Universität zu Köln

Thiemens, Maxwell Marzban ORCID: 0000-0002-7835-4402 (2018). Isotope Planetology. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The quest for in-depth knowledge of the formation and early evolution of the Earth-Moon system is a cornerstone of the planetary sciences. Virtually all chemical studies that address these key questions rely on the availability of extremely ancient rock samples (>4 billion years ago). On Earth's surface, active plate tectonics, weathering, and volcanism have destroyed nearly all ancient samples. Samples from the Moon are sufficiently old but strongly limited in quantity and cover only a small portion of the lunar surface. The Moon is thought to have formed from the residue of an impact (or impacts) into the proto-Earth. There are two schools of thought as to when this occurred, one advocating an "old Moon" forming prior to 100 million years after solar system formation (SSF) and one supporting a "young Moon" forming later than 100 million years after SSF. This debate and the clear definition of the processes involved have continued unabated for the 50 years since lunar samples were first returned by the Apollo missions. A key to deepening our knowledge of these issues resides in understanding the extinct 182Hf-182W decay system in lunar and terrestrial rocks. To address this question, we analyzed a suite of 29 lunar samples from the Apollo missions to better understand the elemental Hf and W budgets of the moon. We used new high-precision, high field strength element (HFSE) analyses, combined with isotopic and experimental partitioning data in line with the lunar magma ocean (LMO) model. Through these methods it is possible to observe lunar mantle-wide heterogeneities in ratios of highly incompatible elements such as U/W, which are traditionally assumed to be invariant. This observation, in conjunction with 182W isotope data for lunar rocks, supports the hypothesis of a Moon covered by a magma ocean after its formation. Crystallization and mixing of this LMO produced different hybrid cumulate sources; thus forming the sources of the distinct rock types found in the lunar sample suite. Under the low oxygen fugacity conditions during lunar mantle partial melting, the low-Ti mare basalt source preferentially retains tungsten (W) over hafnium (Hf). The measured Hf/W values of low-Ti mare basalts thus provide a minimum for the Hf/W of the low-Ti source and by extension of the silicate Moon. We find that the Hf/W of the silicate Moon should lie between 30 to 50, significantly higher than the silicate Earth's modeled Hf/W of 25.8. Combined with a recently reported “global, uniform” 182W excess in lunar samples, we find that in-situ decay of 182Hf, in the time range between 40 to 60 million years after SSF is a superior explanation of the lunar 182W excess instead of a previously suggested disproportionate “late accretion” of extraterrestrial material to the Moon and the Earth. Our finding lends clear support for an "old Moon." We expanded our work on lunar samples to include the KREEP-rich gabbroic meteorite Northwest Africa (NWA) 6950. This meteorite yields new insight into the history of the KREEP reservoir which formed as the final residual melt of the LMO. A previous study had dated the meteorite to 3100 million years ago through Pb-Pb dating of baddeleyite grains. This marks the NWA 6950 meteorite to be the youngest KREEP-like sample available and thus decisive for constraining lunar evolution. We obtained Lu-Hf, Sm-Nd, and Rb-Sr mineral isochrons for this meteorite. Through Lu-Hf dating we found an age of 3103 ± 39 million years ago, perfectly overlapping the Pb-Pb age and underpinning the significance of this meteorite’s isotope systematics to anchor the evolution of KREEP. A Sm-Nd isochron of clean, hand-picked minerals yielded a compatible age of 3052 ± 57 million years ago. Inclusion of all mineral fractions that might have suffered later disturbance yields a young Sm-Nd isochron age of 2900 ± 200 million years ago that is closely akin to previous ages found via Ar-Ar (2800), Rb-Sr (2900), and Sm-Nd (2900) which dates younger resetting. In addition, the Rb-Sr isochron provides an even younger age of ca. 1450 million years ago, although this may bear no geological relevance. The significance of finding these young ages becomes clear considering that several Sm-Nd and Rb-Sr studies aimed to date related meteorites whose history might thus have been characterized incorrectly. The initial εHf of NWA 6950 is the youngest anchor of the KREEP evolution line, from which we determined a time of KREEP formation at 4514 million years ago, or ca. 55 million years after SSF. We therefore found, through an entirely different line of research, independent support for an "old Moon" formation. To calibrate this methodology, we investigated multiple peridotites from the West Eifel volcanic field of Germany that exhibit similarly low abundances of Lu, Hf, Sm, Nd, Rb, and Sr. For this project, three different ion exchange separation techniques were investigated as part of the calibration. Mineral isochrons of Lu-Hf, Sm-Nd, and Rb-Sr all provided a functionally modern age, indicative of a resetting event during the Quaternary. We also found that whole rock, host rock, and mineral compositions argue against equilibration of the host magma and the peridotite xenoliths. The observation that whole rock samples plot off the horizontal isochrons, in contrast, is explained by melt infiltration and grain boundary entrainment which likely postdated the resetting of the isochrons. One peridotite examined in a companion study supervised by myself (M.M. Thiemens) yielded four distinct ages. The Lu-Hf system was reset by a Quaternary age event, while the Hf isotope signature was highly radiogenic, indicative of differentiation from a modern mantle source between 1.22 and 1.76 Ga. Rb-Sr isochron data yielded an age of ca. 635 Ma, and a Sm-Nd age of 235 Ma corresponds with regional uplift. Our findings reveal that fine scaled isotope investigations are potent tools to unravel evolutionary complexities. The wealth of fine scaled information gained from the Eifel peridotite xenoliths once again underlines the stark contrast between the extremely dynamic evolution of the Earth’s lithosphere and mantle when compared to the largely static lunar evolution following LMO crystallization.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Isotope Planetologie German
Translated abstract:	Abstract Language Ein tiefgreifendes Verständnis der Geschichte und Entwicklung des Erde-Mond Systems ist eine wesentliche Grundlage der Planetenwissenschaften. Die Verfügbarkeit von sehr alten Gesteinsproben (> 4 Milliarden Jahre) ist eine wichtige Voraussetzung für alle chemischen Studien, die sich dieser Thematik zuwenden. Verwitterung, Vulkanismus, sowie Plattentektonik zerstörten nahezu all solche alten Proben auf der Erdoberfläche. Proben vom Mond sind zwar ausreichend alt, jedoch stark limitiert und nur von wenigen Probenlokalitäten der Mondoberfläche verfügbar. Es wird angenommen, dass sich der Mond aus den Resten eines oder mehrerer Impakte mit der frühen Erde gebildet hat. Es koexistieren zwei Lehrmeinungen darüber wann dieses Ereignis stattfand. Die Denkschule der „old moon“ Fraktion vertritt die Ansicht, dass sich der Mond ca. 50 Millionen Jahre nach Entstehung des Sonnensystems bildete, wohingegen Verfechter der „young moon“ Fraktion 100 Millionen Jahre für realistischer halten. Die Diskussion über den Zeitpunkt der Mondentstehung sowie über die dabei beteiligten Prozesse dauern unvermindert an, seit vor ca. 50 Jahren die ersten Mondproben zur Erde gebracht wurden. Ein Zugang zu mehr Erkenntnissen bzgl. beider Prozesse liegt im Verständnis des ausgestorbenen 182Hf – 182W Isotopensystems in lunaren sowie terrestrischen Gesteinen. Um dieser Frage nachzugehen, analysierten wir eine Suite von 29 Mondproben der Apollo Missionen auf ihren Gehalt an den Elementen Hf und W. Unsere hoch-präzisen Messungen der HFSE Elemente (high field strength elements – Elemente hoher Feldstärke) in Kombination mit Isotopendaten sowie experimentell ermittelten Verteilungskoeffizienten ist in Einklang mit dem lunar magma ocean (LMO) Modell. Unsere Untersuchungen offenbaren, dass Elementverhältnisse inkompatibler Elemente, wie etwa U/W, im Mantel des Mondes variieren. Diese Elementverhältnisse werden traditionellerweise als invariant erachtet. Diese Beobachtung, zusammen mit Isotopendaten für 182W an Mondgesteinen, unterstützen die These eines Mondes, der nach seiner Entstehung von einem Magmaozean bedeckt war. Durch Kristallisation sowie Mischungsprozesse innerhalb dieses Magmaozeans entstanden unterschiedliche Kumulate; diese stellten die Quelle der verschiedenen Gesteinstypen dar, welche uns heute vorliegen. Für die Quelle von low-Ti Basalten zeigt sich, dass aufgrund der reduzierten Bedingungen, welche auf dem Mond vorherrschen, beim partiellen Aufschmelzen W gegenüber Hf zurückgehalten wird. Die gemessenen Hf/W Verhältnisse der low-Ti Basalte ermöglichen daher Minimalabschätzungen über das Hf/W Verhältnis der Mantelquelle, sowie das des Gesamtsilikat – Monds. Unseren Berechnungen zufolge liegt das Hf/W Verhältnis des Gesamtsilikat – Monds zwischen 30 und 50, und damit signifikant über dem modellierten Hf/W Verhältnis von 25.8 für die Gesamtsilikat – Erde. Unter Annahme eines einheitlichen 182W Exzesses des Mondes, wie in jüngsten Publikationen postuliert, ist der in-situ Zerfall von 182Hf im Zeitraum zwischen 40 und 60 Millionen Jahre nach Entstehung des Sonnensystems eine bessere Erklärung für die 182W Exzesse, als die zuvor proklamierte ungleichmäßige Akkretion extraterrestrischen Materials für Erde und Mond. Unsere Erkenntnisse sind daher ein eindeutiger Beleg für einen „alten Mond“. Wir erweiterten unsere Studien an Mondgesteinen um einen gabbroiden Mondmeteoriten vom Typ KREEP-rich aus der Gruppe northwest Africa (NWA) 6950. Dieser Meteorit ermöglicht neue Erkenntnisse über das KREEP Reservoir welches sich während der finalen Phase des LMO gebildet hat. Eine vorherige Studie bestimmte das Alter unter Anwendung der Pb-Pb Datierung an Baddeleyit auf 3100 Millionen Jahre. Dieses Alter belegt, dass es sich beim NWA 6950 Meteoriten um die jüngste verfügbare KREEP ähnliche Probe handelt und impliziert, dass sie für das Verständnis der Mondentwicklung von besonderer Bedeutung ist. Wir erstellten Lu-Hf, Sm-Nd, sowie Rb-Sr Mineralisochronen für diesen Meteoriten. Mittels Lu-Hf Datierung erhielten wir ein Alter von 3103 ± 39 Millionen Jahren, welches perfekt mit den Pb-Pb Altern übereinstimmt und die große Bedeutung der Isotopensystematik dieses Meteoriten herausstellt, da er als Ankerpunkt für die Entwicklung des KREEP Reservoirs dient. Eine Sm – Nd Isochrone von handgepickten einschlussfreien Mineralseparaten ergab ein konsistentes Alter von 3052 ± 57 Millionen Jahren. Unter Berücksichtigung aller Mineralfraktionen, welche sekundärer Alteration ausgesetzt worden sein könnten, ergibt ein jüngeres Sm – Nd Isochronen Alter von 2900 ± 200 Millionen Jahren, welches Altern ähnelt die zuvor durch Ar-Ar (2800), Rb-Sr (2900), sowie Sm-Nd (2900) erhoben wurden und ein resetting Ereignis datieren. Alter für Rb-Sr ergaben in dieser Studie sogar ein noch jüngeres Alter von ca. 1450 Millionen Jahren, welches sehr unwahrscheinlich ist. Die Bestimmung dieser jungen Alter ist von weitreichender Bedeutung, da viele Sm-Nd sowie Rb-Sr Studien an Meteoriten die Absicht hatten diese zu datieren und zu korrelieren, die Geschichte aber falsch rekonstruiert worden sein könnte. Das initiale εHf von NWA 6950 ist der jüngste Ankerpunkt der KREEP Entwicklungslinie , durch die wir den Zeitpunkt der KREEP – Bildung auf 4514 Millionen Jahre beziffern, bzw. auf 55 Millionen Jahre nach Entstehung des Sonnensystems. Durch diesen anderen analytischen Ansatz fanden wir einen weiteren unabhängigen Beleg für einen „alten Mond“. Um die Methode der Isotopen – Altersdatierung zu überprüfen, führten wir Messungen an mehreren Peridotiten aus dem Vulkanfeld der West Eifel durch, welche ähnlich geringe Häufigkeiten an Lu, Hf, Sm, Nd, Rb sowie Sr aufweisen. Für die Separation dieser Elemente benutzten wir drei unterschiedliche chromatographische Abtrennverfahren. Mineral – Isochronen für Lu – Hf, Sm – Nd, sowie Rb – Sr ergaben moderne Alter, welche eine vulkanische Aktivität bzw. ein resetting der Isotopensysteme im Quartär bezeugen. Weiterhin zeigt die Zusammensetzungen der Minerale, des Gesamt- sowie Umgebungsgesteins, dass sich zwischen Peridotit Xenolithen und dem Umgebungsgestein kein chemisches Gleichgewicht einstellte. Dass das Gesamtgestein nicht auf der horizontalen Mineralisochrone liegt, deutet darauf hin, dass es zu einem späteren Zeitpunkt zur Infiltration von Schmelze sowie zu Bildung von Schmelzeinschlüssen an Korngrenzen kam. Ein Peridotit, welcher in einer von mir (M.M. Thiemens) betreuten Begleitstudie untersucht wurde, ergab vier voneinander abweichende Alter. Durch ein quartäres Ereignis wurde das 176Lu – 176Hf System zurückgesetzt, wohingegen eine besonders radiogene Hf Isotopensignatur eine Differentiation vom Mantel bezeugt, die sich zwischen 1.22 und 1.76 Milliarden Jahren vollzog. Isochronen für Rb – Sr ergeben ein Alter von ca. 635 Ma. Das Isochronenalter von 235 Ma für Sm – Nd fällt zeitlich mit regionalen Hebungsprozessen zusammen. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen auf, dass durch hochauflösende Isotopenstudien komplexe Entwicklungen nachgezeichnet werden können. Das Vermögen der kleinräumigen Erkenntnisse, welche in unserer Studie zu den Peridotit Xenolithen der Eifel gewonnen wurden, verdeutlicht einmal mehr den großen Unterschied zwischen dem dynamischen System Lithosphäre – Mantel der Erde, und der vergleichsweise statischen Entwicklung des Mondes nach Kristallisation des Magmaozeans. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Thiemens, Maxwell Marzban maxwellmt@gmail.com orcid.org/0000-0002-7835-4402 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-104630
Date:	11 November 2018
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute of Geology and Mineralog
Subjects:	Natural sciences and mathematics Chemistry and allied sciences Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Planetology, Isotopes, Moon, Lunar, Eifel, Peridotite, Isochron, Planetary Formation, Meteorite, Tungsten, Hafnium, Lutetium, NWA 6950, Lunar Magma Ocean English UNSPECIFIED English UNSPECIFIED English
Date of oral exam:	11 January 2019
Referee:	Name Academic Title Münker, Carsten Prof. Dr.
Funders:	ERC grant 669666 ‘Infant Earth’, DeutscheForschungsgemeinschaft (DFG) Projekt no. 213793859 (SP 1385/1-1 to Peter Sprung)
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/10463