Universität zu Köln

Die Erde ist der einzige uns bekannt Planet auf dem es Leben gibt. Da es die geologischen Prozesse waren, die die Erde zu einem bewohnbaren Planeten geformt haben, ist das Verständnis der frühen geodynamischen Erdgeschichte von zentraler Bedeutung. Gerade jedoch die frühen geodynamischen Prozesse des Hadaikums bleiben noch immer rätselhaft, da selbst die ältesten Gesteine der Erde das Eoarchaikum nicht überschreiten und somit mehr als 500 Ma hadaischer Erdgeschichte nicht länger erhalten sind. Um diese frühen Prozesse dennoch zu entschlüsseln haben sich indirekte Methoden bewährt. Variationen in der Isotopenzusammensetzung von kurzlebigen Zerfallssystemen wie 129I- 129Xe, 146Sm-142Nd, oder 182Hf-182W haben starke Belege geliefert, dass bereits im Hadaikum geodynamische Prozesse (z.B. Silikat Differenzierung) abliefen. Nachweise für geodynamische Prozesse im Hadaikum sind auch durch die beiden langlebigen Zerfallsreihen 176Lu-176Hf und 147Sm-143Nd gesichert, die eine aktive und komplexe Geschichte der jungen Erde belegen. Die Belege für eine so lebhafte frühe planetare Entwicklung finden sich jedoch nicht nur auf der Erde, sondern auch auf unserem nächsten Nachbarn, dem Mond. Obwohl die Mondforschung der letzten Jahrzehnte zeigen konnte, dass Erde und Mond von sehr ähnlichem Material akkretierten, bleibt die Frage nach einer chondritischen Zusammensetzung für diese beiden planetaren Körper noch immer hochumstritten. Diese Studie untersucht die Differenzierungsgeschichte des frühen Erde-Mond Systems. In drei Kapiteln werden Isotopenzusammensetzungen für verschiedene kurz- und langlebige Zerfallsreihen für 3.53 bis 2.63 Ga archaische Gesteine vom Pilbara Kraton in NW Australien (138La-138Ce, 147-143Nd und 176Lu-176Hf, Kapitel I), ~3.8 bis 2.0 Ga Gesteine aus SW Grönland (147,146Sm-143,142Nd und 176Lu-176Hf, Kapitel II) und 4.4 bis 3.1 Ga Mondgesteine (138La-138Ce und 147Sm-143Nd, Kapitel III) berichtet. In den Gesteinen des Pilbara Kratons sind Ce-Nd-Hf Isotope stark gekoppelt und ähneln in ihrer Zusammensetzung denen aus rezenten Mantelgesteinen. Allerdings zeigen ein paar ultramafische Gesteine entkoppelte Hf-Nd Isotopenzusammensetzungen in denen stark erhöhte εHf(i) aber nur moderate erhöhte ε143Nd(i) Werte beobachtet werden. Diese Arte der Entkopplung ist gegensätzlich zu der die in Isua Gesteinen aus SW Grönland beobachtet wird, wo ε143Nd(i) Werte stark streuen, εHf(i) Werte jedoch konstant sind. Um den Ursprung dieser Entkopplung besser zu verstehen, werden Spurenelement und Hf-Nd-(Ce) Isotopenmodellierungen durchgeführt. Für beide Archaische Lokalitäten kann ein Perovskit-bezogener Ursprung innerhalb eines Magma Ozeans ausgeschlossen werden, da solche Perovskit Kumulate die Zusammensetzung an inkompatiblen Spurenelementen (REE, HFSE, Th und Ti) zu stark fraktionieren würden. (Kapitel I und Kapitel II). Im Pilbara Kraton wird die Entkopplung von Hf-Nd Isotopen eher durch das Beimischen von Granat-verarmte Schmelzresiduen in den aufsteigenden Mantelplume hervorgerufen, die hohes Potential haben, das 176Lu-176Hf vom 147Sm-143Nd Zerfallssystem zu fraktionieren. Im Gegensatz dazu waren in der Isua Region wahrscheinlich Slab-Schmelzen für die Entkopplung von Hf-Nd Isotopen verantwortlich. Darüber hinaus wird eine neue analytische Methodik beschrieben, die die Abtrennung und Messung von massenunabhängigen und radiogenen Nd Isotope in ultra-hoher Präzision an einer Thermo Finnigan Neptune Plus® MC ICP-MS ermöglicht (Kapitel II). Diese neue analytische Methodik wird and gut charakterisierten ~3.8 bis ~3.4 Ga Gesteinen des Isua suprakrustalen Grünsteingürtels angewendet. Die hier beobachteten 142Nd/144Nd Isotopen Zusammensetzungen zeigen eine hervorragende Übereinstimmung mit bereits publizierten Literaturdaten und validieren unsere neue analytische Methodik. Darüber hinaus ist diese Studie die erste die es schafft kleine 142Nd/144Nd Isotopenunterschiede zwischen den ~3.8 und ~3.7 Ga Gesteinen auflösen zu können. Ein generelles Abnehmen an μ142Nd Anomalien zwischen ~3.8 bis 3.4 Ga wird als Homogenisierung durch den darunter liegenden Mantel interpretiert, der keine μ142Nd Anomalien aufweist und vermutlich die Durchschnittszusammensetzung der Erde hatte. Um die Zusammensetzung des Erde-Mond Systems besser zu bestimmen werden 147Sm-143Nd und 138La-138Ce Isotopensystematiken sowie Spurenelementzusammensetzungen von Mondgesteinen untersucht (Kapitel III). Generell schneidet keiner der fehlerfortgepflanzten Ce-Nd Isotopen Arrays die chondritische Zusammensetzung, was für eine nicht-chondritische Zusammensetzung des Mondes spricht. Kombinierte Hf-Nd-Ce Isotopen- sowie Spurenelement-Modellierungen, die auch 176Lu-176Hf und 147Sm-143Nd Systematiken aus Literaturdaten miteinbeziehen, zeigen, dass der Mond in seiner inkompatiblen Spurenelementzusammensetzung verarmt sein muss. Allerdings muss der Grad der Verarmung deutlich geringer sein als in bisherigen Modellen postuliert. In einem nächsten Schritt werden die Ce-Nd Isotopenzusammensetzungen von nahezu gleichaltrigen 3.3±0.25 Ga Gesteinen der Pilbara (Kapitel I) und Kaapvaal Kratons verglichen. Diese Studie enthüllt, dass auch terrestrische fehlerfortgepflanzte Arrays nicht die chondritische Zusammensetzung schneiden. Dafür zeigen der lunare und terrestrische Array einen gemeinsamen Schnittpunkt der von der hier modellierten Zusammensetzung des Mondes ununterscheidbar ist. Das wird als Beleg interpretiert, dass nicht nur der Mond, sondern auch die Erde leicht verarmt sein muss. Diese Erkenntnis hat weitreichende Konsequenzen und erfordern eine Neubewertung von verarmten und primitiven Reservoiren und deren Massenbilanzen in terrestrischen krustalen und Mantelreservoiren.

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