Michel Bestmann, Dr.

Strukturgeologie und Mikrotektonik

Tel.: (09131) 85 29026

E-Mail: michel.bestmann(at)fau(dot)de

Forschung

Microfabrics / Deformation mechanisms

Mikrostrukturen und kristallografische Vorzugsorientierungen in deformierten Gesteinen sind fundamental für das Verständnis von der Dynamik der Erdkruste. Diese Informationen sind entscheidend um zum Beispiel die Prozesse, die zur Verformungslokalisierung in Scherzonen führen, zu verstehen bzw. um die Festigkeit der Erdkruste für bestimmte Gesteine in unterschiedlichen Tiefen abzuschätzen. All diese Erkenntnisse helfen uns u.a. zu verstehen wie Erdbeben entstehen und welche Prozesse bei dem sogenannten seismischen Zyklus in der Erdkruste ablaufen.

Forschungsschwerpunkte sind mikrostrukturelle Untersuchungen von deformierten Gesteinen aus unterschiedlicher Tiefe der Erdkruste. Mittels Elektronenmikroskopie (Raster- und Transelektronenmikroskopie) werden hochauflösend (teilweise im Nanometer Maßstab) Strukturen im Kristallgitter und zwischen Kristallen in deformierten Gesteinen untersucht. Anhand der Daten  werden Prozesse welche zur Korngrößenreduzierung, Phasenumwandlungen und der Entwicklung von kristallographischen Vorzugsorientierungen führen abgeleitet. Dies liefert uns wichtige Informationen über die Rheologie der Erdkruste und über die tektonische Entwicklung der Lithosphäre.

Forschungsschwerpunkte

  • Deformationsmechanismen und mikrostrukturelle Entwicklung während Verformungslokalisation unter spröden bis duktilen Bedingungen
  • Mikrostrukturelle Entwicklung von Pseudotachylyten (fossile Erdbebenstrukturen)
  • Deformationsbedingte geochemische Veränderungen im Kristallgitter
  • In-situ Experimente im Rasterelektronenmikroskop

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  • Nano-Analytik von natürlichen Quarz-Deformationsmikrostrukturen am spröd-viskosen Übergang

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

    Laufzeit: 1. Juni 2018 - 31. Mai 2021
    Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    Abstract

    Um Scherlokalisationen in der Kruste zu verstehen, ist es entscheidend, die Wechselwirkung von spröd-duktilen Deformationsmechanismen im Kornmaßstab in Myloniten zu erfassen.

    Hierbei haben vor allem synkinematische Bruchbildung und duktile Prozesse einen starken Einfluss auf die räumliche Ausbreitung und Geschwindigkeit des Fluidtransfers unterhalb der seismogenen Kruste und auf den seismischen Zyklus selbst. Hauptziel dieses Projektes ist es daher Informationen über die Entstehung von diskreten Rekristallisationszonen (DRZ) in Quarz als potentielle Indikatoren für Mikrobruchbildung während der initialen Phase der Mylonitisierung zu erlangen. Diese DZR sollen an einer Quarzader von der Schobergruppe (Hohe Tauern, Zentrale Ostalpen), welche bei 450-500°C deformiert worden ist, untersucht werden. Generell soll das Projekt zum Verständnis  der mikrostrukturellen Entwicklung von diskreten Rekristallisationszonen bis zu Ultramyloniten beitragen. Im Fokus steht dabei das Verständnis der Interaktion verschiedener Deformationsmechanismen (Mikro-Bruchbildung, Subkornrotation- und Korngrenzmigrationsrekristallisation, mechanische Dauphiné Verzwilligung, Lösungs-Fällungsrekristallisation, Korngrenzgleitung) während der initialen und der progressiven Verformung. Ohne die Kombination von verschiedenen modernen mikrostrukturellen und geochemischen (Spurenelement) Analysetechniken ist eine Interpretation der erwähnten spezifischen Quarz-Deformationsmikrostrukturen nicht möglich und bleibt rein spekulativ. Folgende Mikro- und Nano-Analytik ist in dem Projekt vorgesehen um die feinkörnigen Mikrostrukturen zu untersuchen: Elektronen-Rückstreu-Beugung (EBSD), REM Orientierungskontrast (channeling contrast), REM Kathodolumineszenz (CL), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS und nanoSIMS) für Ti-in-Quarz Analysen und Atomsonden Analysen mit atomarer Auflösung um Informationen über (Sub)Korn-Diffusionsprozesse (v.a. von Ti) während der Deformation zu bekommen. Des Weiteren soll mittels eines neu entwickelten Nah-Feld nanoFTIR Mikroskops getestet werden, inwieweit  intragranulares Wasser in Quarz im Nano- bis Mikrometer Maßstab gemessen werden kann. Zusätzlich ist geplant, Wasser in Quarz (OH- Ionen) Analysen mittels nanoSIMS durchzuführen. Wenn diese voneinander unabhängigen Methoden funktionieren, dann würd dies eine neue Dimension erschließen, um den Wassergehalt in feinkörnigen Mineralen (nicht nur Quarz) als auch in Subkorngrenzen, Korngrenzen oder sogar entlang von Versetzungen zu messen. Die Kombination von Atomsonden Ti-Verteilungsdaten und nanoFTIR Wassergehalt Analysen könnte dazu beitragen, deformationsbedingte pipe diffusion bzw. Wegsamkeiten entlang von Subkorngrenzen nachzuweisen. Diese Daten sind u.a. wichtig, um die Neueinstellung des Ti-in-Quarz Systems im Verlauf der dynamischen Rekristallisation zu verstehen.

  • Bestimmung der Umgebungsbedingungen während coseismischer Deformation mittels Ti-in-Quarz Thermometrie und Ar-Ar Datierung von Pseudotachylyten

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

    Laufzeit: 1. Februar 2011 - 31. Januar 2012
    Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    Abstract

    Despite a wealth of data about seismic fault zones there is an ongoing discussion about the possibility of frictional melting of quartzitic rocks. In the present study we analysed fault vein bearing fault zones within quartzitic rocks within the Schneeberg Normal Fault Zone (SNFZ), Southern Tirol, Italy. Electron microscopy (scanning electron microscopy, SEM, including electron back scatter diffraction, EBSD, and cathodoluminescence, CL, analysis  in combination with transmission electron microscopy, TEM) analyses revealed that the fault veins (0.5-2 mm thick) are not ultracataclastic zones as presumed initially (see original title of the project WA 1010/11-1). Instead an extensive melting and subsequent quenching of quartz is evident. These quenched friction-induced melts along a fault during seismic slips are so-called tectonic pseudotachylytes and record paleo-earthquakes.  Pseudotachylytes are typically considered to be representative for the brittle upper crust and in association with cataclasites. However the Schneeberg NFZ quartzites show clear evidence of crystal plasticity and dynamic recrystallization resulting in ultrafine-grained (1-2 µm) aggregates along microshear zones (50-150 µm thick) in the host rock adjacent to pseudotachylyte veins. Ar-Ar dating of the Schneeberg NFZ pseudotachylyte reveal an age of 60-66 Ma and indicates that the coseismic event is younger than the greenschist facies metamorphism of the Schneeberg NFZ (76 Ma, exiting data from the literature). Thus pseudotachylyte formation should has occurred after exhumation of the Schneeberg NFZ into the brittle crust under far field ambient temperatures conditions <250-300 °C. The occurrence of such fine recrystallized quartz was also reported in other pseudotachylytes-bearing faults, but these microstructures have been overlooked in most works on pseudotachylytes (also considering that they are hardly visible with standard optical methods) and a detailed electron microscopy study including crystallographic preferred orientation analysis of the microstructure was missing. In this project we carried out a direct comparison between the deformation microfabrics of quartz in two different pseudotachylyte-bearing faults both showing the development of ultrafine-grained recrystallization aggregates: the Schneeberg NFZ quartzite and the Adamello Gole Larghe Fault Zone(GLFZ) tonalite (Southern Alps). The observations of this study suggest that the association of ultrafine recrystallization and frictional melting is a systematic feature of most pseudotachylyte-bearing faults and could yield a more complete information on the mechanics of coseismic slip. Based on thermal models we suggest that crystal plastic deformation of quartz accompanied by dramatic grain size refinement by dynamic recrystallization occurs during seismic faulting at the base of the brittle crust as a result of the high temperature transients (> 800°C) related to frictional heating in the host rock selvages of the slip surface. These localised high deformation temperatures made possible that the process of dynamic recrystallization, including recovery processes, could occur in a time lapse of a few tens of seconds.

    In order to verify these modeled quartz deformation temperatures we applied the Ti-in-quartz geothermometer by measuring the Ti content in quartz by nanoSIMS. The geochemical analysis for both pseudotachylyte-bearing samples (Schneeberg NFZ and Adamello GFZL) showed that during the seismic-related development of ultrafine-grained dynamic recrystallized quartz aggregates the pre-seismic host Ti signal is inherited. Therefore no temperature related resetting of the Ti content occurs during seismically-induced quartz recrystallization. However the steep increase of Ti in quartz in the direct vicinity (1-2 µm) of melt-related submicron-sized Ti-bearing particles gives evidence of Ti diffusion and points to short-timed high temperature transient, which is consistent with the thermal modelling of pseudotachylyte vein and its host rock margin.

     

  • Charakterisierung von Mikrostrukturen in ultrakataklastischen Zonen von Quartziten mittels Elektronenmikroskopie

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

    Laufzeit: 1. Juni 2006 - 31. Juli 2009
    Mittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)