Authors:	Klein, Johannes
Title:	The influence of crystal-size distributions on dynamic processes in magmatic systems and the rheology of magmas
Online publication date:	6-May-2019
Year of first publication:	2019
Language:	english
Abstract:	The rheology of a magma is recognized as a one of the crucial parameters for the understanding of processes and features throughout a volcanic system. Despite its key role in governing volcanic processes, magma rheology is extremely difficult to constrain in time and space within a natural volcanic system. It is well known from laboratory studies and observations in natural volcanic systems that the amount of crystals suspended in the melt, and the degree to which they interact, are central parameters governing magma rheology. Accounting for, or neglecting the effect of solid particles in volcanological eruption models can change their results by orders of magnitudes and may be a key parameter controlling whether an eruption is explosive or effusive. However, a key question in suspension rheology remains unanswered: How does the size distribution of suspended particles influence the flow? Crystal-size distributions (CSD) are a widely used tool to describe aspects of a natural sample’s crystallization history (e.g., nucleation and growth rates, etc.) in order to examine processes within magma chambers and/or the conduit during magma ascent. Because crystals grow during magma rise, and due to the influence of particle concentration, size distribution and shape on suspension rheology, it is expected that the rheology of ascending magmas will change with time and position within a volcanic conduit. This thesis investigates systematically the influence of CSD's on the rheology of vesicle free magmatic suspensions by using analogue rotational rheometric experiments with glass particles of different shapes in silicone oil acting as a magma equivalent. With the help of multimodal particle suspensions of well-defined size fractions, the analogue experiments of this study reveal that the polydispersity γ of the suspended particles exerts the largest influence on the maximum packing fraction ϕ_m of the suspension and consequently on its rheological behavior. In this thesis, an empirical model is derived in order to estimate the relative effect of crystal content and CSD's on the viscosity of magma directly from textural image analysis of natural rock samples. This model is applied to and tested by the measurement and analyses of the CSDs in experimentally grown crystal populations from high pressure/high temperature (HP/HT) petrological-experiments of Santorini pumice. Die rheologischen Eigenschaften eines Magmas gelten als einer der entscheidenden Para-meter für das Verständnis von Prozessen und Eigenschaften eines vulkanischen Systems. Die Rheologie eines Magmas innerhalb ihres jeweiligen natürlichen vulkanischen Systems bestimmen zu können, ist jedoch äußerst schwierig. Anhand von Laborstudien und Beobachtungen natürlicher vulkanischer Systeme wird vermutet, dass die Menge der in einer Schmelze suspendierten Kristalle und der Grad ihrer Wechselwirkung untereinander zentrale Parameter der Magmarheologie sind. Der Effekt von Partikel in der Schmelze hat enorme Auswirkungen auf vulkanologische Eruptionsmodelle und ist letztlich ein Schlüs-selparameter dafür, ob eine Eruption explosiv oder effusiv sein wird. Eine wichtige Frage der Suspensionsrheologie bleibt jedoch trotz allen Fortschritts unbeantwortet: Wie beein-flusst die Größenverteilung der partikel die rheologischen Eigenschaften einer Suspension? Kristallgrößenverteilungen (CSD) gelten als weit verbreitete Möglichkeit um diverse Aspekte der Kristallisationsgeschichte einer natürlichen Probe (z.B. Keimbildung und Wachstumsraten, etc.) zu beschrieben, um Prozesse innerhalb von Magmakammern und/oder des Schlots während des Magmenaufstiegs zu untersuchen. Da Kristalle während des Aufstiegs des Magmas wachsen und aufgrund des zuvor beschriebenen Effekts der Kristalle auf die Magmenrheologie, ist zu erwarten, dass sich auch die Rheologie der auf-steigenden Magmen mit der Zeit und ihrer Position innerhalb des Vulkanschlots ändert. Die vorliegende Dissertation untersucht systematisch den Effekt von Kristallgrößenverteilungen auf die Rheologie blasenfreier magmatischer Suspensionen mithilfe rheometrischer Rotationsexperimente. Als Magmaäquivalent fungiert im Rahmen dieser Analogexperimente ein Gemisch von Silikonöl mit darin gelösten Glaspartikel. Die Ergebnisse dieser umfassenden Experimentalreihe zeigen, dass die Polydispersität γ der suspendierten Partikel den größten Einfluss auf die maximale Packungsdichte ϕ_m der Suspension und damit auf ihr rheologisches Verhalten ausübt. Kern dieser Arbeit ist folglich ein empirisches Modell, welches es ermöglicht den relativen Einfluss des Kristallgehalts und der Korngrößenverteilung auf die Viskosität von Magma direkt aus der strukturellen Bildanalyse natürlicher Proben abzuschätzen. Dieses Modell wird zudem auf die Analyse der CSDs in experimentell gewachsenen Kristallpopulationen aus Hochdruck- / Hochtemperatur (HP/HT) - Experimenten angewendet und getestet.
DDC:	550 Geowissenschaften 550 Earth sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4826
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000027494
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	VIII, 144 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen