Dehydration of oceanic lithosphere in subduction zones is a crucial geodynamic factor on Earth and is linked to various geological phenomena. Efficient recycling of fluids liberated at depth back to the surface is essential to maintain the deep volatile cycle in balance over geological timescales. Rock dehydration itself is a multiscale process involving multiple physical processes, each acting on different time and length scales.
Natural examples of exhumed meta-serpentinites comprise a channelized network of olivine-rich veins that formed during dehydration and have served as a pathway for fluid escape at depth during dehydration. These vein networks can provide information about the processes that led to their formation and hence about the fluid release mechanisms. Previous studies have shown the importance of chemical heterogeneities for microscale channelization, and numerical models can successfully reproduce slab-scale fluid flow focusing that is observed using geophysical methods. However, the strikingly high content of metamorphic olivine and the intrinsic rock properties that lead to channelization going towards the slab scale, are not yet well understood.
This dissertation systematically studies rock dehydration as a multi-scale process. By combining a dataset of fully hydrated serpentinite with a numerical model, we aim to reproduce and explain the formation of a channelized, olivine-rich vein network observed in nature. The model thus connects the microscale mineral dehydration reactions to the macroscale fluid escape from the slab into the mantle.
The first scientific chapter presents a multiscale dataset of a serpentinite from the Mirdita ophiolite in Albania. The dataset includes geological, chemical, and structural data from the sub-micrometer up to the outcrop scale. Chemical heterogeneities are demonstrated to be scale invariant over at least four spatial orders of magnitudes. Thermodynamic modeling along the subduction zone P-T path shows porosity to be spatially heterogeneous on each scale during the P-T window of a dehydration reaction.
As a first step towards a dynamic model, the third chapter presents a numerical model for reactive fluid flow in an existing vein network. The model investigates the effects of chemical heterogeneities on the composition of the released fluid. A fluid released in a low-silica environment has a low content of dissolved silica. Fluid flow from a low-silica to a relatively higher-silica environment can trigger the dehydration reaction of antigorite to olivine, even at constant temperature. The model shows that local metasomatism can produce veins of almost pure olivine in a matrix that still contains abundant antigorite.
In the fourth chapter, the reactive fluid flow model is formulated in GENERIC (General Equation for Non-Equilibrium Reversible-Irreversible Coupling) to mathematically analyze the underlying system of equations. This is the first application of GENERIC to a geoscience problem. The analysis shows that the system is well-posed and confirms the existence of a general solution for the system of equations.
The outlook presents preliminary results of a reactive porosity wave model, which is a logical and promising next step in combining the findings of the previous chapters into a single numerical model. Porosity waves are a mechanical fluid flow focusing mechanism and thus one possible mechanism for slab-scale channelized fluid fluxes. The model couples mechanical porosity waves with the effects of silica transport in the fluid and thermal effects. It serves as a large-scale model for fluid escape from the slab. Based on the findings of scale-invariant occurrence of chemical heterogeneities, it uses chemical mappings from the multiscale dataset as initial conditions and as a proxy for kilometer-scale chemical heterogeneities. This is the first time that a reactive porosity wave model has been combined with data from natural rock samples.
Die Entwässerung von ozeanischer Lithosphäre in Subduktionszonen ist ein entscheidender geodynamischer Faktor auf der Erde und steht mit zahlreichen anderen geologischen Phänomenen in Verbindung. Die effiziente Rückführung der in der Tiefe freigesetzten Fluide zurück zur Erdoberfläche ist essenziell, um das Gleichgewicht des tiefen Volatilkreislauf der Erde über geologische Zeiträume aufrechtzuhalten. Die Entwässerung von Gesteinen ist ein Multiskalenprozess, der eine Vielzahl physikalischer Prozesse beinhaltet, die jeweils auf verschiedenen Zeit- und Längenskalen wirken.
Natürliche Beispiele obduzierter Meta-Serpentinite zeigen häufig ein kanalisiertes Netzwerk olivinreicher Adern, die sich während der Entwässerung gebildet und die als Wegsamkeit für die in der Tiefe während der Entwässerung entweichenden Fluide gedient haben. Diese Adernetzwerke können Aufschluss geben über die Prozesse, die zu ihrer Entstehung geführt haben. Bisherige Studien zeigen die Bedeutung von chemischen Heterogeneitäten für die Kanalisierung auf der Mikroskala, und numerische Modelle können erfolgreich großskalige Fluidfokussierung reproduzieren, die mit Hilfe geophysikalischer Methoden entdeckt wurde. Für den hohen Gehalt an metamorphem Olivin in den Adern sowie die intrinsischen Gesteinseigenschaften, die zur Kanalisierung auch auf größeren Skalen führt, fehlt bisher jedoch ein umfassendes Verständnis.
Diese Dissertation untersucht Gesteinsentwässerung systematisch als einen Multiskalenprozess. Durch die Kombination von einem Datensatz eines vollständig hydratisierten Serpentinits mit einem numerischen Modell reproduziert und erkärt sie die Entstehung eines kanalisierten olivinreichen Adernetzwerkes wie es in der Natur vorkommt. Das Modell verbindet daher kleinskalige Entwässerungsreaktionen mit großskaligen Fluidbewegungen von der subduzierten Platte in den darüberliegenden Mantel.
Im zweiten Kapitel wird ein Multiskalen-Datensatz eines Serpentinits aus dem Mirdita-Ophiolit in Albanien präsentiert. Der Datensatz beinhaltet geologische, chemische und strukturelle Daten von der sub-Mikrometer- bis zur Aufschlussskala. Er zeigt, dass chemische Heterogenitäten über mindestens vier Größenordnungen skaleninvariant auftreten. Thermodynamische Berechnungen entlang eines Subduktions-P-T-Pfads zeigen die räumlich heterogene Verteilung von Porosität auf jeder Skala während des P-T-Fensters einer Entwässerungsreaktion.
Als ersten Schritt hin zu einem dynamischen Modell zeigt das dritte Kapitel ein numerisches Modell für reaktive Ströumngen in einem bestehenden Adernetzwerk. Das Modell untersucht die Effekte von chemischen Heterogenitäten auf die Zusammensetzung des freigesetzten Fluids. Ein in einer siliziumärmeren Umgebung freigesetztes Fluid hat auch einen niedrigen Gehalt an gelöstem Silizium. Strömungen aus einer siliziumarmen in eine relativ dazu siliziumreichere Umgebung können auch bei konstanter Temperatur Entwässerung durch die Reaktion von Antigorit zu Olivin hervorrufen. Das Modell zeigt, dass sich durch lokalen Metasomatismus Adern aus beinahe reinem Olivin in einer noch antigoritreichen Matrix bilden können.
Im vierten Kapitel der Dissertation wird das vorangegangene Modell für reaktive Strömungen in GENERIC (General Equation for Non-Equilibrium Reversible-Irreversible Coupling [Allgemeine Gleichung für Nichtgleichgewichts-Reversibel-Irreversibel-Kopplung]) formuliert, um das zugrundeliegende Gleichungssystem mathematisch zu analysieren. Dies ist die erste Anwendung von GENERIC auf eine geowissenschaftliche Fragestellung. Die Analyse zeigt, dass System korrekt gestellt ist und bestätigt die Existenz einer allgemeinen Lösung für das Gleichungssystem.
Im Ausblick werden vorläufige Ergebnisse eines reaktiven Porositätswellenmodells präsentiert. Das Modell ist ein logischer und vielversprechender nächster Schritt, um die Erkenntnisse der vorherigen Kapitel in ein einziges numerisches Modell zu verbinden. Porositätswellen sind ein mechanischer Mechanismus zur Strömungsfokussierung und somit ein möglicher Mechanismus für kanalisierte Strömungen auf der slab-Skala. Das Modell koppelt mechanische Porositätswellen mit den Effekten von Siliziumtransport in Fluiden und Temperatureffekten. Es dient als großskaliges Modell für das Entweichen von Fluiden aus der subduzierten Lithosphäre. Unter Einbeziehung der Ergebnisse über die Skaleninvarianz von chemischen Heterogenitäten werden die chemischen Kartierungen als Anfangsbedingungen und als Proxy für chemische Heterogenitäten auf der Kilometerskala verwendet. Hier wird erstmals ein reaktives Porositätswellenmodell mit Daten von natürlichen Gesteinsproben kombiniert.
