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Willkommen
auf
der
Homepage des SFB 526
"Rheologie
der
Erde
- von der Oberkruste bis in die Subduktionszone" |
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526»
Forschung »
Forschungsprogramm + Forschungsergebnisse (1999/2 - 2002/2 ) |
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Forschungsprogramm |
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Sonderforschungsbereich
526:
Rheologie der Erde –
von der Oberkruste bis
in die Subduktionszone
Sonderforschungsbereiche (SFB) sind
Förderungsinstrumente der Deutschen Forschungsgemeinschaft
für die Grundlagenforschung an Universitäten. Ein
Sonderforschungsbereich umfaßt eine Gruppe von Wissenschaftlern
aus verschiedenen Disziplinen, die sich in der Regel an einer einzigen
Universität zusammenfinden, um sich für eine Zeit von bis zu
12 Jahren einem bestimmten aktuellen und anspruchsvollen
Forschungsthema zu widmen. Die Förderung erfolgt in Hinblick auf
innovative Forschung mit qualitativ hochwertigen Ergebnissen innerhalb
dieser interdisziplinären Konstellationen; sie ist einem strengen
Begutachtungsverfahren unterworfen.
Der SFB 526 hat im Juli 1999 seine Tätigkeit
an der Ruhr-Universität Bochum aufgenommen und konzentriert sich
auf das mechanische Verhalten der Materialien der Erde in allen
Maßstäben und unter den unterschiedlichsten Bedingungen von
der Oberfläche bis in große Tiefen, wobei ein breites
Spektrum an Methoden zum Einsatz kommt. Wissenschaftler aus den
Bereichen Geophysik, Geologie, Kristallographie, Petrologie,
Materialwissenschaften, Mechanik und Bauingenieurwesen (Grundbau und
Bodenmechanik) kooperieren in 16 Teilprojekten, zusammengefaßt zu
4 Projektbereichen, mit intensiver Vernetzung und Wechselwirkung.
(Quelle: 1. Antrag 1999)
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Forschungsergebnisse
aus
dem
ersten Antragszeitraum |
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Sonderforschungsbereich
526:
Wissenschaftliche
Entwicklung
des
Forschungsbereichs
von 1999/2. Halbjahr -2002/1. Halbjahr
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Das Thema des Sonderforschungsbereichs hat
sich in der gegebenen Konstellation als sehr ergiebig erwiesen. Im
ersten Antragszeitraum wurde bis zum jetzigen Zeitpunkt (Ende 2001)
eine Vielzahl von bemerkenswerten Ergebnissen erzielt, über die
die untenstehende Auflistung von highlights einen
Überblick gibt. Weitere interessante Resultate sind bis zum Ende
des Antragszeitraums zu erwarten, da weder die Versuchsreihen noch die
Auswertung der bereits vorliegenden Daten abgeschlossen sind. Die
Ergebnisse wurden bislang auf einer Reihe von nationalen und
internationalen Tagungen vorgestellt und ausführlich diskutiert.
Einige Publikationen sind bereits erschienen, andere sind im Druck oder
eingereicht (siehe Publikationen). Eine
ganze Reihe weiterer Manuskripte befindet sich in einem
fortgeschrittenen Stand der Vorbereitung und wird in den nächsten
Monaten eingereicht. Grundsätzlich wird in internationalen
Zeitschriften mit review-System und in englischer Sprache publiziert.
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Im ersten Antragszeitraum wurde mit
innovativen Ansätzen, methodischen und apparativen Neu- und
Weiterentwicklungen eine Reihe von herausragenden Ergebnissen oder
vielversprechenden Zwischenresultaten erzielt:
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Im KTB-Bohrloch wurde ein weltweit
einmaliger Injektionstest zur induzierten Seismizität im Bereich
des spröd-duktil Übergangs und zu den hydraulischen
Eigenschaften der Kruste durchgeführt, wobei das daraus
entwickelte konzeptionelle Modell Bedeutung für das
Reservoir-Modelling sowohl von KW- als auch von
Geothermie-Lagerstätten haben kann. In 90 Tagen wurden fast 3.000
seismische Ereignisse aufgezeichnet, von denen 237 hochauflösend
lokalisiert werden konnten. Herdflächenlösungen wurden
für die 125 stärksten Ereignisse bestimmt; die mittlere
Hauptnormalspannung ist vertikal orientiert. Die
zeitlich-räumliche Abfolge spiegelt eine fluidinduzierte
Spannungsrelaxation in den betroffenen Bereichen wider. Multiplets
lassen bei progressiv ansteigendem Fluiddruck auf mehrfach aktivierte
Scherflächen schließen. Wie im Vorexperiment 1994 konnte im
Bereich des Bohrlochtiefsten unterhalb 9.000 m keine Migration der
Hypozentren zur Tiefe hin beobachtet werden, obwohl im Jahr 2000
über mehr als 60 Tage Wasser injiziert wurde. Innerhalb der in
dieser Tiefe angetroffenen Gneise scheint tatsächlich der
Spröd-Duktil Übergang erreicht zu sein, der tiefere
Sprödbrüche verhindert. Allerdings wurden zwei Mikrobeben
während des Experiments in Tiefen von 12 bzw. 15 km registriert,
die auf lokale Spannungsanomalien hindeuten. Diese können im
Zusammenhang mit den dort seismisch identifizierten
Amphibolitkörpern interpretiert werden. |
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Eine neue Software zum Modellieren von
Krustendeformationen für geschichtete Halbräume wurde
entwickelt, getestet und auf erste Datensätze angewandt. Sie
ermöglicht die Behandlung punktförmiger und ausgedehnter
Herde in einem Halbraum mit sehr vielen (z.B. 500) Schichten mit einem
sehr schnellen neuen Algorithmus, der die numerischen Probleme
älterer Verfahren vermeidet und sehr genau arbeitet. Das gleiche
Verfahren wurde für die Behandlung inelastischer Schichten und
damit für post-seismische Relaxationsprozesse angepasst und
erfolgreich auf die in Chile mit GPS gemessenen
Oberflächenverschiebungen angewandt. Es zeigt sich, dass die
beobachteten Verschiebungen zwischen 1994 und 1996 mit post-seismischen
Bewegungen erklärt werden können, die ihren Ursprung im
Valdivia-Erdbeben am 22. Mai 1960 (MS=8,5; Mw=9.5) haben. |
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In einem Naturbeispiel in exhumierten
metamorphen Gesteinen wurden Indikatoren für eine ausgeprägt
nicht-stationäre Verformung in der obersten Plastosphäre
identifiziert. Dabei wurden kurzzeitig Differentialspannungs-Spitzen
oberhalb von 0,5 GPa erreicht, einer bislang nicht für
möglich gehaltenen Magnitude. Verschiedene neuartige
mikrostrukturelle Kriterien für die episodische Verformung bei
synseismischem Spannungsaufbau und postseismischer Spannungsrelaxation
durch Kriechen wurden evaluiert. |
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Ansätze zur numerischen Simulation des
Aufbaus eines lokalen Spannungsfelds in der obersten Plastosphäre,
bedingt durch die schlagartige Verschiebung an einer Störung mit
einem großen seismischen Ereignis in der oberen Kruste, und der
charakteristischen Längen- und Zeitskalen für die
postseismische Spannungsrelaxation wurden erarbeitet
(Gastwissenschaftlerin S. Ellis). Die entsprechenden
Verformungs-Mechanismen und Randbedingungen wurden aus dem record
exhumierter Krustenteile abgeleitet. |
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Experimente an einer
kurzfaserverstärkten Aluminium-Basis-Legierung geben Einblick in
das Faser-Bruchverhalten beim Kriechen und bei schlagartiger
plastischer Verformung. Entsprechende Gefüge sind in
natürlich verformten Gesteinen verbreitet, wobei eine weitgehende
Analogie im Bruchverhalten von Rutil-Fasern in plastisch verformten
Quarz-Einkristallen gesehen wird. Die Gefüge sind potenziell als
erhaltungsfähige Indikatoren für nicht-stationäre
Verformung, mit starken durch Seismizität bedingten Fluktuationen
in Spannung und strain-Rate, geeignet und damit von großem
Interesse für die Analyse der Verformung im Bereich des krustalen
Spröd-Duktil-Übergangs. |
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Die Rissausbreitung in Gesteinen wurde
erstmals im Labor-Maßstab mit Hochgeschwindigkeits-Techniken
unmittelbar aufgezeichnet, mit Rissausbreitungs-Geschwindigkeiten von
bis zu 1500m/s. Die Bruchenergien bzw. Bruchzähigkeiten laufender
Risse liegen dabei (anders als in spröden Werkstoffen)
signifikant, d.h. um den Faktor 4 bzw. 2 über den entsprechenden
Rissinitiierungswerten. Der gemessene Verlauf der Bruchenergie in
Abhängigkeit von der Geschwindigkeit erklärt den für
spröde Materialien ungewöhnlich langsamen Rissstart im
Gestein. |
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Das Entstehen von Scherfugenmustern in
nichtbindigem Boden unter Extensionsbeanspruchung wurde erstmals im
Experiment kontinuierlich mit einer Röntgendurchleuchtungstechnik
beobachtet. Es wurde nachgewiesen, dass die Muster spontan bei relativ
kleinen Dehnungen entstehen und auch bei zunehmender Dehnung kein
Übergang von dem einmal eingeprägten Muster zu einem anderen
System, z.B. durch Bilden zusätzlicher Scherfugen, stattfindet.
Mit dem Versuchsaufbau wurden die Voraussetzungen für den Test
verschiedener Hypothesen zum Einfluss von Materialeigenschaften und
dynamischen Randbedingungen auf die Geometrie und Periodizität der
Scherfugen geschaffen. Die bisher in der Literatur aufgestellten
Vermutungen zum Einfluss von dynamischen Stoffparametern und
Randbedingungen auf die Scherfugenmuster konnten nicht bestätigt
werden. |
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Die Skalenabhängigkeit der
Materialeigenschaften ist in der Erdkruste aufgrund der enormen
Bandbreite der interessierenden Längenskalen von besonderer
Bedeutung. Neuartige Ansätze zur Entwicklung einer globalen
Modellvorstellung für das geklüftete Gebirge wurden
erarbeitet und werden weiter entwickelt. |
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Warm-Mikroindentationsverfahren wurden
erfolgreich zur Identifizierung aktivierter Gleitsysteme und zur
Festigkeit im Bereich der Niedertemperatur-Plastizität eingesetzt.
Zum Beispiel wurde festgestellt, dass die Festigkeit von Pyroxenen der
Mischkristall-Reihe Diopsid-Jadeit im Feld der Plastizität in
ähnlicher Weise mit der Zusammensetzung wie der Schermodul
korreliert: Jadeit weist eine um ca. 30 % höhere Festigkeit als
Diopsid auf. |
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Für die gleiche
Pyroxen-Mischkristallreihe verhalten sich die relativen Festigkeiten im
Feld des Versetzungskriechens umgekehrt als im Feld der
Plastizität. Die Festigkeit korreliert hier mit der
Homolog-Temperatur T/Tm. Hochdruck-Deformationsexperimente an
synthetischem und natürlichem Jadeit zeigten - im Einklang mit dem
mikrostrukturellen record natürlicher Gesteine - eine wesentlich
geringere Fließfestigkeit von Jadeit im Vergleich zu Diopsid.
Eklogite sind also - entgegen verbreiteter Annahme - wohl keine
hochfließfesten Gesteine. Die Festigkeit von Omphazit
(Mischkristalle der Reihe Jadeit-Diopsid) ist von besonderer Bedeutung,
da sie eine Obergrenze für die Scherspannungen zwischen den
Platten in Tiefen von über ca. 50 km in Subduktionszonen liefert. |
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Am Modellfall der Hellenischen
Subduktionszone wurden grundlegende Erkenntnisse zum strukturellen
Aufbau, zum isostatischen Gleichgewicht, zu den Materialeigenschaften
in der Tiefe, zur Verteilung der Seismizität und zur Kinematik
einer großen Zahl von seismischen Ereignissen gewonnen. Damit
werden die Voraussetzungen zum Test verschiedener Hypothesen
geschaffen, insbesondere der der weitgehenden mechanischen Entkoppelung
zwischen Ober- und Unterplatte, der Existenz eines Subduktionskanals
mit sehr niedrigviskosem Material, der geringen Festigkeit von
bestimmten Krusten- und Mantelbereichen durch hohen Porenfluiddruck und
der Verformung durch Lösungs-Fällungs-Kriechen. Die
Identifizierung von Multiplets eröffnet Zugang zu episodischen
Porendruck-Schwankungen und Transport-Prozessen im Bereich des forearcs. |
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Weltweit erstmals durchgeführte
Hochdruck-Experimente zu den Eigenschaften und zur Verteilung fluider
Phasen in Systemen mit der Zusammensetzung natürlicher
ultrahochdruckmetamorpher Gesteine zeigen, dass derartige Fluide
abschreckbar sind. Die Zusammensetzung der Fluide als Funktion von
Druck und Temperatur, ihr Volumenanteil und ihre Verteilung im Gestein
sind damit bestimmbar. Das Vorherrschen kristallographisch
kontrollierter Grenzflächen zwischen Fluid und Kristallen bedingt
eine komplexe Geometrie des dreidimensional vernetzten Porenraums. Eine
bei niedrigen Verformungsgeschwindigkeiten sehr geringe Festigkeit
derartiger Gesteine unter UHPM-Bedingungen wird vorhergesagt, was
für eine weitestgehende mechanische Entkoppelung der Platten in
Tiefen von mehr als ca. 80 km spricht. |
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Die Auswirkungen eines Subduktionskanals
mit niedrigviskosem Material und einer progressiven Hydratisierung des
hangenden Mantelkeils auf das Spannungsfeld und Zirkulationsmuster der
Gesteine an konvergenten Plattengrenzen wurden in numerischen
Simulationen studiert (Gastwissenschaftler T. Gerya). In diesen
Modellen werden die P-T-Pfade und die Verformungsgeschichte der
Gesteine aus verschiedenen Ausgangspositionen visualisiert und mit dem
record natürlicher aus Subduktionszonen exhumierter Gesteine
verglichen. Die weitreichende Konsistenz lässt darauf
schließen, dass die Modellvorstellung eines Subduktionskanals
realistisch sein könnte. |
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Löslichkeit und Lösungskinetik
gesteinsbildender Minerale unter Drucken von bis zu 5 GPa und bei
Temperaturen von bis zu 800°C können nach Neuentwicklung und
Optimierung eines mit hochpräzisen Sensoren ausgestatteten
hydrothermalen Zellentyps nunmehr in einer Diamant-Stempel-Zelle
untersucht werden. Die Ergebnisse erlauben die quantitative Behandlung
von Fluid-Gesteins-Systemen bei der Simulation der Verformung durch
Lösungs-Fällungs-Kriechen, insbesondere der Kinetik der
Kornformakkomodation bei Fluid-unterstützem granularem
Fließen unter UHP-Bedingungen. |
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In-situ Beobachtung mittels neu
entwickelter Phasenverschiebungs-Interferenzmikroskopie von
Grenzflächen an Halit-Einkristallen bei der Verformung durch
Lösungs-Fällungs-Kriechen liefert grundlegende Erkenntnisse
zu den Prozessen, sowie zu Struktur und Transporteigenschaften der
Grenzflächen. In Anbetracht der experimentellen Resultate stellt
sich unter anderem die Frage, inwieweit
Lösungs-Fällungs-Kriechen tatsächlich durch lokale
spannungsinduzierte Gradienten im chemischen Potential getrieben wird,
und nicht grundsätzlich im offenen System, möglicherweise
getrieben durch episodische oder periodische Änderungen der
Löslichkeit, abläuft. |
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Durch neuartige Diffusionsexperimente an
gesteinsbildenden Mineralen unter Einsatz von durch pulsed laser
deposition erzeugten isotopisch angereicherten dünnen Schichten
konnte am Olivin erstmals gezeigt werden, dass die Aktivierungsenergie
für Volumendiffusion der langsamsten Spezies der aus
Verformungsexperimenten gewonnenen Aktivierungsenergie für
Versetzungskriechen entspricht. Damit eröffnen sich neue
Möglichkeiten zur Kalibration von Fließgesetzen und zur
Kontrolle von aus Deformationsexperimenten gewonnenen Datensätzen.
Dies ist ein Schritt in Richtung auf eine effiziente Vorgehensweise bei
der Ableitung von Fließgesetz-Parametern für
gesteinsbildende Minerale, auch für Mischkristalle und in
Laborexperimenten nicht handhabbare Phasen, durch Kombination von
verschiedenen Methoden. |
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(Quelle: Bericht - 2002)
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Kontakt |
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Institut für Geologie, Mineralogie und Geophysik - SFB 526,
Geschäftszimmer
NA
3/163-
(Frau Schmidt)
Ruhr-Universität Bochum,
Universitätsstraße 150, 44801 Bochum
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Telefon +49 (0)234 32 27448
Fax +49 (0)234 32 14181
Email:
Barbara.Schmidt@ruhr-uni-bochum.de
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