Phasenfeldmodellierung von Bruchbildungs-, Kristallisations- und Auflösungsvorgängen in hydrothermalen Umgebungen
Creators: name: Späth, Michael
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Phasenfeldmodellierung
Rissausbreitung
Kristallisation
Auflösung von Kristallen

description: Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der numerischen Untersuchung von Bruchbildungs-, Kristallisations- und Kristallauflösungsprozessen in unterirdischen hydrothermalen Umgebungen auf Mikroebene. Die Phasenfeldmethode wird in dieser Arbeit verwendet, da sie sich als vielseitiges und leistungsfähiges Werkzeug für die Beschreibung von Mikrostrukturentwicklungen auf meso- und mikroskopischer Längenskala etabliert hat. Für die Abbildung der Rissbildungsprozesse auf Kornskala, der Kornwachstumsprozesse in offenen Rissen und der Auflösungsprozesse werden Multiphasenfeld-Modelle vorgestellt und verwendet, deren Anwendung ein tieferes und besseres Verständnis von der Entwicklung komplexer Mikrostrukturen in hydrothermalen Umgebungen ermöglicht. Es wird die Bildung von Mineraladern in Kalksteinen untersucht, bei denen sich nach vollständigem Zusammenwachsen ein neuer Riss außerhalb der Mineralader im Nebengestein bildet. In den betrachteten Kalksteinen sind die Bruchflächen sowohl homogen als auch heterogen verteilt. Diese verschiedenen Bruchflächen können unterschiedliche Wachstumsgeschwindigkeiten aufweisen, je nachdem ob und wie viele Fremdminerale vorliegen. Zudem wird die Permeabilitätsentwicklung in Zwischenstadien des Kristallwachstums gezeigt, was Rückschlüsse auf die Stabilität und Fluidkonnektivität der offenen Risse während des Zusammenwachsens zulässt. Des Weiteren werden in quarzreichen Mikrostrukturen charakteristische Kristallstrukturen beobachtet, bei denen ein Mineralgang mehrfach reaktiviert wird und sich gestreckte Kristalle bilden. Es wird gezeigt, unter welchen Umständen sich in den gestreckten Kristallen gezackte Radiatoren oder gerade Korngrenzen bilden, wobei der Einfluss von heterogenen Mineralkompositionen und verschiedenen Öffnungstrajektorien gezeigt wird. Neben dicken mehrfach aktivierten Mineraladern liegen in diesen Mikrostrukturen oft auch dünne Aderbündel vor, die nicht erneut aktiviert werden. Es wird gezeigt, dass sich, wenn eine Mineralader nicht vollständig verheilt ist (Porosität vorhanden) ein Riss erneut innerhalb der Struktur bildet, ansonsten (vollständig verheilt) bildet sich ein neuer Riss im Nebengestein. Zudem werden probabilistischen Simulationen von Quarzadern durchgeführt, welche die Modellierung von vielen hintereinander ablaufenden Bruchbildungs- und Kristallisationsvorgängen ermöglichen. Diese Simulationen zeigen, dass dicke und dünne Mineraladern nebeneinander auftreten können, wenn die verwendeten Apertur- und Kristallisationszeitinkremente normal verteilt sind.Des Weiteren werden Auflösungsprozesse von Kristallen mit einer neuartigen Anwendung der Phasenfeldmethode abgebildet, bei denen sich während der Auflösung verschiedene Facetten bilden. Die Modellierung wird auf verschiedene charakteristische Kristallsysteme angewendet, wobei facettenspezifische Auflösungsgeschwindigkeiten mit dem vorgestellten Phasenfeldmodell wiedergegeben werden können. Zudem werden physikalische Parameter aus Laborexperimenten verwendet und mit dem Phasenfeldmodell verknüpft, um die Auflösung von Quarz quantitativ abzubilden.