Neue Einblicke in das Zusammenspiel von Wasserdiffusion und Viskosität bei der Fragmentierung von Magma

Die Effizienz der Magma-Entgasung hängt vom Zusammenspiel von Wasserdiffusion und Viskosität in der Schmelze ab. Die Übersättigung der Schmelze an volatilen Komponenten während des Magma-Aufstiegs führt zur Bildung von H2O-reichen Blasen. Die damit einhergehende Abnahme des Wassergehalts in der Schmelze bewirkt wiederum eine starke Zunahme der Viskosität. Als Folge davon können sich insbesondere bei Silizium-reichen Magmen Druckunterschiede zwischen den Blasen und den Schmelzen ausbilden, die zur Fragmentierung der Magmen führen. In SiO2-reichen Magmen liegt gelöstes Wasser als Wassermoleküle und als Hydroxylgruppen vor, die im Netzwerk gebunden sind. Die Wasserfreisetzung durch die Mobilität von Wassermolekülen, aber auch durch die Umwandlungsrate zwischen OH-Gruppen und H2O-Molekülen bestimmt. In Modellierungen der Wasserdiffusion in silikatischen Schmelzen wurde allgemein angenommen, dass sich in der Schmelze ein lokales Gleichgewicht der Wasserspezies einstellt. Diese Annahme gilt jedoch nur bei hohen Temperaturen weit oberhalb des Glasübergang und bei ausreichend langen Zeitskalen. Unsere Hypothese ist, dass die Effizienz der Magma-Entgasung in Richtung niedriger Temperaturen und kurzer Zeitskalen (schnelle Dekompression) stark abnimmt. Daher kann die Anwendung von publizierten Wasserdiffusionsgleichungen unter solchen Bedingungen die Freisetzung von Wasser stark überschätzen.Um diese Hypothese zu testen, führen wir Dehydratisierungsversuche im Bereich des Glasübergangs mit dazitischen Gläsern durch, die 1 - 4 Gew .-% gelöstes Wasser enthalten. Die Mikro-Raman-Spektroskopie ermöglicht die Messung von Konzentrations-Distanz-Profilen mit hoher räumlicher Auflösung unter Verwendung eines Tiefenprofilmodus. Der Wassergehalt in der Nähe der Glasoberfläche gibt Aufschluss über den Anteil unbeweglicher Wasserspezies. Darüber hinaus liefert die Analyse der gemessenen Profile Informationen über die Konzentrationsabhängigkeit der Wasserdiffusivität, die den Einfluss der Schmelzrelaxation auf die Entgasungskinetik widerspiegelt. Die erhaltenen Daten sind von Interesse, um die Wasserdiffusionsgleichungen bei niedrigen Temperaturen und / oder bei kurzen Zeitskalen zu verbessern. Dieses hat Implikationen für die Modellierung von Magma-Entgasung und Fragmentierung.

The efficiency of magma degassing depends on the interplay of water diffusion and viscous flow in the melt. Volatile oversaturation in the melt generated during magma ascent initiates bubble formation with accumulation of excess volatiles (i.e. H2O) in the bubbles. The decrease of the water content in the melt, on the other hand, strongly reduces the melt viscosity. As a consequence, magma fragmentation may occur in particular in silicic magmas.In such magmas, the bulk water diffusivity is determined by the mobility of water molecules but also by the interconversion rate between OH groups and H2O molecules. In models describing water diffusivity in silicic melts, the common assumption has been that local equilibrium of water species is established in the melt. However, this assumption holds only at high temperature far beyond the glass transition and at sufficiently long time scales. Our hypothesis is that the efficiency of magma degassing strongly decreases towards low temperature and short time scales (rapid decompression), simply because structural relaxation (melt viscosity) is too slow for water species interconversion. Thus, application of published water diffusion equation at such conditions may strongly overestimates the release of water.To test this hypothesis, we will perform dehydration experiments in the range of glass transition with dacitic glasses containing 1 - 4 wt% dissolved water. Micro Raman spectroscopy will allow to measure concentration-distance profiles with high spatial resolution using a depth profiling modus. Water contents near the glass surface will provide information on the fraction of immobile water species. Furthermore, the analysis of the measured profiles will yield information about the concentration dependence of water diffusivity, which reflects the influence of melt relaxation on degassing kinetics. The obtained data are of interest to improve water diffusion equations at low temperature and/or at short time scales. This has implications in modelling of magma degassing and fragmentation.