Ingo Sonder

• This work presents a new method to measure model independent viscosities of inhomogeneous materials at high temperatures. Many mechanisms driving volcanic eruptions are strongly influenced by the viscous properties of the participating materials. Since an eruption takes place at temperatures at which these materials (predominantly silicate melts) are not completely molten, typically inhomogeneities, like e.g. equilibrium and non-equilibrium crystals, are present in the system. In order to incorporate such inhomogeneities into objective materialThis work presents a new method to measure model independent viscosities of inhomogeneous materials at high temperatures. Many mechanisms driving volcanic eruptions are strongly influenced by the viscous properties of the participating materials. Since an eruption takes place at temperatures at which these materials (predominantly silicate melts) are not completely molten, typically inhomogeneities, like e.g. equilibrium and non-equilibrium crystals, are present in the system. In order to incorporate such inhomogeneities into objective material parameters the viscosity measurement is based on a rotational viscometer in a wide gap Couette setup. The gap size between the two concentric cylinders was designed as large as possible in order to account for the inhomogeneities. The emerging difficulties concerning the model independent data reduction from measured values to viscosities are solved using an appropriate interpolation scheme. The method was applied to a material representative for the majority of volcanic eruptions on earth: a typical continental basaltic rock (Billstein/Rhön/Germany). The measured viscosities show a strong shear rate dependency, which surprises, because basaltic melt has been, until now, assumed to behave as a Newtonian fluid. Since a non-Newtonian material shows a very different relaxation behavior in the Couette motion compared to a Newtonian one (which, ultimately, does not show any), and a strong relaxation signal was recorded during viscosity measurements, the equations of Couette motion were investigated. The time dependent stress distribution in a material due to a quasi step-like velocity change at the inner Couette radius (i.e. the spindle) was considered. The results show that a material combining a linear shear modulus and a Newtonian viscosity -- a Maxwell material -- cannot quantify the relaxation behavior. This could be considered as a hint, that the widely used Maxwell relaxation times cannot be applied as a 1:1 mapping from microscopic considerations to macroscopic situations.…
• Die vorliegende Arbeit beschreibt eine neue Methode zur modellunabhängigen Messung von Viskositäten bei hohen Temperaturen. Viele der Mechanismen, welche vulkanischer Aktivität zugrunde liegen, werden stark durch die viskosen Eigenschaften der beteiligten Materialien beeinflusst. Die eruptierten Materialien -- zum überwiegenden Teil Silikatschmelzen -- sind bei Eruptionstemperatur nicht komplett geschmolzen. Deshalb sind Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtskristalle in den betrachteten Systemen vorhanden. Um diese Inhomogenitäten inDie vorliegende Arbeit beschreibt eine neue Methode zur modellunabhängigen Messung von Viskositäten bei hohen Temperaturen. Viele der Mechanismen, welche vulkanischer Aktivität zugrunde liegen, werden stark durch die viskosen Eigenschaften der beteiligten Materialien beeinflusst. Die eruptierten Materialien -- zum überwiegenden Teil Silikatschmelzen -- sind bei Eruptionstemperatur nicht komplett geschmolzen. Deshalb sind Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtskristalle in den betrachteten Systemen vorhanden. Um diese Inhomogenitäten in objektive Materialparameter einzubeziehen, basiert die vorgestellte Viskositätsmessung auf auf einem Rotationsviskosimeter in einer wide gap''-Anordnung. Die Spaltbreite zwischen den beiden konzentrischen Zylindern wurde so groß wie möglich gemacht um Inhomogenitäten zu berücksichtigen. Die aufkommenden Schwierigkeiten bezüglich der modellunabhängigen Bestimmung der Viscositäten aus den gemessenen Daten wurden mit einer geeigneten Interpolationsmethode gelöst. Mit dieser Methode wurden die Viskositäten eines, für die Mehrheit vulkanischer Eruptionen auf der Erde typisches Material gemessen: eines kontinentalen Basaltes aus Billstein (Rhön, Deutschland). Die gemessenen Viskositäten zeigen bei konstanter Temperatur eine starke Abhängigkeit von der Deformationsrate. Dies überrascht, da basaltische Schmelzen bis heute bei vergleichbaren Temperaturen als Newtonsche Flüssigkeiten betrachtet wurden. Da ein nicht-Newtonsches Material, im Vergleich mit einem Newtonschen, ein deutlich anderes Relaxationsverhalten aufweist (das Newtonsche zeigt ultimativ keine Relaxation), und da ein deutliches Relaxationssignal während der Viskositätsmessung gemessen wurde, wurden die Bewegungsgleichungen der Couette Bewegung untersucht. Die zeitabhängige Spannungeverteilung in einem Material, verursacht durch eine quasi-stufenartige Geschwindigkeitsänderung am inneren Couette-Radius (d. h. am Drehkörper des Viskosimeters) wurde betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Material, welches ein linear elastisches Schermodul und eine newtonsche Viskosität kombiniert -- ein Maxwell-Material -- das Relaxationverhalten quantitativ nicht beschreiben kann. Dies könnte als Hinweis betrachtet werden, dass die weitverbreiteten Maxwell-Relaxationszeiten nicht 1:1 von mikroskopischen Betrachtungen auf makroskopische Situationen angewendet werden können.…