Universität zu Köln

Wässrige geologische Fluide treten in allen Bereichen unseres Planeten und anderen terrestrischen Körpern auf. Sie spielen nicht nur eine wichtige Rolle bei der Entstehung des Lebens, sondern auch bei Prozessen in der Erdkruste und des Erdmantels, z.B. bei der Metasomatose. Die Verbindung von makroskopischen Besonderheiten von Materialien der Erde mit den Eigenschaften auf der molekularen Skala war jeher ein zentrales Anliegen der Mineralogie und Petrologie. Dennoch ist die Beschreibung von strukturellen und thermodynamischen Eigenschaften dieser Fluide bis heute nicht voll erfasst. Experimentelle Studien mittels hydrothermaler Autoklaven, Druckbehälter oder hydrothermaler Diamantstempelzellen in Verbindung mit spektroskopischen und potentiometrischen Untersuchungen sind limitiert in ihrem Temperatur-, Druck- und chemischen Zusammensetzungsbereich. Seit dem Ende des letzten Jahrtausends sind Molekulardynamik Computersimulationen ein fester Bestandteil der Untersuchungen von wässrigen Lösungen auf der molekularen Skala. Mit Beginn dieses Jahrhunderts ist es, dank weitreichender Entwicklungen in der Computertechnologie, sogar möglich, ab initio Molekulardynamik Simulationen durchzuführen. Diese liefern neue Einblicke in die Gesteins-Fluid Wechselwirkung und außerdem wichtige Beiträge für das Verständnis von experimentellen Ergebnissen. In dieser Arbeit wurden drei aquatische geochemische Systeme mittels ab initio Molekulardynamik in Verbindung mit neuesten Methoden zur Untersuchung des Konfigurationsraumes studiert. In der ersten Fallstudie wurde die Assoziation von Yttrium, als ein Vertreter der Gruppe der schweren Seltenen-Erdelemente, mit Chlor und Fluor untersucht. Es konnte nicht nur gezeigt werden, dass Yttrium-Fluor Komplexe stabiler sind als Yttrium-Chlor Komplexe. Vielmehr sollten schon geringe Fluoraktivitäten im Fluid ausreichen, um diese zu bilden. Darüber hinaus wurde entdeckt, dass die Protolyse von Wassermolekülen in der Umgebung des Yttrium-Ions unter extremen Druck- und Temperaturbedingungen ansteigt. Diese Beobachtung scheint übertragbar auch auf andere sogenannte „high field strength elements“ zu sein. In der zweiten Fallstudie wurde das Verhalten von Beryllium in konzentrierten fluorreichen hydrothermalen Fluiden untersucht. Dabei zeigte sich, dass Beryllium zu einer trigonalen Koordination unter hydrothermalen Hochtemperatur-Bedingungen tendiert, im Gegensatz zu der stabilen tetraedrischen Koordination unter Raumbedingungen. Diese Beobachtung deutet auf eine höhere Mobilität von Beryllium in hydrothermalen Lösungen hin, als bisher angenommen wurde. Des Weiteren konnte eine Inkonsistenz der tabellarisierten thermodynamischen Daten von aquatischen Beryllium-Fluor Komplexen in der weitverbreiteten „slop89.dat“ Datenbank entdeckt werden. In der letzten Fallstudie dieser Arbeit wurden die Änderungen der Hydratation des Fluorid-Ions und der Flusssäure mit steigender Temperatur und Kompression untersucht. Es ist dies die erste Studie zu den molekularen Eigenschaften von Fluor-Speziationen in wässrigen Fluiden unter Druck- und Temperaturbedingen der Erdkruste und des oberen Erdmantels. Sie liefert damit wichtige Informationen über die Wechselwirkung des Halogens mit dem Lösungsmittel. Darüber hinaus konnte die Säurekonstante von Flusssäure in dem untersuchten Bedingungs- bereich bestimmt werden. Die Resultate könnten wichtige Erkenntnisse für die Rolle des Fluor bei der Mobilisierung und dem Transport von Metallionen in hydrothermaler Lösung unter extremen Druck liefern. Es hat sich aber auch gezeigt, dass noch mehr Erfahrung und neue Konzepte für die Verbindung von klassischen thermodynamischen Datensätzen und atomarer Computersimulation nötig sind.

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