Universität zu Köln

Studien über die Hauptelement-, Spurenelement- und Isotopenzusammensetzung von terrestrischen und extraterrestrischen Materialien trugen entscheidend zum Verständnis der Entstehung und Chronologie des Sonnensystems, planetarer Körper und der Erde bei. Insbesondere kurzlebige radioaktive Isotopensysteme sowie 182Hf-182W und 146Sm-142Nd sind aufgrund ihrer relativ kurzen Halbwertszeiten von ungefähr 9 sowie 100 Millionen Jahren interessant, da diese magmatische Prozesse dokumentieren, die während der ersten 60 und 500 Millionen Jahre nach Entstehung des Sonnensystems stattgefunden haben. Magmatische Prozesse, welche vermutlich zu Variationen in der Isotopenhäufigkeit von 182W und 142Nd führten, sind (i) die Bildung des Erdkerns, (ii) die Bildung einer Protokruste sowie (iii) die Kristallisation des Magmaozeans. Variationen der Isotopenhäufigkeit von 182W und 142Nd wurden auch in archaischen und sogar modernen Gesteinen identifiziert. Es gibt keinen Konsens, welcher der genannten Prozesse zu den Isotopenvariationen geführt hat und es besteht auch die Möglichkeit, dass mehrere Prozesse dazu beigetragen haben. Aufgrund analytischer Schwierigkeiten wurden meist nur einzelne kurzlebige Isotopensysteme untersucht, wodurch die unterschiedlichen Modelle nur begrenzt getestet werden konnten. Obwohl innerhalb der letzten 10 Jahre vermehrt Studien publiziert wurden, welche mehrere kurzlebige sowie langlebige Isotopensysteme untersuchten, gibt es nur wenige, welche sowohl 182W als auch 142Nd an denselben Gesteinsproben untersuchten. Weiterhin sind kaum Gesteine zwischen dem späten Archaikum und Phanerozoikum (ein Zeitraum von 2.5 Mrd. Jahren) für 182W und 142Nd untersucht worden, wodurch das Verständnis über die Entwicklung von hadaischen Reservoiren auf der Erde unvollständig ist. Zur Aufklärung der Entstehung der 182W- und 142Nd-Variationen in terrestrischen Gesteinen und der Entwicklung von hadaischen Reservoiren über die Erdgeschichte, wurden neue Daten kurzlebiger und langlebiger Isotopensysteme sowie von Haupt- und Spurenelementen an terrestrischen Gesteinen erhoben. Durch die Untersuchung von Gesteinen vom Kaapvaal Kraton, Yangtze Kraton, Pilbara Kraton, Westafrika Kraton, und des Dekkan Trapp mit Altern zwischen 3.2 Mrd. Jahren und 66 Mio. Jahren wurde die Lücke in der derzeitigen Datenlage teilweise gefüllt. Die neu erhobenen 182W- und 142Nd-Daten für Gesteine des etwa 66 Mio. Jahre alten Dekkan-La Réunion Mantel Plumes (Kapitel 1) konnten eine vorherige postulierte Korrelation zwischen µ182W und µ142Nd nicht bestätigen, obwohl die µ182W-Daten eine große Variabilität aufweisen. Allerdings konnten zwischen Probengruppen mit unterschiedlichen µ182W-Zusammensetzungen unterschieden werden. Dabei wies eine Probengruppe, welche durch Assimilation von krustalem und lithosphärischem Mantelmaterial beeinflusst wurde, µ182W-Werte von -4.2 ± 3.0 auf, die im Fehler identisch sind mit Gesteinen von La Réunion. Eine weitere Probengruppe mit einer asthenospherischen Zusammensetzung besitzt niedrigere µ182W-Werte von -10.1 ± 2.6 sowie niedrigere 206Pb/204Pb-Werte als vulkanische Gesteine von La Réunion. Diese Isotopenvariationen zwischen den Probengruppen des Dekkan-La Réunion Plumes deuten auf eine zeitliche Entwicklung von µ182W hin, welche durch unterschiedliche Proportionen einer hadaischen mafischen Protokruste in der Quelle des Mantel Plumes erklärt werden kann. Um zu testen, ob eine zeitliche Veränderung in der chemischen Zusammensetzung des unteren Erdmantels über die Erdgeschichte identifiziert werden kann, wurden proterozoische Flutbasaltprovinzen auf ihre µ182W-, µ142Nd-, 143Nd/144Nd-, und 176Hf/177Hf-Zusammensetzung sowie auf ihre Haupt- und Spurenelementzusammensetzung untersucht (Kapitel 2). Die untersuchten Basalte stammen von der 2.75 Mrd. Jahre alten Fortescue Gruppe (West Australien), der 2.4 Mrd. Jahre alten Ongeluk Formation (Südafrika), des 2.1 Mrd. Jahre alten Birrimian Terrains (Westafrika), und von skandinavischen Dikes (Süd- und Zentralschweden) mit Altern zwischen 1.6 und 0.9 Mrd. Jahren. Flutbasalte mit negativen µ182W-Werten sowie µ182W-Werten ähnlich dem oberen Mantel besitzen häufig auch auflösbare 142Nd-Defizite. Langlebige Isotopensysteme und Spurenelementzusammensetzungen deuten auf die Assimilation von krustalen sowie lithosphärischen Mantelmaterialien hin. Daher stellen die Variationen von µ182W und µ142Nd vermutlich nur Minimalwerte dar, welche in proterozoischen Flutbasalten gefunden werden können. Nichtsdestotrotz deuten die 182W- und 142Nd-Defizite auf das Vorhandensein eines hadaischen Silikatreservoirs hin, entweder ein Überbleibsel des terrestrischen Magmaozeans oder eine subduzierte mafische Protokruste. Die Entwicklung zu negativen µ182W-Werten kombiniert mit µ142Nd-Werten ähnlich denen des oberen Mantels in einigen dieser Basalte und moderner Ozeaninselbasalte könnte durch die stetige Subduktion von verarmter und dehydrierter ozeanischer Kruste erklärt werden, welche stärker an W verarmt ist als an Nd. Weiterhin könnte kontinuierlicher chemischer Austausch zwischen dem Erdkern und dem unteren Erdmantel die µ182W-Zusammensetzung über die Erdgeschichte hinweg zu negativeren µ182W-Werten geführt haben. Belege für die Homogenisierung des Erdmantels seit dem Hadaikum und spätestens seit dem Archaikum wurden durch frühere Studien aufgrund des Verschwindens der µ182W- und µ142Nd-Variationen über die Erdgeschichte hinweg erbracht. Allerdings gibt es bisher noch wenige Daten für das Proterozoikum, wodurch unser Verständnis über die Homogenisierung von hadaischen Isotopensignaturen im Erdmantel und -kruste unvollständig ist. Daher wurden neue µ182W- und µ142Nd-Daten für Sedimentgesteine vom Kaapvaal Kraton und Yangtze Kraton mit Altern von 3.2 bis 1.2 Mrd. Jahren erhoben (Kapitel 3). Diese Proben approximieren die Gesamtzusammensetzung von µ182W und µ142Nd der Kruste und indirekt des Mantels. Die neu-erhobenen 176Hf- und 143Nd-Modellalter der Sedimentgesteine stimmen mit den Depositionsaltern überein, was auf einen signifikanten Einfluss von juvenilen Materialien hindeutet. Überraschenderweise sind die neuen µ182W- und µ142Nd-Werte identisch mit dem modernen oberen Mantel und unterscheiden sich somit von vielen gleichaltrigen oder älteren magmatischen und teilweise sedimentären Gesteinen. Unter Berücksichtigung der neuen Daten sowie der Daten früherer Studien lässt sich ableiten, dass die durchschnittliche obere kontinentale Kruste und die damalige durchschnittliche Mantelquelle eine µ182W- und µ142Nd-Zusammensetzung ähnlich dem modernen oberen Mantel besaßen. Die µ182W- und µ142Nd-Variationen in magmatischen und Sedimentgesteinen können somit durch einen chemisch heterogenen Mantel und eine heterogene Kruste erklärt werden, welche viele kleinskalige Reservoire mit variablen µ182W- und µ142Nd-Zusammensetzungen besaßen. Wenn ein solches Mantelreservoir aufschmilzt oder ein solches Krustenreservoir die Sedimentgesteinszusammensetzung dominiert, können die Isotopenvariationen von magmatischen Gesteinen sowie von Sedimentgesteinen erklärt werden. Die in dieser Arbeit präsentierten Daten von Sedimentgesteinen als auch von vulkanischen Gesteinen, die durch den Einfluss eines Mantelplumes entstanden sind, deuten auf eine chemisch heterogene Erde vom Archaikum bis heute hin und erbringen somit neue wichtige Erkenntnisse über die Entwicklung von hadaischen Mantelreservoiren.

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