The grain-scale distribution and behaviour of melt and fluid in crystalline analogue systems

The production, segregation and migration of melt and aqueous fluids (henceforth called liquid) plays an important role for the transport of mass and energy within the mantle and the crust of the Earth. Many properties of large-scale liquid migration processes such as the permeability of a rock matrix or the initial segregation of newly formed liquid from the host-rock depends on the grain-scale distribution and behaviour of liquid. Although the general mechanisms of liquid distribution at the grain-scale are well understood, the influence of possibly important modifying processes such as static recrystallization, deformation, and chemical disequilibrium on the liquid distribution is not well constrained. For this thesis analogue experiments were used that allowed to investigate the interplay of these different mechanisms in-situ. In high-temperature environments where melts are produced, the grain-scale distribution in “equilibrium” is fully determined by the liquid fraction and the ratio between the solid-solid and the solid-liquid surface energy. The latter is commonly expressed as the dihedral or wetting angle between two grains and the liquid phase (Chapter 2). The interplay of this “equilibrium” liquid distribution with ongoing surface energy driven recrystallization is investigated in Chapter 4 and 5 with experiments using norcamphor plus ethanol liquid. Ethanol in contact with norcamphor forms a wetting angle of about 25°, which is similar to reported angles of rock-forming minerals in contact with silicate melt. The experiments in Chapter 4 show that previously reported disequilibrium features such as trapped liquid lenses, fully-wetted grain boundaries, and large liquid pockets can be explained by the interplay of the liquid with ongoing recrystallization. Closer inspection of dihedral angles in Chapter 5 reveals that the wetting angles are themselves modified by grain coarsening. Ongoing recrystallization constantly moves liquid-filled triple junctions, thereby altering the wetting angles dynamically as a function of the triple junction velocity. A polycrystalline aggregate will therefore always display a range of equilibrium and dynamic wetting angles at raised temperature, rather than a single wetting angle as previously thought. For the deformation experiments partially molten KNO3–LiNO3 experiments were used in addition to norcamphor–ethanol experiments (Chapter 6). Three deformation regimes were observed. At a high bulk liquid fraction >10 vol.% the aggregate deformed by compaction and granular flow. At a “moderate” liquid fraction, the aggregate deformed mainly by grain boundary sliding (GBS) that was localized into conjugate shear zones. At a low liquid fraction, the grains of the aggregate formed a supporting framework that deformed internally by crystal plastic deformation or diffusion creep. Liquid segregation was most efficient during framework deformation, while GBS lead to slow liquid segregation or even liquid dispersion in the deforming areas.

Dynamics, rheology and critical properties of colloidal fluid mixtures

Liquids under the influence of external fields exhibit a wide range of intriguing phenomena that can be markedly different from the behaviour of a quiescent system. This work considers two different systems — a glassforming Yukawa system and a colloid-polymer mixture — by Molecular Dynamics (MD) computer simulations coupled to dissipative particle dynamics. The former consists of a 50-50 binary mixture of differently-sized, like-charged colloids interacting via a screened Coulomb (Yukawa) potential. Near the glass transition the influence of an external shear field is studied. In particular, the transition from elastic response to plastic flow is of interest. At first, this model is characterised in equilibrium. Upon decreasing temperature it exhibits the typical dynamics of glassforming liquids, i.e. the structural relaxation time τα grows strongly in a rather small temperature range. This is discussed with respect to the mode-coupling theory of the glass transition (MCT). For the simulation of bulk systems under shear, Lees-Edwards boundary conditions are applied. At constant shear rates γ˙ ≫ 1/τα the relevant time scale is given by 1/γ˙ and the system shows shear thinning behaviour. In order to understand the pronounced differences between a quiescent system and a system under shear, the response to a suddenly commencing or terminating shear flow is studied. After the switch-on of the shear field the shear stress shows an overshoot, marking the transition from elastic to plastic deformation, which is connected to a super-diffusive increase of the mean squared displacement. Since the average static structure only depends on the value of the shear stress, it does not discriminate between those two regimes. The distribution of local stresses, in contrast, becomes broader as soon as the system starts flowing. After a switch-off of the shear field, these additional fluctuations are responsible for the fast decay of stresses, which occurs on a time scale 1/γ˙ . The stress decay after a switch-off in the elastic regime, on the other hand, happens on the much larger time scale of structural relaxation τα. While stresses decrease to zero after a switch-off for temperatures above the glass transition, they decay to a finite value for lower temperatures. The obtained results are important for advancing new theoretical approaches in the framework of mode-coupling theory. Furthermore, they suggest new experimental investigations on colloidal systems. The colloid-polymer mixture is studied in the context of the behaviour near the critical point of phase separation. For the MD simulations a new effective model with soft interaction potentials is introduced and its phase diagram is presented. Here, mainly the equilibrium properties of this model are characterised. While the self-diffusion constants of colloids and polymers do not change strongly when the critical point is approached, critical slowing down of interdiffusion is observed. The order parameter fluctuations can be determined through the long-wavelength limit of static structure factors. For this strongly asymmetric mixture it is shown how the relevant structure factor can be extracted by a diagonalisation of a matrix that contains the partial static structure factors. By presenting first results of this model under shear it is demonstrated that it is suitable for non-equilibrium simulations as well.

Thermal Casimir effect at fluid interfaces: Fluctuation-induced forces between anisotropic colloids

We study the effective interaction between two ellipsoidal particles at the interface of two fluid phases which are mediated by thermal fluctuations of the interface. Within a coarse-grained picture, the properties of fluid interfaces are very well described by an effective capillary wave Hamiltonian which governs both the equilibrium interface configuration and the thermal fluctuations (capillary waves) around this equilibrium (or mean-field) position. As postulated by the Goldstone theorem the capillary waves are long-range correlated. The interface breaks the continuous translational symmetry of the system, and in the limit of vanishing external fields - like gravity - it has to be accompanied by easily excitable long wavelength (Goldstone) modes – precisely the capillary waves. In this system the restriction of the long-ranged interface fluctuations by particles gives rise to fluctuation-induced forces which are equivalent to interactions of Casimir type and which are anisotropic in the interface plane. Since the position and the orientation of the colloids with respect to the interface normal may also fluctuate, this system is an example for the Casimir effect with fluctuating boundary conditions. In the approach taken here, the Casimir interaction is rewritten as the interaction between fluctuating multipole moments of an auxiliary charge density-like field defined on the area enclosed by the contact lines. These fluctuations are coupled to fluctuations of multipole moments of the contact line position (due to the possible position and orientational fluctuations of the colloids). We obtain explicit expressions for the behavior of the Casimir interaction at large distances for arbitrary ellipsoid aspect ratios. If colloid fluctuations are suppressed, the Casimir interaction at large distances is isotropic, attractive and long ranged (double-logarithmic in the distance). If, however, colloid fluctuations are included, the Casimir interaction at large distances changes to a power law in the inverse distance and becomes anisotropic. The leading power is 4 if only vertical fluctuations of the colloid center are allowed, and it becomes 8 if also orientational fluctuations are included.

Dynamic development of hydrofractures

Natürliche hydraulische Bruchbildung ist in allen Bereichen der Erdkruste ein wichtiger und stark verbreiteter Prozess. Sie beeinflusst die effektive Permeabilität und Fluidtransport auf mehreren Größenordnungen, indem sie hydraulische Konnektivität bewirkt. Der Prozess der Bruchbildung ist sowohl sehr dynamisch als auch hoch komplex. Die Dynamik stammt von der starken Wechselwirkung tektonischer und hydraulischer Prozesse, während sich die Komplexität aus der potentiellen Abhängigkeit der poroelastischen Eigenschaften von Fluiddruck und Bruchbildung ergibt. Die Bildung hydraulischer Brüche besteht aus drei Phasen: 1) Nukleation, 2) zeitabhängiges quasi-statisches Wachstum so lange der Fluiddruck die Zugfestigkeit des Gesteins übersteigt, und 3) in heterogenen Gesteinen der Einfluss von Lagen unterschiedlicher mechanischer oder sedimentärer Eigenschaften auf die Bruchausbreitung. Auch die mechanische Heterogenität, die durch präexistierende Brüche und Gesteinsdeformation erzeugt wird, hat großen Einfluß auf den Wachstumsverlauf. Die Richtung der Bruchausbreitung wird entweder durch die Verbindung von Diskontinuitäten mit geringer Zugfestigkeit im Bereich vor der Bruchfront bestimmt, oder die Bruchausbreitung kann enden, wenn der Bruch auf Diskontinuitäten mit hoher Festigkeit trifft. Durch diese Wechselwirkungen entsteht ein Kluftnetzwerk mit komplexer Geometrie, das die lokale Deformationsgeschichte und die Dynamik der unterliegenden physikalischen Prozesse reflektiert. rnrnNatürliche hydraulische Bruchbildung hat wesentliche Implikationen für akademische und kommerzielle Fragestellungen in verschiedenen Feldern der Geowissenschaften. Seit den 50er Jahren wird hydraulisches Fracturing eingesetzt, um die Permeabilität von Gas und Öllagerstätten zu erhöhen. Geländebeobachtungen, Isotopenstudien, Laborexperimente und numerische Analysen bestätigen die entscheidende Rolle des Fluiddruckgefälles in Verbindung mit poroelastischen Effekten für den lokalen Spannungszustand und für die Bedingungen, unter denen sich hydraulische Brüche bilden und ausbreiten. Die meisten numerischen hydromechanischen Modelle nehmen für die Kopplung zwischen Fluid und propagierenden Brüchen vordefinierte Bruchgeometrien mit konstantem Fluiddruck an, um das Problem rechnerisch eingrenzen zu können. Da natürliche Gesteine kaum so einfach strukturiert sind, sind diese Modelle generell nicht sonderlich effektiv in der Analyse dieses komplexen Prozesses. Insbesondere unterschätzen sie die Rückkopplung von poroelastischen Effekten und gekoppelte Fluid-Festgestein Prozesse, d.h. die Entwicklung des Porendrucks in Abhängigkeit vom Gesteinsversagen und umgekehrt.rnrnIn dieser Arbeit wird ein zweidimensionales gekoppeltes poro-elasto-plastisches Computer-Model für die qualitative und zum Teil auch quantitativ Analyse der Rolle lokalisierter oder homogen verteilter Fluiddrücke auf die dynamische Ausbreitung von hydraulischen Brüchen und die zeitgleiche Evolution der effektiven Permeabilität entwickelt. Das Programm ist rechnerisch effizient, indem es die Fluiddynamik mittels einer Druckdiffusions-Gleichung nach Darcy ohne redundante Komponenten beschreibt. Es berücksichtigt auch die Biot-Kompressibilität poröser Gesteine, die implementiert wurde um die Kontrollparameter in der Mechanik hydraulischer Bruchbildung in verschiedenen geologischen Szenarien mit homogenen und heterogenen Sedimentären Abfolgen zu bestimmen. Als Resultat ergibt sich, dass der Fluiddruck-Gradient in geschlossenen Systemen lokal zu Störungen des homogenen Spannungsfeldes führen. Abhängig von den Randbedingungen können sich diese Störungen eine Neuausrichtung der Bruchausbreitung zur Folge haben kann. Durch den Effekt auf den lokalen Spannungszustand können hohe Druckgradienten auch schichtparallele Bruchbildung oder Schlupf in nicht-entwässerten heterogenen Medien erzeugen. Ein Beispiel von besonderer Bedeutung ist die Evolution von Akkretionskeilen, wo die große Dynamik der tektonischen Aktivität zusammen mit extremen Porendrücken lokal starke Störungen des Spannungsfeldes erzeugt, die eine hoch-komplexe strukturelle Entwicklung inklusive vertikaler und horizontaler hydraulischer Bruch-Netzwerke bewirkt. Die Transport-Eigenschaften der Gesteine werden stark durch die Dynamik in der Entwicklung lokaler Permeabilitäten durch Dehnungsbrüche und Störungen bestimmt. Möglicherweise besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Bildung von Grabenstrukturen und großmaßstäblicher Fluid-Migration. rnrnDie Konsistenz zwischen den Resultaten der Simulationen und vorhergehender experimenteller Untersuchungen deutet darauf hin, dass das beschriebene numerische Verfahren zur qualitativen Analyse hydraulischer Brüche gut geeignet ist. Das Schema hat auch Nachteile wenn es um die quantitative Analyse des Fluidflusses durch induzierte Bruchflächen in deformierten Gesteinen geht. Es empfiehlt sich zudem, das vorgestellte numerische Schema um die Kopplung mit thermo-chemischen Prozessen zu erweitern, um dynamische Probleme im Zusammenhang mit dem Wachstum von Kluftfüllungen in hydraulischen Brüchen zu untersuchen.