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Morgavi, Daniele (2014): Magma mixing: interaction between rhyolitic and basaltic melt. Dissertation, LMU München: Fakultät für Geowissenschaften
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Abstract

In order to increase our understanding of magma mixing processes and their impact on the geochemical evolution of silicate melt we present in the following works, the first set of experiments performed using natural basaltic and rhyolitic melts. In particular, we investigate the interplay of physical dynamics and chemical exchanges between these two melts using time-series mixing experiments performed under controlled, chaotic, dynamical conditions. The variation of major and trace elements is studied in detail by electron microprobe (EMPA) and Laser Ablation ICP-MS (LA-ICP-MS) and the time-evolution of chemical exchanges during mixing is investigated. Using the concentration variance as a proxy to measure the rate of chemical element homogenization in time, a model to quantify chemical element mobility during chaotic mixing of natural silicate melts is proposed. The morphology of mixing patterns at different times is quantified by measuring their fractal dimension and an empirical relationship between mixing time and morphological complexity is derived. The complexity of mixing patterns is also compared to the degree of homogenization of chemical elements during mixing and empirical relationships are established between the fractal dimension and the variation of concentration variance of chemical elements in time. Finally we discuss the petrological and volcanological implications of this work.

Abstract

Um unser Verständnis über die Prozesse bei der Vermischung von Magmen und dessen Auswirkungen auf die geochemische Entwicklung von Silikatschmelzen zu verbessern, werden in dieser Arbeit erstmalig eine Reihe von „Magma Mixing“ Experimenten vorgestellt, in der natürliche Basalte und Rhyolite verwendet werden. In dynamischen Zeitreihen-Mischungsexperimenten, die unter kontrollierten, chaotischen, dynamischen, Bedingungen abliefen, wurde vor allem das Zusammenspiel der physikalischen Prozessen durch das mechanische Vermengen zweier Schmelzen und der resultierenden chemischen Austauschreaktionen durch Diffusion an den Grenzflächen zwischen diesen beiden Schmelzen untersucht. Die Variation von Haupt- und Spurenelementen wurde mittels Elektronen-Mikrosonde (EMPA) und Laser Ablation ICP-MS (LA-ICP-MS) im Detail untersucht und zusätzlich konnte die zeitliche Entwicklung des chemischen Austauschs während des Mischungsvorgang dargestellt werden. Die Varianz der Konzentration einzelner Elemente über die Grenzflächen zwischen Basalt und Rhyolit hinweg wurde als Proxy verwendet, um die Homogenisierungsrate der chemischen Elemente bezogen auf die Zeit zu bestimmen. Dies wird als Modell vorgeschlagen, mit dem die Mobilität chemischer Elemente während chaotischem Mischens von natürlichen Silikatschmelzen quantifiziert werden kann. Im Weiteren wurde mit Hilfe von Fraktalanalyse die Morphologie der Mischungsmustern zu unterschiedlichen Zeiten quantifiziert und eine empirische Beziehung zwischen Mischzeit und morphologischer Komplexität abgeleitet. Die Komplexität der Mischungsmuster wurde zudem mit dem Grad der Homogenisierung der chemischen Elemente während des Mischens verglichen. Dadurch konnten empirische Beziehungen zwischen der fraktalen Dimension von Mischungsmorphologien und der zeitlichen Variation der Konzentration von chemischen Elementen abgeleitet werden. Im Laufe dieser Arbeit werden zudem die petrologischen und vulkanologischen Auswirkungen diskutiert.