Forscher beobachten erstmals, wie sich Sedimentpartikel während der Ablagerung ausrichten

Tonminerale sind ein Hauptbestandteil der Erdoberfläche und kommen hauptsächlich in den Sedimenten von Seen, Flüssen und Ozeanen vor. Die Eigenschaften von Ton und Tonstein hängen von der Ausrichtung der winzigen Sedimentpartikel ab. Mithilfe des Europäischen Synchrotron-Teilchenbeschleunigers in Grenoble (Frankreich) ist es einem Forscherteam der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) erstmals gelungen, die Funktionsweise einiger Prozesse im Detail zu beobachten.

Die Studie war veröffentlicht im Tagebuch Kommunikation Erde und Umwelt und bietet Forschern Einblicke in die Struktur und Eigenschaften von Sedimenten.

Die Entstehung tonreicher Sedimente ist schwer zu untersuchen. „Die Sedimentation erfolgt beispielsweise am schwer zugänglichen Meeresboden über einen sehr langen Zeitraum. Zudem sind Tonpartikel nur wenige Mikrometer oder weniger groß. Herkömmliche Mikroskopiemethoden sind daher nicht dafür geeignet.“ Beobachtung von Tonpartikeln während der Sedimentation“, erklärt Dr. Rebecca Kühn, Geowissenschaftlerin an der MLU und leitende Forscherin der Studie.

Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, nutzte das Forschungsteam modernste Technologie: den Synchrotron-Teilchenbeschleuniger in Grenoble. „Mit diesem Instrument konnten wir die Sedimentation in Echtzeit beobachten“, sagt der Geologe Professor Michael Stipp von der MLU.

Die Forscher platzierten wassergefüllte Zylinder mit sinkenden Tonpartikeln in den hochenergetischen Röntgenstrahl des Teilchenbeschleunigers. Die Experimente wurden unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt, beispielsweise in Süß- und Salzwasser. In jedem Fall haben die Forscher die zeitaufgelöste Ausrichtung der Partikel gemessen.

Aus solchen Messungen können extrem große Datenmengen generiert werden; Da es hierfür jedoch keine schnelle Auswertungsmethode gab, entwickelte Co-Autor Dr. Rüdiger Kilian von der MLU eine solche für die neue Studie.

Die Experimente zeigten, dass es bereits in den ersten Millimetern des Sediments zu einer Ausrichtung der Tonpartikel kommt. „Die Partikel nehmen schon sehr früh, also in der Grenzschicht zwischen Wasser und Sediment, eine bestimmte Ausrichtung ein. Diese Ausrichtung verstärkt sich innerhalb der ersten Millimeter des Sediments noch“, erklärt Kühn.

„Das war überraschend, da eine gängige Hypothese zur Ausrichtung von Tonpartikeln in erster Linie durch das viele Meter dicke Sediment bestimmt wird, das darauf liegt“, sagt Stipp. Die Daten der Gruppe aus Halle widersprechen oder erweitern diese Hypothese zumindest.

Für viele Anwendungen ist es wichtig, die Ausrichtung von Tonpartikeln zu verstehen. „Es beeinflusst beispielsweise die Diffusion und die thermischen Eigenschaften von Tonen und Tonsteinen. Solche Eigenschaften sind sowohl für die Geothermie als auch für Wirtsgesteine ​​in Atommülllagern relevant“, sagt Kühn.