The viscosity of volcanic melts : From pure amorphous systems to nanoscale heterogeneities and their impact on magmatic processes

Titelangaben

Valdivia Munoz, Pedro Antonio:
The viscosity of volcanic melts : From pure amorphous systems to nanoscale heterogeneities and their impact on magmatic processes.
Bayreuth , 2025 . - 222 S.
( Dissertation, 2025 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

Volltext

	Format: PDF (Doctoral Thesis) Name: Valdivia P. (2025) - PhD Thesis -mod.pdf Version: Veröffentlichte Version Verfügbar mit der Lizenz Deutsches Urheberrechtsgesetz. Das Dokument darf zum eigenen Gebrauch kostenfrei genutzt werden. Darüber hinaus bedürfen die Vervielfältigung, Bearbeitung, Verbreitung und jede Art der Verwertung der schriftlichen Zustimmung des jeweiligen Rechteinhabers.
	Download (16MB)

Abstract

Die Viskosität vulkanischer Schmelzen ist eine grundlegende physikalische Eigenschaft, die die Dynamik des Magmaaufstiegs, der Entgasung und der Fragmentierung steuert. Ihre präzise Charakterisierung ist entscheidend für das Verständnis des Ausbruchsverhaltens und für die Entwicklung numerischer Modelle, die vulkanische Prozesse simulieren. Während theoretische und experimentelle Ansätze zur Messung der Viskosität gut etabliert sind, stellen vulkanische Schmelzen, insbesondere Wasser-reiche und eisenhaltige Zusammensetzungen wie Basalte und Andesite, erhebliche experimentelle Herausforderungen dar. Aktuelle Forschung hat gezeigt, dass nanoskalige chemische Heterogenitäten, die Nanokristallisation von Fe-Ti-Oxiden (d. h. Nanolithe), und ein experimentell bedingter Wasserverlust sowohl vor (d. h. während der Probenherstellung) als auch während der Viskositätsmessungen auftreten können. All dies kann die Messung der Schmelzviskosität stark beeinträchtigen. Diese nanoskaligen Effekte und Wasserverluste können zu systematischen Überschätzungen der Viskosität und wichtiger Parameter für deren numerische Modellierung führen, wie der Glasübergangstemperatur (Tg) und der Schmelzfragilität (m). Diese Dissertation entwickelt einen kombinierten experimentellen und modellbasierten Ansatz, um die Bestimmung der Schmelzviskosität in Magmen zu verbessern, die anfällig für nanoskalige Strukturbildung (vor und nach der Viskositätsmessung) und Wasserverluste während der Messung der Viskosität sind. Der Ansatz kombiniert die Synthese von wasserfreien und wasserhaltigen Gläsern unter kontrollierten Redox- und Temperaturbedingungen mit einem strengen Multi-Technik-Screening-Protokoll, einschließlich Raman-, Mössbauer- und Brillouin-Spektroskopie, Fourier-Transform- Infrarotspektroskopie (FTIR) und Electronen Mikrosonde (EMPA), um (nanoskalig) strukturell veränderte Proben vor und nach den Viskositätsmessungen auszuschließen. Diese Messungen wurden mit Mikropenetrationsviskosimetrie im Hochviskositätsbereich, Differential Scanning Calorimetry (DSC), und konzentrischer Zylinderviskosimetrie im Niederviskositätsbereich durchgeführt. Bemerkenswert ist, dass die Modellierung der Schmelzviskosität ausschließlich auf nanolithfreien Daten basierte. Im ersten Teil dieser Arbeit präsentieren wir ein neues Viskositätsmodell für wasserhaltigen Stromboli-Basalt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass frühere Modelle die Schmelzviskosität unter präeruptiven Bedingungen um den Faktor 2,5–5,7 überschätzt haben. Dies impliziert deutlich schnellere Magmaaufstiegsraten als bisher angenommen, und steht in besserem Einklang mit Beobachtungsdaten der paroxysmalen Eruptionen von 2019. Im zweiten Teil untersuchen wir die Effekte der Bildung von Fe-Ti-Nanolithen in andesitischen Schmelzen unter Verwendung zeitaufgelöster Viskosimetrie und hochauflösender struktureller Charakterisierung mittels Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM), Small-Angle X-ray Scattering (SAXS), und Wide Angle X-ray Scattering (WAXS). Wir zeigen, dass Nanolithe sich innerhalb von Sekunden oberhalb von Tg bilden und nanoskalige chemische Heterogenitäten verursachen. Diese umfassen kieselsäurereiche Schmelzdomänen und Aluminium-angereicherte Halos um die neu gebildeten Nanokristalle. Diese Veränderungen führen zu Viskositätserhöhungen um bis zu das 30-fache bei eruptiven Temperaturen, selbst wenn die Nanolithfraktionen unter 1 Vol.-% bleiben. Wichtig ist, dass diese Effekte nicht allein durch den Kristallgehalt oder Änderungen der Gesamtzusammensetzung erklärt werden können, was darauf hinweist, dass Nanolith-induzierte strukturelle Reorganisationen einen starken Einfluss auf die Schmelzrheologie während der frühen Stadien der Kristallisation ausüben. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen entwickelt der letzte Teil dieser Dissertation ein neues Viskositätsmodell für wasserhaltige andesitische Schmelzen, basierend auf Zusammensetzungen, die repräsentativ für den Sakurajima-Vulkan sind. Durch die Synthese von Eisen-haltigen und Eisen-freien Analoga, hydratisiert auf verschiedene H₂O-Gehalte, und durch die Integration von Daten aus Viskosimetrie, DSC und Brillouin-Spektroskopie, quantifizieren wir die Rollen von Übergangsmetallen und flüchtigen Komponenten auf Tg und m. Wir führen zwei neue empirische Gleichungen ein, die die Schmelzfragilität mit elastischen Eigenschaften verknüpfen, maßgeschneidert für eisenreiche und eisenfreie Zusammensetzungen. Das resultierende Modell sagt Viskositäten voraus, die bis zu 45-fach niedriger sind als frühere Schätzungen, und erklärt damit langjährige Diskrepanzen in präeruptiven Viskositäts-Vorhersagen für andesitische Systeme. Insgesamt zeigt diese Dissertation, dass nanoskalige Kristallisation und chemische Heterogenität eine weitaus größere Rolle bei der Schmelzviskosität spielen als bisher erkannt. Durch die Kombination von nanoskaliger Bildgebung, Hochtemperatur-Experimenten und physikalisch fundierten Modellen liefert diese Arbeit einen neuen Maßstab für die präzise Charakterisierung der Schmelzrheologie und verbessert erheblich unsere Fähigkeit, Magmaaufstieg, Fragmentierung und Eruption in flüchtigkeitsreichen vulkanischen Systemen zu simulieren.

Abstract in weiterer Sprache

The viscosity of volcanic melts is a fundamental physical property governing the dynamics of magma ascent, degassing, and fragmentation. Its accurate characterization is essential for understanding eruptive behavior and for developing numerical models that simulate volcanic processes. While theoretical experimental approaches for measuring viscosity are well established, volcanic melts, especially volatile-rich and iron-bearing compositions such as basalts and andesites, present significant experimental challenges. Recent research has shown that nanoscale chemical heterogeneities, nano-crystallization of Fe-Ti oxides (i.e., nanolites), and syn-experimental water loss can occur before (i.e., during sample synthesis) or during viscosity measurements. All of these can severely compromise the measurement of melt viscosity. These nanoscale effects and water loss can lead to systematic overestimations of viscosity and key parameters for its numerical modelling, such as the glass transition temperature (Tg) and melt fragility (m). This thesis develops a combined experimental and modelling framework to improve the determination of melt viscosity in magmas prone to nanoscale modifications and loss of water during the measurement of viscosity. The approach combines the synthesis of anhydrous and hydrous glasses under controlled redox and thermal conditions with a rigorous multi-technique screening protocol, including Raman, Mössbauer, Brillouin, and Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopies, including Electron probe micro-analysis (EMPA) and Transmission electron microscopy (TEM), to identify (nanoscale) structurally altered samples before and after viscosity measurements. Viscosity measurements were performed using micropenetration viscometry and Differential Scanning Calorimetry (DSC) in the high-mid-viscosity regime, and concentric cylinder viscometry in the low-viscosity regime. Thus, the modelling of melt viscosity was based exclusively on nanolite-free data. In the first part of this work (Chapter 4.1), we present a new viscosity model for hydrous Stromboli basalt. Our results show that previous models overestimate melt viscosity at pre-eruptive conditions by a factor of 2.5–5.7. This implies significantly faster magma ascent rates than previously thought, aligning better with observational constraints from the 2019 paroxysmal eruptions. In the second part (Chapter 4.2), we investigate the effects of Fe-Ti nanolite formation in andesitic melts using time-resolved viscometry and high spatial resolution structural characterization using Transmission Electron Microscopy (TEM), Small-Angle X-ray Scattering (SAXS), and Wide Angle X-ray Scattering (WAXS). We show that nanolites form within seconds above Tg, triggering nanoscale chemical heterogeneity. These include silica-rich melt domains and aluminum-enriched halos around the newly formed nanocrystals. These changes cause viscosity increases of up to 30-fold at eruptive temperatures, even at nanolite fractions remained below ~2 vol%. Importantly, these effects cannot be explained by crystal content or changes in bulk composition alone, indicating that nanolite-driven structural and chemical reorganization exerts a strong control on melt rheology during early stages of crystallization. Building on these findings, the final part of the thesis (Chapter 4.3) develops a new viscosity model for hydrous andesitic melts based on compositions representative of Sakurajima volcano. By synthesizing Fe-bearing and Fe-free analogues hydrated to various H2O contents, and integrating data from viscometry, DSC, and Brillouin spectroscopy, we quantify the roles of transition metals and volatiles on Tg and m. We introduce two new empirical equations linking melt fragility to elastic properties, tailored for Fe-bearing and Fe-free compositions. The resulting model predicts viscosities up to 45 times lower than previous estimates, resolving longstanding discrepancies in pre-eruptive viscosity predictions for andesitic systems. Altogether, this thesis demonstrates that nanoscale crystallization and chemical heterogeneity play a far more significant role in melt viscosity than previously recognized. By combining nanoscale imaging, high-temperature experiments, and physically grounded models, this work provides a new benchmark for accurately characterizing melt rheology and significantly enhances our ability to simulate magma ascent, fragmentation, and eruption scenarios in volcanic systems.