Wolf-Achim Kahl
Dr. Wolf-Achim Kahl
MAPEX - Center for Materials and Processes
GEO Raum 5070
Klagenfurter Stra?e 2-4
28359 Bremen, Deutschland
Tel. +49 421 218 65408
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Quantitative digitale 3D-Bildanalyse von ?-CT-basierten Volumendaten
In der letzten Dekade habe ich mein Augenmerk auf mikrostrukturelle Ver?nderungen reaktiver Wasser-Gesteins Systeme und den damit verbundenen Rückkopplungen zwischen Reaktionsablauf und Porenraum gerichtet. Ich kombiniere quantitative digitale 3D-Bildanalyse mit anderen spektrographischen Methoden (?-CT, FIB-SEM, EBSD, EPMA, ICP-MS), und beziehe auch Beobachtungen in natürlichen Gesteinen sowie experimentelle Simulationen mit ein. Meine wissenschaftliche Arbeit begann mit der Erforschung des Einflusses der Pauschalzusammensetzung auf die Phasenbeziehungen in metamorphen chemischen Sedimenten aus submariner hydrothermaler Aktivit?t. Sp?ter habe ich zwei Kalorimetrielabore aufgebaut und thermodynamische Eigenschaften ausgew?hlter Silikatminerale bestimmt. Bis jetzt habe ich zwei ?-CT Labore aufgebaut (SkyScan 1172, CAU Kiel; ProCon CT-ALPHA, FB5 Universit?t Bremen) und an zahlreichen wissenschaftlichen 澳门皇冠_皇冠足球比分-劲爆体育 (u. a. über neolithische Keramik, fossilisierte Walknochen oder Zuschlagstoffe in Beton) mitgewirkt. |
?BERSETZTE KURZFASSUNG. In basaltischer Vulkanasche, die von einem Seamount in 3000 m Wassertiefe geborgen wurde, entdeckten wir Markasit- und Pyritausscheidungen in Hohlr?umen, die durch teilweise bis vollst?ndige Aufl?sung von Olivin entstanden. An manchen Stellen erinnern diese Hohlr?ume an negative Kristallformen, an anderen Stellen setzen sie sich offenbar entlang von Rissen fort. In starkem Kontrast dazu zeigt das angrenzende vulkanische Glas, wenn überhaupt, nur wenige Anzeichen für eine Aufl?sung. Bei den FeS2-Ausscheidungen handelte es sich in der Regel um zusammenh?ngende und planare Aggregate, die in der Mitte der Hohlr?ume auftraten. Ihr maximaler Volumenanteil im Verh?ltnis zum Hohlraum, der mit Hilfe von 2D- und 3D-Bildgebungsverfahren bestimmt wurde, entspricht der Menge des durch Olivinaufl?sung freigesetzten Eisens. Fast alle Vorkommen von FeS2-Ausf?llungen stehen im Zusammenhang mit Cr-Spinell-Einschlüssen im ehemaligen Olivin. Wir vermuten, dass die rasche Olivinaufl?sung durch reduzierte H2S-haltige Fluide an Olivinkorngrenzen oder durch Risse freigelegte Oberfl?chen ausgel?st wurde. Viele dieser Risse sind mit Spinellk?rnern verbunden, in denen das aus dem Olivin freigesetzte Eisen als FeS2 mineralisiert wird, was zun?chst durch heterogene Keimbildung erleichtert wird. Die anschlie?ende Pyrit- und/oder Markasitausf?llung erfolgte als ?berwuchs auf bestehenden FeS2-Aggregaten. Das besondere chemische Milieu der schwefelwasserstoffhaltigen Flüssigkeiten mit niedrigem pH-Wert k?nnte die Olivinaufl?sung gef?rdert haben, indem es (1) Fe in L?sung hielt und (2) gro?e Fe-Mengen als FeS2 sequestrierte. Die In-situ-Oxidation von eisenhaltigem Fe und die Ausf?llung von Eisenhydroxiden an der Olivinoberfl?che, die üblicherweise in oxischen Umgebungen beobachtet werden, wurden offensichtlich behindert. Dadurch h?tte sich die Olivinaufl?sung auf Raten verlangsamt, die eher der Aufl?sung von Basaltglas entsprechen. Es gibt keine direkten Hinweise darauf, dass der Prozess der schnellen Olivinaufl?sung durch das Leben im Untergrund unterstützt wurde. Das Vorhandensein von faserigen Strukturen mit kleinen Sulfidpartikeln k?nnte jedoch auf eine sp?te Besiedlung durch sulfatreduzierende Bakterien hinweisen, die einen zus?tzlichen Weg der Eisenfixierung darstellen k?nnten.
?BERSETZTE KURZFASSUNG. Die Aufl?sungsraten por?ser kristalliner Materialien spiegeln die ?berlagerung von Transport und Oberfl?chenkontrolle wider, haupts?chlich über die Parameter S?ttigung der umgebenden Flüssigkeit und Verteilung der Oberfl?chenenergie. Infolgedessen ver?ndern sich die reagierenden Oberfl?chen im Laufe der Zeit und zeigen eine heterogene Verteilung der Oberfl?chenraten. Die raum-zeitliche Heterogenit?t der Oberfl?chenreaktionsraten wird mit Hilfe des Konzepts der Ratenkarte und des Raten-Spektrums analysiert. Hier quantifizieren wir die Variabilit?t der Aufl?sungsrate auf der nm- bis mm-Skala von sich aufl?senden ein- und polykristallinen Kalzitproben mit einem kombinierten Ansatz aus R?ntgen-Mikro-Computertomographie (?-CT) und vertikaler Scanning-Interferometrie (VSI). Die Aufl?sungsexperimente decken Reaktionszeiten von 15 Minuten bis zu 54 Tagen ab. Die beobachteten Ratenbereiche sind über den gesamten Reaktionszeitraum bemerkenswert konsistent, weisen aber eine Variabilit?t von etwa zwei Gr??enordnungen auf (10-9 - 3*10-7 mol m-2 s-1). Die Daten der Ratenkarte unterstreichen die gleichzeitige und sich überlagernde Wirkung von oberfl?chen- und str?mungsgesteuerten Ratenanteilen. Die Auswirkung des Flüssigkeitsstroms auf die Reaktivit?t im mm-Ma?stab im transportgesteuerten System wird durch 2-D-Modellierung des reaktiven Transports best?tigt. Die r?umliche Heterogenit?t im Sub-mm-Bereich zwischen Oberfl?chenanteilen mit geringer und hoher Reaktivit?t von polykristallinem Calcit liegt deutlich unter der mittleren Kristallgr??e. Dies deutet darauf hin, dass hochreaktive Oberfl?chenabschnitte unabh?ngig von der Ausrichtung gr??erer Kristalle einen dominierenden Einfluss auf die Gesamtoberfl?chenreaktivit?t haben. Dementsprechend wird der Gesamtbereich der intrinsischen Reaktivit?tsheterogenit?t, der bei einkristallinem Material beobachtet wurde, bei polykristallinem Material nicht weiter ausgedehnt. Eine allgemeine Schlussfolgerung ist, dass numerische reaktive Transportkonzepte von der Einführung eines Reaktivit?tsterms profitieren würden, der der experimentell beobachteten Existenz 澳门皇冠_皇冠足球比分-劲爆体育erer Ratenkomponenten ?hnelt.
?BERSETZTE KURZFASSUNG. Wir rekonstruieren die 3-D-Mikrostruktur zentimetergro?er Olivinkristalle in Gesteinen aus dem ultramafischen Almirez-Massiv (Südspanien) mithilfe einer Kombination aus R?ntgenmikro-Computertomographie (μ-CT) und Elektronenrückstreuung (EBSD). Die semidestruktive Probenbehandlung umfasst geographisch orientierte Bohrpressungen von Gesteinen und die Vorbereitung orientierter Dünnschliffe für EBSD aus den μ-CT-gescannten Kernen. Die μ-CT-Ergebnisse zeigen, dass die Analysen der mittleren Schnittl?nge (MIL) zuverl?ssige Informationen über die Formvorzugsorientierung (SPO) texturell unterschiedlicher Olivingruppen liefern. Wir zeigen, dass eine statistische Interpretation der kristallinen Vorzugsorientierung (CPO) und der SPO von Olivin m?glich ist, da die h?chsten Dichten der Verteilung der Hauptkristallachsen von Olivin aus der EBSD mit den drei Achsen des 3D-Ellipsoids übereinstimmen, die aus den MIL-Analysen der μ-CT berechnet wurden. Anhand der EBSD-Daten unterscheiden wir 澳门皇冠_皇冠足球比分-劲爆体育ere CPO-Gruppen, und durch die Lokalisierung der Dünnschliffe innerhalb des μ-CT-Volumens ordnen wir SPO den entsprechenden Olivinkristallaggregaten zu, was die Ergebnisse des statistischen Vergleichs best?tigt. Wir zeigen, dass die Einschr?nkungen beider Methoden (d. h. keine Kristallorientierungsdaten in der μ-CT und keine r?umlichen Informationen in der EBSD) überwunden werden k?nnen und die 3-D-Orientierung der kristallographischen Achsen von Olivinen aus verschiedenen Orientierungsgruppen erfolgreich mit den Kristallformen repr?sentativer Olivink?rner korreliert werden kann. Durch diesen Ansatz kann man die Verbindung zwischen geologischen Strukturen, Makrostruktur, Gefüge und 3-D SPO-CPO-Beziehung auf der Skala der Handprobe selbst in komplexen, grobk?rnigen Geomaterialien herstellen.
?BERSETZTE KURZFASSUNG. Für Perkolationsexperimente wurde eine neue Durchfluss-Reaktionszelle entwickelt, die aus einem r?ntgentransparenten, teilkristallinen Thermoplast besteht. Bohrkernhalter, Schl?uche und alle umschlie?enden Teile sind aus PEEK (Polyetheretherketon) gefertigt, um eine gleichzeitige ?berwachung des Reaktionsverlaufs durch R?ntgenmikrotomographie (μ-CT) zu erm?glichen. Mit dieser Zelle k?nnen korrosive oder übers?ttigte Flüssigkeiten bei einem Druck von bis zu 100 bar und einer Temperatur von bis zu 200 °C durch Gesteinskerne (bis zu ? 19 mm) oder Pulver gepresst werden. Der Reaktionsfortschritt des Experiments kann überwacht werden, ohne dass die Probe aus dem Kernhalter ausgebaut werden muss. Die Kombination dieses Durchfluss-Reaktionszellenaufbaus mit einem Labor-R?ntgen-μ-CT-System erm?glicht eine bedarfsgerechte ?berwachung des Reaktionsfortschritts von (Langzeit-)Hydrothermalexperimenten im eigenen Labor, wobei die Unterbrechungszeiten so kurz wie m?glich gehalten werden. Um sowohl die Eignung des Zellkonstruktionsmaterials für R?ntgenbildgebungszwecke als auch die experimentelle Leistung des Durchflusssystems zu demonstrieren, berichten wir über die praktisch nicht vorhandene Verf?lschung des PEEK-Zellenaufbaus auf die Auswertung der R?ntgenbeobachtungen (z. B. unterschiedliche Zust?nde der Porenfüllungen: Luft vs. Flüssigkeit; Nachweis empfindlicher Gewebeelemente: filigrane Zeolithkristalle, die verwitterten Muskovit überwuchern), und dokumentieren die ?berwachung des Gips/Anhydrit-?bergangs als Fallstudie einer 4-D-Gewebeentwicklung.
Lebenslauf
Wissenschaftlicher Werdegang
| seit April 2020 | Laborleiter 3D R?ntgenmikroskop, MAPEX Center for Materials and Processes, Universit?t Bremen, Deutschland |
| 2012 -2020 | Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Reinhart Koselleck Projekt mit Prof. Dr.W. Bach, Universit?t Bremen, Deutschland
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| 2007-2011 | Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Verbundprojekt CO2-MoPa ?Modellierung und Parametrisierung von CO2-Sequestrierung“ mit Prof. Dr. A. Holzheid, Universit?t Kiel, Deutschland
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| 2004-2007 | Wissenschaftlicher Mitarbeiter im F&E Projekt ?Automotive catalysts“ mit Dr. U. Klein, Umicore AG & Co. KG, Hanau, Deutschland und Prof. Dr. V. Schenk, Universit?t Kiel, Deutschland
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| Juli 2000 | Dr. rer. nat. in Mineralogie, Ruhr Universit?t Bochum, Deutschland |
| 1996-2000 | Wissenschaftlicher Mitarbeiter und Promotionsstudent, Universit?t Bochum, Deutschland
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| Jan. 1996 | Diplom in Mineralogie, CAU Kiel, Deutschland |
| 1988-1996 | Studium der Mineralogie, Universit?t Kiel, Deutschland Betreuer der Diplomarbeit: Dr. John Schumacher |
Weitere Aktivit?ten
| 2022 | Bestellung als Strahlenschutzbeauftragter am MAPEX und FB5, Universit?t Bremen, Deutschland |
| seit 2011 | Webmaster der "International Confederation for Thermal Analysis and Calorimetry" (ICTAC, www.ictac.org) |
| 2010 | Bestellung als Strahlenschutzbeauftragter am Institut für Geowissenschaften, CAU Kiel, Deutschland |
| seit 2004 | Webmaster der Gesellschaft für Thermische Analyse e. V. (GEFTA, www.gefta.org) und Gast im Vorstand |
Zus?tzliche Qualifikationen
- Erwerb der Fachkunde im Strahlenschutz (Fachkundegruppen R2, R3, R4, R10) gem?? R?V (Fachkunde-Richtlinie Technik) am Norddeutschen Seminar für Strahlenschutz, Kiel
- IT-Kenntnisse: Webdesign (HTML, PHP, mysql), Applikationsentwicklung (Java, VB), Datenbanken
Ver?ffentlichungen
Lahmann, D., Kahl, W.-A., Ke?ler, S. (2025) Reactive transport modelling of autogenous self-healing: Impact of portlandite content and degree of hydration. Cement and Concrete Research 197 (2025) 107965.
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Galerne, C.Y., Cheviet, A., Kahl, W.-A., Wiggers, C., Bach, W., Neumann, F., Buatier, M., H?fig, T.W., Lizarralde, D., Teske, A., Pe?a-Salinas, M., Karstens, J., B?ttner, C., Berndt, C., Aiello, I.W., Marsaglia, K.M., Gontharet, S., Kuhnert, H., Stock, J., Negrete-Aranda, R., Zhang, J., Kopf, A. (2025) Sill stacking in subseafloor unconsolidated sediments and control on sustained hydrothermal systems: evidence from IODP drilling in the Guaymas Basin, Gulf of California. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, Vol. 103, No. 3, e2024JB030354.
| doi:10.1029/2024JB030354 |
Schmid-Beurmann, H. A., Kahl, W.-A., Bach, W., Ivarsson, M., B?ttcher, M. E., Peckmann, J. (2023) Dispersal of endolithic microorganisms in vesicular volcanic rock: Distribution, settlement and pathways revealed by 3D X-ray microscopy. Terra Nova, 35(5), 396-403.
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Sommer, M., Kahl, W.-A., Fechte-Heinen, R. and Hoja, S. (2023) Microscopic Characterization of Compound Layers. Practical Metallography, Vol. 60, No. 4, 2023, 212-241.
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Dilissen, N., Hidas, K., Garrido, C. J., Kahl, W.-A., Sánchez-Vizcaíno, V. C., Padrón-Navarta, J. A. (2018) Textural evolution during high-pressure dehydration of serpentinite to peridotite and its relation to stress orientations and kinematics of subducting slabs: Insights from the Almirez ultramafic massif. Lithos, 320-321, 470-489.
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Türke, A., Jackson, M.D., Bach, W., Kahl, W.-A., J?rgensen, S.L., and Gudmundsson, M.T. (2019) Design and implementation of a submarine borehole observatory at Surtsey Volcano, Iceland. European Geosciences Union General Assembly 2019, Vienna, Austria, Geophysical Research Abstracts 21, EGU2019-18812-1.
Benjamin M Tutolo, B.M., Eslami, A., Evans, K.A., Kahl, W.-A., Godard, M., Kelemen, P.B., Michibayashi, M., Takazawa, E., Teagle, D.A.H. (2018) A Reconnaissance Petrographic Study of Opaque Mineral Assemblages in Peridotites and Mafic Dykes from the Oman Drilling Project Holes BA1B, BA3A and BA4A. AGU Fall Meeting 2018, V13E-0137.
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Diplomarbeit
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