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Geologische Prozesse in der Erde finden auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen statt – gerade kurz anhaltende Prozesse stellen Forscherinnen und Forscher vor Herausforderungen. Das Team der neuen Forschungsgruppe 2881 entwickelt Methoden für die Analyse von Vorgängen in magmatischen Systemen auf kurzen Zeitskalen. Angesiedelt ist sie an der Ruhr-Universität Bochum (RUB), außerdem ist die Leibniz-Universität Hannover beteiligt. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert die Arbeiten der Gruppe „Diffusions-Chronometrie von magmatischen Systemen“ mit rund 2,9 Millionen Euro für drei Jahre mit Option auf Verlängerung.

An der RUB kooperieren Prof. Dr. Sumit Chakraborty, Dr. Ralf Dohmen und Dr. Kathrin Faak vom Institut für Geologie, Mineralogie und Geophysik in der neuen Forschungsgruppe mit Dr. Julia Kundin aus dem Team von Prof. Dr. Ingo Steinbach vom Interdisciplinary Centre for Advanced Materials Simulation.

Kristalle als Zeitmesser

Mit der weitgehend in Bochum entwickelten Diffusions-Chronometrie lassen sich Kristalle analysieren, die sich in Magmakammern bilden. Ähnlich wie die Jahresringe von Bäumen besitzen diese ringförmige Zonen, die sich in ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden. Wie viel von welchen chemischen Elementen in einer Kristallzone vorkommen, ist abhängig von der Zusammensetzung des umgebenden Magmas sowie von Umgebungsvariablen wie Druck und Temperatur. Kommt ein neuer Schub Magma in der Kammer unter dem Vulkan an, kann ein neuer Wachstumsring entstehen, der chemisch anders als der vorherige ist. Zwischen den Wachstumsringen entsteht zunächst eine scharfe Grenze, die durch Diffusion der Elemente im Kristall im Lauf der Zeit verschwimmt. Je unschärfer die Grenze, desto weiter liegt die Bildung des Wachstumsrings zurück oder desto höher war die Temperatur bei der Bildung der Kristallzone.

Das Forschungsteam auf einen Blick und von links nach rechts: Julia Kundin, Ingo Steinbach, Kathrin Faak, Sumit Chakraborty und Ralf Dohmen

© RUB, Marquard

Bricht ein Vulkan aus, schleudert er die Kristalle nach außen. Die Elementwanderungen in den Kristallen hören schlagartig auf, ihre Verteilung wird sozusagen eingefroren. Anhand der Wachstumszonen, der Schärfe der Grenze zwischen den Zonen und deren chemischer Zusammensetzung können die Forscher den Zeitverlauf von Prozessen in geologischen Systemen rekonstruieren und Einblicke in die damals herrschenden Umgebungsbedingungen gewinnen.

Methode verfeinern

In der neuen Forschungsgruppe wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Methode weiterentwickeln, indem sie experimentelle und theoretische Grundlagen für die Anwendung der Diffusions-Chronometrie schaffen. Die neuen Methoden und mit ihr gewonnenen Daten will das Team in einer Fallstudie testen.

Die Gruppe bringt Feldgeologen, experimentell arbeitende Wissenschaftler, Theoretiker und Modellierer aus den Geowissenschaften sowie Forscherinnen und Forscher aus den benachbarten Gebieten der Physik und Materialwissenschaften zusammen. Sie wollen beispielsweise bestimmte Diffusionsparameter genauer bestimmen und theoretische Diffusionsmodelle verfeinern. Die neuen Daten und Modelle werden dann bei der Entwicklung einer Software berücksichtigt, mit der die Nutzung der Methode universeller und einfacher anwendbar für Geowissenschaftler sein soll, die keine Experten für Diffusionsprozesse sind.