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b
Neutronenforschung an
komplexen Geosystemen: das
Beispiel Gesteinsverformung
und Gesteinsschmelzen an
Plattengrenzen
tierung aufgrund ihrer niedrigen Kristallsymmetrie
schwer zu messen ist, z. B. Feldspat, das häufi gste Mineral
der Erdkruste. Zum anderen läuft die Verformung
an Plattengrenzen in mehreren Verformungsschritten
ab, wobei jüngere Ereignisse die älteren Texturen überprägen.
Prozesse im System Erde werden von Parametern
gesteuert, die auf komplexe Weise miteinander gekoppelt
sind. Die Herausforderung für die modernen
Geowissenschaften besteht darin, diese Parameter und
ihre Kopplung zu verstehen. Neutronenforschung bietet
spezifi sche Vorteile für die Untersuchung komplexer
Systeme und wird dadurch zu einem starken Werkzeug
der Geowissenschaften, wie hier am Beispiel des
komplexen Geosystems Plattengrenze veranschaulicht
werden soll.
Volumenmessungen
Entscheidende Vorteile der Neutronen gegenüber
anderen Methoden zur Texturmessung an Gesteinen
sind ihre geringe Absorption durch Materie und ihre
relativ großen Strahlquerschnitte. Deshalb können echte
Volumenmessungen durchgeführt werden. Im Fall der
Untersuchung von Verformungsprozessen an Plattengrenzen
kann Neutronenbeugung vielfältig eingesetzt
werden. Herausforderungen an die Neutronenbeugung
sind hier besonders Texturanalysen
d
110 qtz 100 qtz 001 cal
Max
3.16 mrd
z
x
1 2 3 4 5 mrd
Max
3.87 mrd
MR2
z
x
Max
6.45 mrd
Abb. 2.26. Analyse komplexer tektonischer Strukturen in der
Monte Rosa-Decke mit Hilfe von Neutronenbeugung.
a: Stolemberg im Monte Rosa-Gebiet mit Deckengrenzen.
b: Dünnschliffbild deformierten Quarzgesteins von einer der
Deckengrenzen (Maßstab 50 µm).
c: Neutronen-Textur von Quarz aus der gleichen Probe; Orientierungsverteilungen
der kristallographischen Richtungen (100),
(110) und (001).
d: Interpretation der Faltung der Deckengrenzen aufgrund der
Texturuntersuchungen.
Hintergrund: Tektonische Übersicht des Gebietes.
z
x
c
Die Bewegung der Lithosphärenplatten
Plattengrenzen sind die Ränder der sich langsam bewegenden
tektonischen Platten, aus denen die Lithosphäre
der Erde aufgebaut ist. Prozesse an Plattengrenzen
haben hohe gesellschaftliche Relevanz, einerseits durch
ihr Naturgefahren-Potential, da sie für die meisten Erdbeben
und Vulkanausbrüche verantwortlich sind, andererseits
durch Rohstoffe, wie etwa Erze und Erdöl, die
häufi g an Plattengrenzen gebunden sind. Plattengrenzen,
an denen Ozean-Lithosphären subduziert wurden
und später Kontinente kollidiert sind, lassen sich in den
Alpen und anderen Hochgebirgen der Erde studieren.
Durch die Abtragung sind dort tiefe Stockwerke der
Plattengrenze zugänglich, so dass die Verformungsvorgänge
in der Tiefe, die das Geschehen an der Oberfl ä-
che steuern, studiert werden können. Bei den Druckund
Temperaturbedingungen, die hier geherrscht haben,
verläuft die Verformung, die in fl acheren Stockwerken
zu Erdbeben führt, als bruchloser Fließvorgang im
festen Zustand. Dabei erfahren die Mineralkörner, die
das Gestein aufbauen, eine Regelung, die zur kristallographischen
Vorzugsorientierung (Textur) führt. Die
Messung der Textur ermöglicht die Rekonstruktion der
früheren Bewegungen, d. h. Bewegungsrichtung, Schersinn,
Verformungsgeometrie sowie die Geschwindigkeit
und Temperatur der Verformung (s. Abb. 2.26).
Verformung von Gesteinen
Die Verformung von Gesteinen ist bisher nur in einfachen
Modellsystemen verstanden worden, etwa für
Gesteine, die nur aus einem - möglichst einfach zu
untersuchenden - Mineral aufgebaut sind und bei einer
einfachen Verformungsgeometrie. In der Realität werden
jedoch Gesteine verformt, die meist aus mehreren
Mineralarten bestehen, darunter solche, deren Orien-
• an Gesteinen aus mehreren Mineralphasen und in
Gesteinen aus niedrigsymmetrischen Mineralen
(Ermittlung möglichst vieler Polfi guren; Trennung
überlagerter Reflexe mittels mathematischer Peak-
Profilanalyse).
• an mehrfach verformten Gesteinen. Auf diesem Feld
ist noch extrem wenig geforscht worden, hier sind
große Fortschritte möglich (Kombination von Neutronenbeugung
mit Kornformanalyse).
• an experimentell verformten Gesteinen. Texturentwicklung
bei Gesteinsverformungen unter kontrollierten
Bedingungen ist bisher kaum untersucht. Bei
Torsionsversuchen sind homogen verformte Probenbereiche
sehr klein. Hier liegt eine weitere Herausforderung
(Messung kleiner Probenbereiche; Messungen
gekapselter Proben).
Schmelzen
Plattenränder sind Zonen mit erhöhtem Vulkanismus,
d. h. Quellen für den mehr oder minder heftigen Austritt
silikatischer Schmelzen aus dem Erdinneren. Die
Eigenschaften dieser Schmelzen hängen sensitiv vom
Gehalt an fl uider Phase (Wasser) ab. Da Neutronen
besonders stark von H-Atomen gestreut werden, lassen
sich Verteilungen solcher Schmelzen (im Gestein) oder
Strukturen von „Modell“-Schmelzen mittels Neutronenradiographie
und Neutronbeugungsmethoden gut
untersuchen.
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