Universität zu Köln

Hezel, Dominik (2003). Die Bildung SiO2-reicher Phasen im frühen Sonnensystem. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

In meiner Arbeit untersuche ich die Bildung SiO2-reicher Objekte (SRO) in chondritischen Meteoriten (--> Chondrite). Diese Phasen werden nach den heutigen Modellen des frühen Sonnsystems nicht in diesen erwartet. Trotzdem enthalten einige kohlige Chondrite - darunter insbesondere die CH-Chondrite - und einige gewöhnliche Chondrite Objekte mit freiem SiO2. Die SRO habe ich mit der Elektronenstrahl-Mikrosonde und dem Sekundärionen-Massenspektrometer zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung, sowie mit dem Mikro-Raman Spektrometer und dem Transmissionselektronen-Mikroskop zur Bestimmung der SiO2-Polymorphie untersucht. In den kohligen Chondriten treten die SRO fast nur in den CH- und CR-Chondriten auf. Deren Population in den CH-Chondriten beträgt ~0.1 Vol.%. Die Paragenese besteht fast ausschließlich aus SiO2 und einem etwa Pyroxen-normativen Silikat. Diese beiden Phasen zeigen oftmals Entmischungsstrukturen. Diese SRO sind meist an den refraktären Elementen Ca, Al und Ti verarmt, bis zu 0.015 x CI. In gleichem Maße sind die Seltenen Erd-Elemente (SEE) verarmt und zeigen unfraktionierte, flache Muster. Das Si/Mg-Verhältnis ist stark fraktioniert, mit 3 - 4 x CI. Die SRO sind außerdem verarmt an volatilen Elementen, jedoch haben zwei SRO-Chondren sehr hohe Mn-Konzentrationen, und das, obwohl die CH-Chondrite die Mn-ärmsten Gesamt-Zusammensetzungen aller Chondrite haben. Eine dieser Mn-reichen Chondren enthält Pyroxen mit den höchsten, je aus einem Meteoriten berichteten Mn-Konzentrationen von 6.68 Gew.%. Das SiO2 tritt in den SRO hauptsächlich als Glas und in seinen Hoch- und Mitteltemperatur-Polymorphen Cristobalit und Tridymit auf. Die Bildung dieser SRO kann über einen zweistufigen Mechanismus verstanden werden, bei dem zuerst eine fraktionierte Kondensation die Precursor der SRO bildete, die anschließend im zweiten Schritt zu Temperaturen >1968 K wieder aufgeheizt wurden und danach rasch abkühlten. Fraktionierte Kondensation bedeutet, dass der bei hohen Temperaturen gebildete Olivin mit fallenden Temperaturen nicht mit dem Nebel-SiO zu Pyroxen reagiert. Dadurch wird der Nebel an SiO(g) angereichert. Die anschließende Pyroxen-Kondensation reichert den Nebel zusätzlich an SiO(g) an. Außerdem wird der Nebel reich an volatilen Elementen wie Mn. Aus diesem Nebel können dann als späte Kondensate SiO2 und Mn-reich Phasen entstehen. Ein außergewöhnliches Objekt dokumentiert diese fraktionierte Kondensation. Dieses ist zoniert und enthält Olivin im Kern, umgeben von Pyroxen und FeNi-Metall und in einem äußersten Saum freies SiO2. Das gesamte kondensierte Material, mit viel Olivin und Pyroxen, agglomerierte sodann zu Precursorn, die in manchen Fällen überdurchschnittlich viel SiO2, sowie Mn enthielten. Während der Chondren-Bildung wurden die SRO-Precursor zu >1968 K aufgeheizt und gelangten in den Bereich der liquiden Mischungslücke im System MgO-SiO2-FeO. Dabei entstand deren heutige Entmischungsstruktur von SiO2 und Silikat. Die Hoch-Temperatur-Polymorphe des SiO2 dokumentieren eine rasche Abkühlung nach der Aufheizung, sonst hätten diese nicht metastabil erhalten bleiben können. In den gewöhnlichen Chondriten treten SRO unabhängig vom Chondrit-Typ und petrologischen Typ auf. Deren Modalbestand liegt unter 1 Vol.%. Die SRO können in zwei Typen unterteilt werden: Der Typ 1 hat meist eine SiO2-Pyroxen Paragenese. Entmischungsstrukturen wie in den SRO der CH-Chondrite können nur selten beobachtet werden und sind dann meist unvollständig. Die chemische Gesamt-Zusammensetzung dieser SRO ist vergleichbar mit denen der CH-Chondrite, mit verarmten refraktären Elementen bis zu 0.2 x gewöhnlicher H-Chondrit. Ebenso sind diese SRO in volatilen Elementen verarmt. Die Si/Mg-Verhältnisse sind fraktioniert, mit 1 - 2 x H-Chondrit. Das SiO2 ist meist Cristobalit oder Tridymit. Der Tridymit tritt in verschiedenen Varietäten auf. Aufgrund vieler ähnlicher Merkmale dieser SRO mit denen der CH-Chondrite ist eine gleiche Entstehung wie diese wahrscheinlich. Der Typ 2 repräsentiert eine Sammelgruppe, unter die alle anderen SRO und SRO-ähnlichen Objekte in den gewöhnlichen Chondriten fallen. Das wichtigste Ergebnis meiner Untersuchungen ist der Nachweis einer fraktionierten Kondensation, die sowohl in Komponenten der kohligen wie auch der gewöhnlichen Chondriten beobachtet werden kann. Als Schlussfolgerungen ergeben sich daraus: (1) Viele der kohligen Chondrite haben eine Matrix mit erhöhtem Si/Mg-Verhältnis und ähneln darin den SRO. Vermutlich entstand das Matrix-Material ebenfalls durch fraktionierte Kondensation. Bei einigen Chondriten wurde dieses in den Chondren-Bildungsprozess mit einbezogen und bildete dabei die SRO, in anderen blieb es dagegen unverändert als Matrix-Material erhalten. (2) Theorien, nach denen der solare Nebel nie heiß war, sondern eine kalte Mischung interstellarer Materie werden durch die fraktionierte Kondensation, die ehemals hohe Temperaturen erfordert, eindeutig widerlegt.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language The formation of SiO2-rich phases in the early solar system English
Translated abstract:	Abstract Language In my thesis I am investigating the formation of SiO2-rich objects (SRO) in chondritic meteorites (à chondrites). These phases are not expected in chondrites from current models of the early solar system. Nonetheless a few carbonaceous chondrites - especially the CH-chondrites - and some ordinary chondrites have components containing free SiO2. This unexpected occurrence is subject of this thesis. I analyzed the SRO using electron microprobe and secondary ion mass spectrometer to determine the chemical composition and micro-Raman technique as well as transmission electron microscope to analyze SiO2-polymorphism. In the carbonaceous chondrites the SRO occur only in the CH- and CR-types - beside some exceptions. The SRO appear as chondrules or fragments and they have a modal abundance of ~0.1 vol.%. Their parageneses are constituted by SiO2 and a near pyroxene-normative silicate. These two phases show an immiscibility texture with either SiO2 forming spherules within the silicate or vice versa. The SRO are depleted in refractory elements, down to 0.015 x CI. The same is true for rare earth elements, which have flat and unfractionated patterns. The Si/Mg-ratio is highly fractionated with 3 - 4 x CI. The SRO are also depleted in volatile elements, however, two SRO-chondrules have very high Mn-concentrations, although the CH-chondrites are the most depleted chondrites with respect to bulk Mn-concentrations among all types of chondrites. One of these chondrules contains pyroxenes with the highest Mn-concentrations (6.68 wt.%) reported so far from a meteorite. The SiO2 appears mainly as glass or as the high-temperature polymorphs cristobalite or tridymite. The formation of the SRO occurred in two steps: In the first step the SRO-precursors formed late during fractional condensation, and in the second step these precursors were reheated to >1968 K and subsequently rapidly cooled. Fractional condensation means mainly that olivine as the first condensate at high temperatures does not react with the SiO(g) in the nebular to form pyroxene during cooling. As a consequence the nebular gets enriched in SiO(g). The subsequent condensation of pyroxene further enriches the nebular in SiO(g). In addition the nebular will be enriched in volatile elements like Mn. As late condensates SiO2 and Mn-rich precursors can form. A unique object documents this fractional condensation. This is zoned, with olivine in the core, surrounded by a layer of pyroxene and FeNi-metal and free SiO2 in the outermost rim. After condensation all material - mainly olivine and pyroxene - agglomerated to precursors, thereby occasionally forming precursors with unusual high SiO2 and/or moderately volatile elements like Mn. Temperatures during reheating raised up to >1968 K, where the SRO reached the liquid immiscibility gap in the system MgO- SiO2-FeO. There the present texture of the SRO formed, with blebs of one phase within the other. The high-temperature polymorphs of SiO2 document rapid cooling after reheating; otherwise these polymorphs could not have been preserved in a metastable state. The SRO in ordinary chondrites occur independent from chondrite type and petrologic type. Their modal abundance is below 1 vol.%. These SRO can be subdivided into two classes: (1) Type 1-SRO are characterized by a SiO2-pyroxene paragenesis. Immiscibilities from one phase within the other like in CH-chondrites can only sparsely be observed and if, immiscibility is not well defined. The chemical bulk compositions are quite similar to the SRO in CH-chondrites. Refractory elements are depleted to about 0.2 x ordinary H-chondrite. The Si/Mg-ratio is elevated to about 1 - 2 x H-chondrite. The SiO2 is mostly cristobalite and tridymite, with tridymite occurring in different varieties. The similarities between SRO in CH- and ordinary chondrites points to the same formation mechanism. (2) The type 2-SRO summarizes all other SRO or SRO-like objects within ordinary chondrites. The most important result of my thesis are the undoubtedly evidences for fractional condensation within the carbonaceous and ordinary chondrite formation regions. The conclusions, which can be drawn from this are: (1) Most of the carbonaceous chondrites have matrices with elevated Si/Mg-ratios similar to SRO bulk compositions. Therefore this matrix materials probably also formed late during fractional condensation. Within some chondrite forming regions these matrix materials were subsequently part of the chondrule-forming event, thereby producing SRO, but in other regions these materials were not affected by the chondrule-forming event, solely forming unprocessed matrix. (2) Some theories favor a nebular that was never hot, instead all precursor material was a homogeneous, cold mix of interstellar matter. These theories can now be abandoned, because fractional condensation requires an once hot nebular. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Hezel, Dominik d.hezel@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-10234
Date:	2003
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Ehemalige Fakultäten, Institute, Seminare > Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Institut für Mineralogie und Geochemie
Subjects:	Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Meteorite, SiO2, Raman, Kosmochemie, Sonnensystem German meteorites, SiO2, raman, cosmochemistry, solar system English
Date of oral exam:	11 November 2003
Referee:	Name Academic Title Palme, Herbert Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1023