Tonminerale: Forschende beobachten erstmals, wie sich Sedimentpartikel bei der Ablagerung ausrichten

Die Bildung von tonreichen Sedimenten ist schwer zu untersuchen: "Die Sedimentation findet zum Beispiel am schwer erreichbaren Meeresboden und über einen sehr langen Zeitraum statt. Zudem sind die Tonpartikel nur wenige Mikrometer klein. Daher ist es nicht möglich, Tonpartikel während der Sedimentation mit gängigen Mikroskopie-Methoden zu beobachten", sagt die Geowissenschaftlerin und Leiterin der Studie Dr. Rebecca Kühn von der MLU. Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, nutzte das Forschungsteam modernste Technik: den Synchrotron-Teilchenbeschleuniger in Grenoble. "Mit Hilfe dieses Instruments ist es möglich, die Sedimentation in Echtzeit zu beobachten", erklärt der MLU-Geologe Prof. Dr. Michael Stipp. Die Forschenden stellten Wasserzylinder mit absinkenden Tonpartikeln in den hochenergetischen Röntgenstrahl am Teilchenbeschleuniger. Ihre Experimente führten sie unter verschiedenen Bedingungen durch, zum Beispiel mit Süß- und Salzwasser. Dabei maßen sie jeweils die zeitlich aufgelöste Regelung der Partikel. Bei derartigen Messungen fallen extrem große Datenmengen an. Da es hierfür bisher keine schnelle Methode zur Auswertung gab, entwickelte Co-Autor Dr. Rüdiger Kilian von der MLU diese im Rahmen der neuen Arbeit gleich mit.

Bei den Experimenten zeigte sich, dass bereits in den ersten Millimetern des Sediments eine Regelung der Tonpartikel stattfindet. "Die Partikel nehmen bereits sehr früh, also im Grenzbereich zwischen Wasser und Sediment, eine bestimmte Ausrichtung ein. Diese verstärkt sich in den ersten Millimetern Sedimenttiefe noch weiter", erklärt Kühn. "Das ist überraschend. Eine gängige Hypothese zur Regelung von Tonpartikeln besagt, dass vor allem die Überlagerung von darüber liegenden Sedimenten mit vielen Metern Dicke die Ausrichtung bestimmt", sagt Stipp. Die Daten der halleschen Gruppe scheinen dieser Hypothese zu widersprechen.

Das Verständnis der Ausrichtung von Tonpartikeln ist wichtig für viele Anwendungen. "Die Ausrichtung beeinflusst zum Beispiel die Diffusion und die thermischen Eigenschaften von Tonen und Tonsteinen. Diese sind in der Geothermie wie auch als Wirtsgestein für atomare Endlager relevant", sagt Kühn.

Studie: Kühn R. et al. Clay alignment takes place during early stages of sedimentation. Communications Earth & Environment (2024). doi: 10.1038/s43247-024-01866-x

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