Earth materials and processes on a molecular scale

Abstract

The present thesis deals with the investigation of geomaterials and processes on a molecular scale. Several application examples show how molecular sim- ulation can augment and enhance our understanding of processes of the deep earth’s interior. All examples describe parts of the processes of mineral-melt interactions in the mantle that comprise element mobilisation and redistri- bution. The first chapter provides a general introduction into the topic and how the individual chapters fit into the scope of the thesis. The second chap- ter thoroughly introduces the applied methods, namely molecular dynamics simulations and their theoretical framework. Chapter 3 discusses a combined simulation and experimental approach to investigate the structure of Y- and La-bearing aluminosilicate melts and glasses. Newly developed classical in- teraction potentials and first-principles methods are employed to investigate the local environment of Y and La depending on melt composition. Next to the insight gained into the structure of such complex melts, the benefits and drawbacks of the different simulation approaches are discussed. Chapter 4 also uses classical and first-principles simulations to develop a new tool for the prediction of trace element partition coefficients between silicate melts. A clear focus of this study lies on unravelling the influence of melt composition and structure on the partitioning behaviour of selected trace elements. Again, the findings are compared to experimental partitioning studies. The chapter shows that it is principally possible to predict element distributions between two given phases directly from molecular dynamics simulations. Chapter 5 investigates element transport properties in forsterite grain boundaries. Here, the focus lies on the influence of grain boundary structure on diffusion coeffi- cients in aggregates typical for the upper mantle. The chapter concludes that there is a direct correlation between grain boundary excess volume and diffu- sion coefficient as well as a strong anisotropy in diffusion pathways, depending on the type of boundary. Chapter 6 summarises the findings of this thesis and discusses possible future developments and improvements to the applied methods.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von Geomaterialien und Prozessen auf der atomaren Skala. In drei Fallbeispielen wird gezeigt, wie atomistische Simulationen unser Verst ̈andnis fu ̈r Prozesse der tiefen Erde erweitern k ̈onnen. Im ersten Kapitel erfolgt eine allgemeine Einleitung in die Thematik. Ausfu ̈hrliche Einleitungen in die einzelnen Teilgebiete finden sich in den jeweiligen Kapiteln. Das zweite Kapitel fu ̈hrt umfassend in die ange- wandten Methoden ein, namentlich Molekulardynamik-Simulationen sowie die Theoriegeba ̈ude, die solchen Simulationen zugrunde liegen. Kapitel 3 befasst sich mit der Entwicklung klassischer Wechselwirkungspotentiale und deren An- wendung zur Strukturaufkl ̈arung komplexer, Y- und La-haltiger, silikatischer Schmelzen. Zur Bewertung werden experimentell bestimmte Strukturfaktoren der untersuchten Schmelzen herangezogen, dabei werden die Vor- und Nachteile der verschiedenen Simulationsmethoden diskutiert. Kapitel 4 nutzt eben- falls diese klassischen Potentiale sowie quantenmechanische Simulationen fu ̈r die Entwicklung neuer Methoden zur Vorhersage von Verteilungskoeffizienten verschiedener Spurenelemente zwischen silikatischen Schmelzen. Gleichzeitig wird dabei auf die strukturellen Eigenschaften der einzelnen Schmelzen und deren Auswirkung auf den Verteilungskoeffizient eingegangen. Kapitel 5 be- fasst sich mit Diffusionsprozessen an Korngrenzen und welche Rolle die Korn- grenzstruktur bei solchen Prozessen spielt. In einem abschließenden Kapitel werden die Erkenntnisse der Arbeit zusammengefasst und M ̈oglichkeiten zur Weiterentwicklung und Verbesserung der pr ̈asentierten Methoden diskutiert.