.

Projekt

• MODERATE - Magma outgassing during eruptions and geothermal exploration (ERC-CoG, 2022- 2025)

Wallace P.W., De Angelis S.H., Kendrick J.E., Hornby A., Clesham S., von Aulock F.W., Hirose T., Dingwell D.B., Lavallée Y. (2019): Frictional melt homogenisation during fault slip: Geochemical, textural and rheological fingerprints. Geochimica et Cosmochimica Acta 255, 265-288.

Hughes A., Kendrick J.E., Lamur A., Wadsworth F.B., Wallace P.A., Di Toro Gi., Lavallée Y. (2020): Frictional behaviour, wear and comminution of synthetic porous geomaterials. Frontiers in Earth Science: Earth and Planetary Materials 8:488.

Kendrick J.E., Lavallée Y. (2022): Frictional melting in magma and lava. In: Geological Melts (Eds: Neuville D.R., Henderson G.S., Dingwell D.B.). Reviews in Mineralogy and Geochemistry 87, 1088p.

Publikationen