Petrologie und Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeiten und Gestein

Die Abteilung für experimentelle Petrologie und Fluid-Gesteins-Interaktion ist mit einer Reihe von Geräten ausgestattet, die entwickelt wurden, um 1) die Stabilität von Mineralphasen während der Kristallisation von Magma oder der Schmelzung von Gesteinen und 2) die Wechselwirkungen zwischen Gesteinsgas, Magmagas und Mineralgas unter verschiedenen Druck- und Temperaturbedingungen zu untersuchen. Diese Einrichtung ergänzt und wird unterstützt durch die Labore für experimentelle Vulkanologie, Geothermie und Geochemie.

Fortgeschrittener Gas-Asche-Reaktor (AGAR)

Vergrößern

Der Advanced Gas-Ash Reactor (AGAR) ist ein maßgeschneiderter Apparat zur Untersuchung chemischer Reaktionen zwischen Ascheoberflächen und heißen vulkanischen Gasen, wie sie in Eruptionswolken beobachtet werden. In diesem Gerät können vulkanische Gase (wie SO₂, HCl oder CO₂), überhitzter Dampf und Argon bei hohen Temperaturen und niedrigem Druck (2 bar) gemischt und durch den Reaktor gespült werden, der vulkanische Asche enthält, die in einem Quarzrohr in einem Dreizonenofen herumwirbelt. Der AGAR kann für eine Reihe von Anwendungen eingesetzt werden, darunter Asche-Gas-Wechselwirkungen unter wasserfreien und wasserhaltigen Bedingungen, Gasadsorptionsprozesse in Eruptionswolken, die Auswirkungen der Chemie der Ascheoberfläche auf die Atmosphäre, die Mineralsynthese und die Diffusion von Ionen.

• Probenmasse: bis zu 10 g
• Temperaturen: bis zu 900 °C
• Atmosphäre: wasserhaltig oder wasserfrei
• Zielgase: Schwefeldioxid, Salzsäure, Kohlendioxid (anpassbar)

Weitere Informationen: Ayris, P.M. et al. Ein neuartiges Gerät zur Simulation eruptiver Gas-Gesteins-Wechselwirkungen. Bull Volcanol 77, 104 (2015). https://doi.org/10.1007/s00445-015-0990-3

Hydrothermische, kaltverschweißte Druckbehälter

Vergrößern

Dieser Versuchsaufbau umfasst drei horizontale Kaltversiegelungs-Druckbehälter, die eine Vielzahl von Anwendungen unterstützen, darunter Phasengleichgewichte, Mineralreaktionen und -texturen, Mineralsynthese, Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen und Elementverteilungsstudien. Die Apparatur ist für Drücke bis zu 200 MPa ausgelegt, wobei Wasser als Druckmedium verwendet wird, und für Temperaturen bis zu 950 °C. Sie kann für Zeiträume von Minuten bis zu Monaten betrieben werden. Die Behälter sind aus Waspaloy® gefertigt. Der Druck wird mit einer automatischen floXlab-Spritzenpumpe erzeugt und präzise geregelt, die mit einem hochpräzisen Druckwandler zur Echtzeit-Drucküberwachung ausgestattet ist (Volumenkapazität von 150 ml und Durchflussraten zwischen 0,0001 und 20 ml/min). Diese Konfiguration ermöglicht die Durchführung von Experimenten unter konstantem Druck oder mit einer programmierbaren, kontrollierten Dekompressionsrate (¹x¹0¹–¹x¹0^-6 MPa/s), um eine Reihe von Magmaaufstiegswegen zu simulieren. Die Durchläufe werden durch schnelle Abkühlung mit einem speziell entwickelten, freihändigen Quench-System, das Druckluft und Wasser kombiniert, abgeschreckt, wodurch eine reproduzierbare Quench-Rate zwischen den Experimenten gewährleistet ist.

Schnellkühlung, Kaltverschweißung, Druckbehälter

Vergrößern

Drei schnell abgekühlte Molybdän-Hafnium-Karbid-Kaltverschluss-Druckbehälter wurden zusammen mit speziell angefertigten Hochtemperaturöfen aufgestellt. Diese Versuchsanlagen ermöglichen die geochemische Untersuchung von flüchtigen Stoffen reichen Schmelz- und Kristallisationsprozessen bei Drücken von bis zu 3 kbar und Temperaturen von bis zu 1350 °C. Ein Neodym-Ringmagnet, der die Probe während des Experiments an Ort und Stelle hält, ermöglicht es, die Probe vom Hotspot des Hochtemperaturofens in eine wassergekühlte Stahlstangenverlängerung fallen zu lassen, wodurch hohe Abkühlungsraten von >200 °C/Sekunde erreicht werden. Solche hohen Abkühlungsraten ermöglichen die Untersuchung von COH-Fluid-haltigen Silikat- und Karbonatsystemen für strukturelle, rheologische und chemische Analysen.

Endgelagerte Kolben-Zylinder-Vorrichtung

Vergrößern

Die experimentelle petrologische Anlage ist mit einem Bristol-Typ-Endladungs-Kolbenzylinderapparat ausgestattet, der zur Simulation von Hochdruck- und Hochtemperaturbedingungen entwickelt wurde, wie sie für Prozesse im Erdinneren relevant sind. Das System ist mit Druckplatten mit einem Durchmesser von 0,5, 0,75 und 1,0 Zoll ausgestattet, die Experimente in einem Druckbereich von 2 bis 35 kbar und bei Temperaturen von bis zu 1450 °C ermöglichen. Diese Vielseitigkeit ermöglicht die Untersuchung von Phasengleichgewichten, Schmelz- und Flüssigkeitsunmischbarkeitsbeziehungen sowie der Mineralstabilität unter kontrollierten Laborbedingungen.

Gasmischlabor (1 atm)

Vergrößern

Das Gasmischlabor ist mit acht GERO HTRV 70/250-Öfen ausgestattet, die an eine Reihe von Gasmischleitungen mit verschiedenen Gasen (CO, CO2, H₂, O₂, Ar) verbunden sind. Diese werden verwendet, um die Reaktion von Gesteinen, Gläsern und Schmelzen/Magmen unter verschiedenen Gaschemien zu untersuchen, um einen reduzierten fO₂-Wert (bei 1 bar) zu erhalten oder um Proben unter kontrollierten chemischen Bedingungen zu synthetisieren, um Proben mit maßgeschneiderten Eigenschaften (z. B. magnetisch, Redoxzustand usw.) herzustellen. Das Labor verfügt außerdem über verschiedene Versuchsanlagen unter kontrollierter Atmosphäre. Dazu gehören:

• Ein Ofen mit einem Brookfield-Viskosimeter (konzentrischer Zylinder) zur Bestimmung der Viskosität unter verschiedenen Redoxbedingungen
• Ein Ofen, der mit einer Mettler Toledo 104 Waage zur Bestimmung der Dichte vor Ort ausgestattet ist.
• Ein Fragmentierungsgerät zur Untersuchung von Fragmentierung und Blitzentladungen in exotischen chemischen Atmosphären
• Ein Ofen, der mit einer Spalt-Quench-Vorrichtung verbunden ist, um (hochreaktive) Proben schnell abzukühlen.

Rührreaktor

Tischreaktor mit einem Volumen von 500 ml, Split-Ring-Dichtungssystem und Argon-Gasbetrieb (4575A_HC 500 ML). Der Reaktor ist als feststehende Behälterbaugruppe konstruiert. Das Reaktormaterial einschließlich aller innenliegenden Teile besteht aus Hastalloy-C. Maximale Betriebsbedingungen: bis zu 500 °C und 34,5 MPa.