The grain-scale distribution and behaviour of melt and fluid in crystalline analogue systems

The production, segregation and migration of melt and aqueous fluids (henceforth called liquid) plays an important role for the transport of mass and energy within the mantle and the crust of the Earth. Many properties of large-scale liquid migration processes such as the permeability of a rock matrix or the initial segregation of newly formed liquid from the host-rock depends on the grain-scale distribution and behaviour of liquid. Although the general mechanisms of liquid distribution at the grain-scale are well understood, the influence of possibly important modifying processes such as static recrystallization, deformation, and chemical disequilibrium on the liquid distribution is not well constrained. For this thesis analogue experiments were used that allowed to investigate the interplay of these different mechanisms in-situ. In high-temperature environments where melts are produced, the grain-scale distribution in “equilibrium” is fully determined by the liquid fraction and the ratio between the solid-solid and the solid-liquid surface energy. The latter is commonly expressed as the dihedral or wetting angle between two grains and the liquid phase (Chapter 2). The interplay of this “equilibrium” liquid distribution with ongoing surface energy driven recrystallization is investigated in Chapter 4 and 5 with experiments using norcamphor plus ethanol liquid. Ethanol in contact with norcamphor forms a wetting angle of about 25°, which is similar to reported angles of rock-forming minerals in contact with silicate melt. The experiments in Chapter 4 show that previously reported disequilibrium features such as trapped liquid lenses, fully-wetted grain boundaries, and large liquid pockets can be explained by the interplay of the liquid with ongoing recrystallization. Closer inspection of dihedral angles in Chapter 5 reveals that the wetting angles are themselves modified by grain coarsening. Ongoing recrystallization constantly moves liquid-filled triple junctions, thereby altering the wetting angles dynamically as a function of the triple junction velocity. A polycrystalline aggregate will therefore always display a range of equilibrium and dynamic wetting angles at raised temperature, rather than a single wetting angle as previously thought. For the deformation experiments partially molten KNO3–LiNO3 experiments were used in addition to norcamphor–ethanol experiments (Chapter 6). Three deformation regimes were observed. At a high bulk liquid fraction >10 vol.% the aggregate deformed by compaction and granular flow. At a “moderate” liquid fraction, the aggregate deformed mainly by grain boundary sliding (GBS) that was localized into conjugate shear zones. At a low liquid fraction, the grains of the aggregate formed a supporting framework that deformed internally by crystal plastic deformation or diffusion creep. Liquid segregation was most efficient during framework deformation, while GBS lead to slow liquid segregation or even liquid dispersion in the deforming areas.Das Verhalten von Schmelzen und Fluiden im Kornmaßstab bestimmt wichtige Parameter in teilgeschmolzenen Systemen wie z.B. deren Porosität-Permeabilität und Rheologie. Somit übt die kleinräumige (mm bis mm) Schmelzverteilung einen direkten Einfluss auf großräumige geologische Prozesse wie z.B. die Schmelzsegregation und Migration an Mittelozeanischen Rücken oder Subduktionszonen aus. Obwohl viele der grundlegenden Mechanismen der Gleichgewichtsschmelzverteilung im Kornmaßstab gut bekannt sind, ist der mögliche Einfluss von parallel ablaufenden Prozessen wie z.B. Rekristallisation, Deformation oder chemischem Ungleichgewicht auf die Schmelzverteilung bisher noch unsicher. Für die vorliegende Arbeit wurden Analogexperimente mit Norcamphor–Ethanol und partiell geschmolzenem KNO3–LiNO3 durchgeführt, die es ermöglichen, die Wechselwirkungen zwischen der Schmelzverteilung im Gleichgewicht und den verschiedenen modifizierenden Faktoren in-situ zu beobachten. Das Norcamphor–Ethanol System hat einen Benetzungswinkel von ca. 25° und gleicht in der Hinsicht natürlichen geschmolzenen System wie z.B. Quarz oder Olivin plus Schmelze. Statische Experimente mit Norcamphor–Ethanol ergaben, dass Rekristallisation kontinuierlich zu einer lokalen Ungleichgewichtsverteilung von der Schmelze führt (4. Kapitel). Der normalerweise als statisch angenommenen charakteristischen Benetzungswinkel in dem Analogsystem wurde ebenfalls durch Kornwachstum verändert. Der dynamische Benetzungswinkel ist hierbei eine Funktion der Geschwindigkeit, mit der sich die fest-fest-flüssig Grenze bewegt (5. Kapitel). Bei Deformationsexperimenten (6. Kapitel) wurden abhängig von der Schmelzfraktion drei unterschiedliche Deformationsregimes beobachtet. Bei über 10 Vol.% Schmelzanteil deformierte das Aggregate durch granuläres Fließen und Kompaktion. Bei einer Flüssigkeitsfraktion < 8-10 Vol.% wurde das Korngrenzgleiten in Scherzonen lokalisiert, die wenig deformierende Kornaggregate voneinander abgrenzten. Unterhalb einer systemspezifischen Flüssigkeitsfraktion bildeten sich zusammenhängende Aggregate aus allen Kristallen, welches intern z.B. kristallplastisch deformiert wurde. Die Schmelzsegregation in den Experimenten hing von dem jeweiligen Deformationsmechanismus ab. Korngrenzgleiten oder granuläres Fließen hielt eine bestimmte geometrisch notwendige Flüssigkeitsfraktion in dem deformierenden Gebiet (z.B. in einer Scherzone), während die Flüssigkeit sehr effizient aus kristallplastisch deformierenden Bereichen gepresst wurde (6. Kapitel). Während der Deformation durch granuläres Fließen oder Korngrenzgleiten kam es außerdem zu einem „dynamische Benetzung“ genannten Prozess, bei dem normalerweise nichtbenetzende Flüssigkeiten (z.B. Gasblasen im Norcamphor) ein temporäres Flüssigkeitsnetzwerk bilden konnten (7. Kapitel). Diese Prozesse wurden mit der Bildung und den Konsequenzen von dynamischen Benetzungswinkeln erklärt