Die Petrologie befasst sich mit der Untersuchung der chemischen und physikalischen Eigenschaften von Gesteinen und Mineralien, um die Bedingungen zu rekonstruieren, unter denen diese entstehen und sich entwickeln.
Unsere petrologische Forschung konzentriert sich in erster Linie auf die Entstehung und Entwicklung magmatischer Gesteine sowie auf metamorphe Prozesse innerhalb der Erdkruste und des oberen Mantels.
Wir untersuchen das Zusammenspiel zwischen den Bedingungen der Magmagenese und der Zusammensetzung magmatischer Gesteine sowie die Prozesse, die zur Bildung von Erzvorkommen führen. Eine der Hauptrichtungen unserer Forschung ist die Entstehung kritischer Ressourcen wie oxid-, sulfid- und karbonatitbezogener Erze.
Ein zentraler Aspekt unserer Arbeit ist die Analyse und Interpretation der Haupt- und Spurenelementzusammensetzung von Gesteinen und Mineralien. Dazu nutzen wir unsere hauseigenen Analyseeinrichtungen, darunter eine Elektronenstrahlmikrosonde, Spektroskopie, Laser-ICP-MS und Hochdruck-Hochtemperatur-Apparaturen. Unsere Forschungsprojekte umfassen Feldarbeiten in verschiedensten Regionen weltweit.
The role of Iceland mantle plume in the flux of toxic and heavy metals from the lithosphere to the hydrosphere
PIs: Botcharnikov R. (Mainz), Portnyagin M. (Geomar, Kiel), Pogge von Strandmann P. (Mainz), Buhre S. (Mainz), Rojas-Agramonte Y. (Heidelberg), Winter C. (Kiel)
Funding: EarthCrysis
Geochemical and gemological aspects of danburite crystals from salt diapirs: A case study from Southern Iran
Funding: Alexander von Humboldt Foundation
PIs: R.Botcharnikov, T. Häger,
Postdoc: Dr. Elahe Namnabat
Formation of cratonic lithospheric roots: Constraints from experimental petrological studies
Funding: China Scholarship Council (CSC)
PIs: Tong Hou (Beijing) and Roman Botcharnikov (Mainz)
Visiting PhD student: Zongpeng Yang
Modelling of CHROMium Enrichment in the mantle and the crust (CHROME)
PIs: E. Moulas, R.Botcharnikov, B. Kaus, S.Buhre
Funding: DFG, SPP DOME
Postdoc: Dr. Nicolas Riel
Izu-Bonin-Mariana boninites – natural laboratory to study mantle melting and the evolution of magma plumbing systems in early stages of subduction
PIs: R. Almeev, F. Holtz, J. Koepke (Hannover), R.Botcharnikov (Mainz)
Funding: DFG, SPP IODP
Students: PhD Lennart Koch (Hannover)
High-pressure and high-temperature treatment of diamonds
PIs: T. Häger, R.Botcharnikov, S.Buhre
Funding: Idar-Oberstein, JGU
Students: PhD N.N.
Carbon recycling by arc magmatism: an assessment from experimentally homogenized melt inclusions in high-Mg olivine
PIs: R.Botcharnikov (Mainz), F. Holtz (Hannover), M.Portnyagin (Kiel), N. Mironov (Moscow)
Funding: DFG-RFBR Joint German-Russian Program
Students: PhD Stepan Krasheninnikov (Hannover – Mainz), BSc Anna Bott (Mainz)
Rare-metal enrichment mechanism in anatectic pegmatites: Evidence from partial melting experiments
Visiting PhD student: Siyu Liu
Funding: China Scholarship Council (CSC)
PIs: Rui Wang (Beijing) and Roman Botcharnikov (Mainz)
Metallogenesis of the submarine volcanogenic iron oxide deposit in Western Tianshan, NW China
Visiting PhD student: Hengxu Li
Funding: China Scholarship Council (CSC)
PIs: Zhaochong Zhang (Beijing), Tong Hou (Beijing) and Roman Botcharnikov (Mainz)
Spectroscopic analyses and quantification of water and iron contents in beryl from different localities
PIs: T. Häger and R.Botcharnikov
Funding: Idar-Oberstein, JGU
Student: PhD Carina Hanser
Constraining the time scales of magmatic and metamorphic
processes
PIs: E. Moulas and R. Botcharnikov
Funding: JGU
Student: PhD Annalena Stroh
Rare-metal enrichment in carbonatite-bearing magmatic systems: Part B. Understanding the role of fractional crystallization and liquid immiscibility by experimental simulations of silicate-carbonatite systems
PIs: R. Botcharnikov, S.Buhre (Mainz), F. Holtz (Hannover), M. Tichomirowa, B. Schulz (Freiberg), R. Klemd (Erlangen)
Funding: DFG SPP “DOME” 2238 – Dynamics of Ore Metals Enrichment
Students: PhD Antonia Simon (Hannover – Mainz)
Enrichment processes during transfer of chromium from the mantle to the crust
PIs: R.Botcharnikov, E. Moulas, S. Buhre (Mainz)
Funding: DFG SPP “DOME” 2238 – Dynamics of Ore Metals Enrichment
Students: PhD Myriam Ruttmann
Rare-metal enrichment in carbonatite-bearing magmatic systems: Part A. Understanding magmatic evolution and enrichment processes in time by high-precision dating and inclusion studies
PIs: R. Botcharnikov (Mainz), F. Holtz (Hannover), M. Tichomirowa, B. Schulz (Freiberg), R.Klemd (Erlangen)
Funding: DFG SPP “DOME” 2238 – Dynamics of Ore Metals Enrichment
Students: PhD Daria Voropaeva (Freiberg), MSc Philipp Richert (Mainz)
How platinum-group elements are accommodated in magmatic sulfide phases, substitutions and inclusions?
PIs: Hassan Helmy, Roman Botcharnikov
Funding: Alexander von Humboldt Fellowship for Prof. Hassan Helmy
Student: BSc Elisa Winkes
Atmospheric Inorganic and Organic Selenium Speciation in Volcanic Environments
PI: Alexandra Gutmann
Funding: JGU
Formation of monomineralic Fe-Ti oxide ores in the high-Ti ferrobasaltic system: A case study in Emeishan, China
PIs: F. Holtz (Hannover), R.Botcharnikov (Mainz), Z.Zhang (Beijing), T. Hou (Beijing)
Funding: DFG – China, Sino-German Program
Students: PhD Sarah Haselbach (Hannover), BSc Jonas Thiel (Mainz)
Behavior of chalcophile elements in subduction zone processes
PI: R.Botcharnikov
Funding: DFG
Students: PhD Anastasia Zemlitskaya, MSc Katharina Kuper, BSc Amanda Marianov, BSc Wieland Böhme, BSc Oumar Mbareck
Chen, S., Hou, T., Pan, R., Luo, D., Liu, G., Botcharnikov, R. (2026). Multi-level magma reservoir and open system processes of the Tianchi caldera, Changbaishan Volcanic Field, NE China. Journal of Volcanology and Geothermal Research 473, 108598. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2026.108598
Portnyagin M., Botcharnikov R., Yogodzinski G., Garbe-Schönber D., Hoernle K. (2026) Melting of sulfide-bearing slab beneath the Western Aleutian Arc: Implications for chalcophile element abundances in slab-derived melts and the origin of continental crust. Geology, doi.org/10.1130 /G53585 .1
2025
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Yang Z., Hou T., Botcharnikov R., Moulas E., Weyer S., Wang M., Buhre S., and Zhang Z. (2025) Seismic and isotopic evidence for depth-dependent mantle sources of intraplate basalts from Eastern China. Communications Earth & Environment, 6, 1048, https://doi.org/10.1038/s43247-025-03024-3
Liu W., Shi G., Zhou Z., Qin L., Li X., Botcharnikov R., Quan X., Yuan Y., Häger T., Jantschke A. (2025) High-temperature wood silicification: Constraints from fluid and carbonaceous inclusions in quartz from Qitai, NW China. Scientific Reports, 15, 421961, https://doi.org/10.1038/s41598-025-27072-z
Scicchitano, M. R., Shishkina, T. A., Wilke, F., Wilke, M., Botcharnikov, R. E., Almeev, R. R. (2025). Basaltic glasses for quantification of CO2 and H2O content by Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS). GFZ Data Services. https://doi.org/10.5880/GFZ.3.1.2024.009
Shea J., Hughes E., Balzer R., Bindemann I., Blundy J., Brooker R., Botcharnikov R., Cartigny P., EIMF, Gaetani G., Kilgour G., Maclennan J., Monteleone B., Neave D., Shorttle O. (2025) Improved precision and reference materials for stable carbon isotope analysis in basaltic glasses using secondary ion mass spectrometry. Geostandards and Geoanalytical Research 49 (3), 607-627. https://doi.org/10.1111/ggr.12609
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Wang, D., Hou, H., Botcharnikov, R., Weyer, S., Haselbach, S.-L., Zhang, Z., Wang, M., Horn, I., Holtz, F. (2025) Fe-isotopic evidence for hydrothermal reworking as a mechanism to form high-grade Fe-Ti-V oxide ores in layered intrusions, Geochimica et Cosmochimica Acta,388, 78-93, https://doi.org/10.1016/j.gca.2024.11.017.
Liu S., Wang R., Botcharnikov R., Sha H. (2025) Formation of rare-element pegmatites in the Chinese Altai: Contribution of two-stage melting. Geology 53: 207-211; doi: https://doi.org/10.1130/G52880.1
2024
Stechern, A., Blum-Oeste, M., Botcharnikov, R. E., Holtz, F., and Wörner, G. (2024) Magma storage conditions of Lascar andesites, central volcanic zone, Chile, Eur. J. Mineral., 36, 721–748, https://doi.org/10.5194/ejm-36-721-2024.
Wang, D., Hou, H., Botcharnikov, R., Haselbach, S.-L., Almeev, R., Kluegel, A., Wang, M., Qin, J., Zhang, Z., Holtz, F. (2024) Experimental Constraints on the Storage Conditions and Differentiation of High-Ti Basalts from the Panzhihua and Hongge Layered Intrusions, SW China. Journal of Petrology (in press)
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Yang D.-M., Hou H., Botcharnikov R., Veksler I., Holtz F., Zhang Z., Zhang L., Simon A., Groschopf N. (2024) An experimental study on the role of F–, PO43-, Cl– and SO42- ligands in the natrocarbonatite-nephelinite system at 850 ℃ and 0.1 GPa. Chemical Geology, 655: 122085. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2024.122085
Botcharnikov R., Wilke M., Garrevoet J., Portnyagin M., Klimm K., Buhre, S., Krasheninnikov, S., Almeev R., Moune S., Falkenberg G. (2024) Confocal m-XANES as a tool to analyse Fe oxidation state in heterogeneous samples: the case of melt inclusions in olivine from the Hekla volcano. European Journal of Mineralogy, 36, 195–208, https://doi.org/10.5194/ejm-36-195-2024.
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Korneeva A.A., Nekrylov N., Kamenetsky V.S., Portnyagin M.V., Savelyev D.P., Krasheninnikov S.P, Abersteiner A., Kamenetsky M.B., Zelenski M.E., Shcherbakov V.D., and Botcharnikov R.E. (2020) Composition, crystallization conditions and genesis of sulfide-saturated parental melts of olivine-phyric rocks from Kamchatsky Mys (Kamchatka, Russia). Lithos 370, 105657.
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Kötze, E., Schuth, S., Goldmann, S., Winkler, B., Botcharnikov, R.E., and Holtz, F. (2019) The mobility of palladium and platinum in the presence of humic acids: An experimental study. Chem Geol 514:65-78.
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Shishkina, T., Portnyagin, M., Botcharnikov, R.E., Almeev, R., Simonyan, A., Garbe-Schönberg, D., Schuth, S., Oeser, M. and Holtz, F. (2018) Experimental calibration and implications of olivine-melt vanadium oxybarometry for hydrous basaltic arc magmas. American Mineralogist, v.103, 369-383, doi.org/10.2138/am-2017-6210.
Die Elektronenstrahl-Mikrosonde wird im Englischen als EMP (Electron Microprobe) oder EPMA (Electron-Probe-Micro-Analyser) bezeichnet und basiert auf einem Raster-Elektronen-Mikroskop. Allerdings ist es mit 5 WDX-Spektrometern zur quantitativen Analyse von Haupt-, Neben- und Spurenelement-Konzentrationen ausgestattet.
Damit lässt die Zusammensetzung kleinster Bereiche zerstörungsfrei analysieren, d.h. selbst wenige Micrometer messende Mineralkörner können in-situ (also im Gesteinsverband) mit hoher Genauigkeit analysiert werden. Neben Gesteinsproben, können aber auch kleinste Glaspartikel, Edelsteine, Knochen, Zähne, Skelette von Meeresorganismen u.v.m. untersucht werden.
Elektronen werden von einem Schottky-Emitter freigesetzt. Hierbei handelt es sich um eine spezielle Form der Elektronenquelle, die auf thermisch unterstützter Feldemission basiert. Er besteht aus einer sehr fein zugespitzten Wolframkathode, die mit einer geringen Menge Zirkoniumoxid beschichtet ist. Diese Beschichtung senkt die effektive Austrittsarbeit der Elektronen an der Metalloberfläche.
Die Kathode wird moderat erhitzt und gleichzeitig einem starken elektrischen Feld ausgesetzt. Durch die Kombination aus thermischer Energie und Feldemission können Elektronen die Potentialbarriere an der Spitze überwinden und in das Vakuum austreten. Der Emissionsbereich ist dabei extrem klein, was zu einer sehr hohen Strahldichte führt. Im Vergleich zu klassischen thermischen Elektronenquellen liefert der Schottky-Emitter einen besonders hellen, stabilen und energiearmen Elektronenstrahl. Dies ermöglicht eine hohe Ortsauflösung, gute Strahlstabilität und reproduzierbare Bedingungen, was für präzise geochemische Analysen in der Elektronenstrahl-Mikrosonde entscheidend ist.
Die so erzeugten Elektronen werden im Hochvakuum durch ein elektrisches Potential von bis zu 30 kV in Richtung der Probe beschleunigt. Auf dem Weg dorthin durchlaufen die Ladungsträger eine Reihe von elektromagnetischen Spulen, die den Strahl formen und bündeln, bevor er auf die Probe trifft. Dort kommt es zur Wechselwirkung mit den Atomen der unterschiedlichen Elemente in der Probe, die zur Emission ihrer spezifischen Röntgenstrahlung angeregt werden. Das Wechselwirkungsvolumen beträgt je nach Beschleunigungsspannung nur wenige Kubik-Micrometer. Die Röntgenspektrometer funktionieren wie Röntgen-Filter und messen die Anzahl der Röntgenimpulse für ein bestimmtes Element sequenziell (normiert auf die Messzeit und den Strahlstrom). Die gemessenen Intensitäten werden dann mit Messungen an Referenzmaterialien (deren Zusammensetzungen zuvor gut bestimmt wurde) verglichen und daraus Element-Konzentrationen berechnet. Die nach der Messung durchgeführte Matrix-Korrektur wird benötigt, um die gegenseitige Beeinflussung der Elemente untereinander zu korrigieren.
Mit der EMS können prinzipiell die Elemente von Be bis Pu (siehe Periodensystem) in allen festen Materialien analysiert werden, sofern diese vakuumstabil sind und sich unter dem Einfluss des Elektronenbeschusses nicht verändern. Für quantitative Analysen ist zudem eine sehr gute Oberflächenpolitur obligatorisch. Nicht leitende Materialien müssen mit einer 15-20 nm dicken Kohlenstoffschicht bedampft werden, damit es zu keiner negativen Aufladung der Probe kommt.
Zwei der 5 wellenlängen-dispersiven Spektrometer arbeiten mit Ar/Methan-Durchflusszählern, die in Kombination mit LDE1-,LDEB-,LDEC-,TAP- bzw. TAPL- und PETL-Kristallen für die Messung leichter Elemente optimiert sind. Die anderen Spektrometer sind mit Xe-Zählern und einen Kombination aus PETL- und LIFL-Kristallen bestückt.
Mit dem EDS-System ist es möglich mehrere Elemente simultan zu messen und dadurch eine Phasenidentifikation in Sekundenschnelle durchzuführen.
Ansprechpartner: Dr. S. Buhre
Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA), im Englischen X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) genannt, wird zur Materialanalytik eingesetzt. Sie dient der qualitativen und quantitativen Bestimmung der Elementzusammensetzung fester, flüssiger oder pastöser Proben, wie z.B.: Gesteine, Böden, Minerale, Tone, Erze, Stähle, Legierungen, Gläser, Keramiken, Baustoffe, Schlacken, Kunststoffe, Pasten und Öle.
Die RFA wird in der Forschung und in der Qualitäts- und Produktionskontrolle in der Industrie eingesetzt. Je nach Ausstattung des Analysengerätes ist die Bestimmung der Elemente ab Ordnungszahl 4 (Be) bis 92 (U) möglich. Der Messbereich, abhängig vom Element und der Matrix, reicht von 0,0001 Gew% bis zu 100 Gew%.
Die Röntgenfluoreszenzanalyse setzt Röntgenstrahlung als Primärstrahlung zur Anregung einer zu bestimmenden Probe ein. Durch Wechselwirkung mit der Probe entsteht eine sekundäre Röntgenstrahlung („Fluoreszenz-Strahlung“), die nach spektraler Zerlegung durch Beugung an einem Kristall qualitativ und quantitativ bestimmt werden kann. Die Wellenlängen dieser Strahlung sind für die vorhandenen Elemente in der Probe charakteristisch. Aus der Intensität der charakteristischen Strahlung kann auf Basis von umfangreichen Korrektur- und Kalibrierprogrammen die Konzentration der zu bestimmenden Elemente ermittelt werden.
Um optimal auf alle Fragestellungen eingehen zu können, ist das Spektrometer sehr mit verschiedenen Blenden, 3 Kollimatoren, 6 Analysatorkristallen (PX1, PE002, Ge111, PX9, LiF200, LiF220) sowie 3 Detektoren (Durchfluss-, Szintillations- und Xe Proportionalzähler) ausgestattet. So kann die jeweils beste Einstellung für Spuren- bis Hauptelemente vorgenommen werden.
Das Haupteinsatzgebiet an unserem Institut sind die Haupt- und Spurenelementbestimmung an geologischen Proben. Nach Bedarf werden auch spezielle Messprogramme (Applikationen) erstellt. Halbquantitative Analysen an den unterschiedlichsten Feststoffen können mit dem standardlosen Messverfahren IQ+ der Fa. Panalytical durchgeführt werden.
Ansprechpartner: Dr. Stephan Buhre
Ansprechpartner: Dr. Stephan Buhre
Die Arbeitsgruppe Petrologie verfügt über ein Piston-Cylinder-Labor mit zwei Pressen in einem modifizierten Boyd-England-Design. Die Ausstattung umfasst eine 650-Tonnen-Apparatur mit einem Piston-Durchmesser von 1 Zoll sowie eine 250-Tonnen-Presse mit einem Piston-Durchmesser von 0.5 Zoll.
Beide Apparaturen können Drücke von bis zu 3.0 GPa (30.000 Atmosphären) erzeugen und Temperaturen von bis zu 1500 °C erreichen.
Unser Hochdrucklabor verfügt auch über eine so genannte Multi-Anvil-Apparatur. Damit können Drücke bis 15 GPa (150.000 Atmosphären) und Temperaturen von bis zu 2500° erreicht werden.