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Crystallization in highly undercooled trachybasalts
an experimental petrology perspective
Stefano Peres
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Erdwissenschaften
Betreuer*in
Rainer Abart
DOI
10.25365/thesis.80042
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-20901.36710.585591-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In dieser Dissertation habe ich einen multimethodologischen Ansatz gewählt, welcher Synchrotronstrahlungs-Mikro-Computertomographie (SR-µCT), Rückstreuelektronen-Diffraktion (EBSD) und Elektronenstrahlmikrosonden-Analysen (EPMA) einbezieht, um untekühlte, synthetische Trachybasalte zu untersuchen. Die Schmelzen wurden bei konstantem Druck von 400 MPa beginnend von 1300 °C heruntergekühlt auf die Verweiltemperaturen von 1150 °C, 1100 °C und 1050 °C, mit isothermalen Verweilzeiten zwischen 0 Minuten und 8 Stunden. Das erste Ergebnis dieser Arbeit ist die Entwicklung neuer Kriterien zur Bestimmung von Nukleationsmechanismen. Ich verband das Vorhandensein einer geclusterten 3D-Verteilung von Titanomagnetitkörnern (Tmt) und das Vorhandensein kristallographischer Orientierungsbeziehungen (CORs) entlang der gemeinsamen Klinopyroxen (Cpx)-Titanomagnetit-Korngrenzen als Beweis für heterogene Nukleation, wohingegen die Abwesenheit beider Eigenschaften als Beweis für die homogene Nukleation von Tmt Körnern diente. Unter Anwendung dieser Kriterien untersuchte ich, inwiefern sich die Häufigkeit heterogener Nukleationssstellen auf die endgültige Mikrostruktur magmatischer Gesteine auswirkt. Ich konnte zeigen, dass in einer Cr-dotierten, wasserfreien Versuchsreihe die hohe Verfügbarkeit der Spinellkörner eine hohe Zahl an heterogenen Nukleationsstellen für Cpx liefert. Das Ergebnis ist eine Mikrostruktur, die charakterisiert ist durch zahlreiche kleine skelettartige Cpx Körner, welche sich auf den Spinellkörnern bilden und diese einschließen. In undotierten wasserfreien Proben führte die geringere Dichte der sich früh bildenden Spinellkörner zu weniger Nukleationsstellen, wodurch der Cpx ausgiebig ohne eine signifikante Konkurrenz benachbarter Kristalle wachsen konnte. Daraus ergeben sich große Bereiche in den Proben, die von großen, stark dendritischen Klinopyroxenkörnern dominiert werden. Diese Ergebnisse belegen, dass Phasen, die sich früh bilden oder vererbte Kristalle als Keime für die heterogene Nukleation fungieren und mehr noch als Unterkühlung die Kristallisationsdynamiken und die finale Gesteinsmikrostruktur stark beeinflussen. Die Verfügbarkeit heterogener Nuklei in magmatischen Systemen, die thermaler oder konstitutioneller Unterkühlung ausgesetzt sind, kann zu rascher Kristallisation führen. Das kann wiederum die Viskosität des Magmas beeinflussen und bestimmen, ob das System, abhängig von der Kristallinität, stagniert oder fragmentiert.
Abstract
(Englisch)
In this thesis I adopted a multimethodological approach which involves synchrotron radiation micro-computed tomography (SR-µCT), electron backscattered diffraction (EBSD), and electron probe microanalysis (EPMA) to investigate undercooled synthetic trachybasalts. The melts were held at constant pressure of 400 MPa and cooled from 1300 °C to resting temperatures of 1150 °C, 1100 °C, and 1050 °C, followed by isothermal dwells between 0 minutes and 8 hours. The first outcome of this work is the development of new criteria to identify nucleation mechanisms. I correlated the presence of the clustered 3D distribution of titanomagnetite grains (Tmt) and the presence of crystallographic orientation relationships (CORs) across the shared clinopyroxene (Cpx)-titanomagnetite interface as evidence for heterogenous nucleation, while the lack of these two provided evidence for homogeneous nucleation of Tmt grains. Applying these criteria, I then investigated how the abundance of heterogeneous nucleation sites impacts the final microstructure of magmatic rocks. I demonstrated that in a Cr-doped anhydrous experimental series, the high availability of spinel grains provides abundant Cpx heterogeneous nucleation sites. The result is a microstructure characterized by numerous small skeletal Cpx grains forming on and engulfing the spinel grains. In undoped anhydrous samples the lower density of early-forming spinel grains led to fewer nucleation sites, allowing Cpx to grow extensively without significant competition from neighbouring crystals. This results in significant portions of the samples dominated by large, highly dendritic clinopyroxene grains. These results attest that early-forming phases or inherited crystals acting as seeds for heterogeneous nucleation, more than undercooling, can deeply impact crystallization dynamics and final rock microstructure. The availability of heterogeneous nuclei can drive rapid crystallization in magmatic systems undergoing thermal or constitutional undercooling. This, in turn, may influence magma viscosity and determine whether the system stagnates or fragments, depending on its crystallinity.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Experimentelle Petrologie Trachybasalt Elektronenrückstreubeugung (EBSD) Synchrotronstrahlungs-Mikro-Computertomographie SR-µCT Elektronenstrahlmikrosonden-Analysen EPMA Kristallclusterbildung Heterogene Keimbildung Kristallographische Orientierungsbeziehungen CORs Keimbildungsreihenfolge
Schlagwörter
(Englisch)
Experimental Petrology Trachybasalt Electron backscattered diffraction EBSD Synchrotron radiation computed microtomography SR-µCT Electron probe micro-analyzer EPMA Crystal clustering Heterogeneous nucleation Crystallographic orientation relationships CORs Nucleation order
Autor*innen
Stefano Peres 
Haupttitel (Englisch)
Crystallization in highly undercooled trachybasalts
Hauptuntertitel (Englisch)
an experimental petrology perspective
Paralleltitel (Deutsch)
Kristallisation von stark unterkühlten Trachybasalten
Paralleluntertitel (Deutsch)
eine Perspektive aus der experimentellen Petrologie
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
iii, 247 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Fabio Arzilli ,
Francoise Faure
Klassifikation
38 Geowissenschaften > 38.25 Petrologie. Allgemeines
AC Nummer
AC17751446
Utheses ID
76648
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 426 |