Universität zu Köln

Braukmüller, Ninja (2019). Volatile element depletion in Earth and carbonaceous chondrites. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Volatile elements such as sulfur, zinc, indium and potassium are depleted relative to the Sun in all known inner solar system materials, including Earth, Mars, Moon and differentiated and undifferentiated meteorites. The Sun comprises 99.8 wt.% of our solar system and is thus representative of its chemical composition. CI chondrites are the only meteorites with an extremely similar chemical composition as the Sun for non-atmophile elements and therefore serve as a reference in cosmochemical studies. The degree of volatile element depletion is different between and even within groups of meteorites and planetary bodies, indicating complex fractionation processes. In this work, volatile element abundances in carbonaceous chondrites are studied to elucidate volatile element fractionation processes in the solar nebula and to assess the potential of volatile element depletion patterns as tracers for planetary building blocks. Furthermore, an analytical protocol for the precise determination of volatile element abundances in geological materials is presented. Carbonaceous chondrites are primitive material sampling the solar nebula. They are made of two main components (i) chondrules, µm- to mm-sized silicate melt droplets and (ii) matrix, an unequilibrated assemblage of extremely fine-grained minerals. Carbonaceous chondrites are the meteorites that are least depleted in volatile elements. In Chapter 2, data for the bulk chemical composition of 27 carbonaceous chondrites of different groups analyzed via sector-field inductively-coupled-plasma mass-spectrometry (SF-ICP-MS) are presented. All studied chondrites show the same characteristic “hockey stick” volatile element depletion pattern, where volatile elements with 50% condensation temperatures between 800 and 500 K are equally depleted relative to CI chondrites. The relative abundances of these ‘plateau volatile elements’ are characteristic for each group and covariate with the matrix abundances of the respective host chondrites. Hence, all carbonaceous chondrites likely contain a CI-like matrix component which accounts for the majority of volatile elements. The same “hockey stick” volatile element depletion pattern is observed for the Earth. The silicate Earth exhibits a more fractionated volatile element depletion pattern because core formation led to the redistribution of elements according to their geochemical characters. However, lithophile plateau volatile elements (zinc, indium, chlorine, bromine and iodine) are unfractionated from each other relative to CI chondrites. This abundance plateau accounts for the disputed high abundance of In in the silicate Earth without the need of exotic building blocks or secondary volatile loss and suggests the accretion of 10-15 wt.% CI-like material before core formation ceased. Finally, the newly recognized hockey stick volatile element depletion pattern allows more accurate estimates of volatile element abundance in the core and bulk Earth, which are provided in Chapter 3. Terrestrial basalts and mantle rocks, lunar rocks and achondrites are much more depleted in volatile elements than carbonaceous chondrites. Abundances of volatile elements in these rocks can only be determined precisely after the addition of enriched isotope tracers and chemical separation. Chapter 4 comprises a new analytical protocol for the determination of copper, zinc, gallium, silver, cadmium, indium, tin and thallium mass fractions via isotope dilution ICP-MS. Results for 21 reference materials of different lithologies and three carbonaceous chondrites are presented and discussed. The results for Orgueil CI1, Murchison CM2 and Allende Smithsonian CV3 are in good agreement with bulk chemical analyses obtained in Chapter 1.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Das gesamte bekannte Material des inneren Sonnensystems, einschließlich der Erde, des Mondes, des Mars sowie der differenzierten und primitiven Meteoriten, ist relativ zur Sonne verarmt an volatilen Elementen, wie Schwefel, Zink, Indium und Kalium. Die Sonne umfasst 99,8 % der Masse unseres Sonnensystems und ist somit repräsentativ für die chemische Zusammensetzung des gesamten Sonnensystems. CI Chondrite sind die einzigen Meteorite, die für nicht-atmophile Elemente eine sehr ähnliche Zusammensetzung wie die Sonne haben. Deshalb dienen sie in kosmochemischen Untersuchungen als Referenz für die chemische Zusammensetzung des Sonnensystems. Die Verarmung an volatilen Elementen ist in den verschiedenen Meteoriten und planetaren Körpern unterschiedlich stark ausgeprägt, was auf komplexe Fraktionierungsprozesse hindeutet. In dieser Arbeit wird die Verarmung volatiler Elemente in kohligen Chondriten untersucht, um Fraktionierungsprozesse im solaren Nebel besser zu verstehen und das Potential von Verarmungsmustern zur Charakterisierung planetarer Bausteine zu beurteilen. Weiterhin wird ein analytisches Protokoll für die präzise Bestimmung der Massenanteile volatiler Elemente in geologischen Materialien vorgestellt. Kohlige Chondrite sind Überbleibsel des solaren Nebels und repräsentieren somit ursprüngliches Material aus unserem Sonnensystem. Sie bestehen hauptsächlich aus zwei Komponenten: (i) Chondren, µm-mm große silikatische Schmelztröpfchen und (ii) Matrix, eine unequilibrierte Mischung aus extrem feinkörnigen Mineralen. Kohlige Chondrite zeigen die geringste Verarmung an volatilen Elementen aller bekannten Materialien des inneren Sonnensystems. In Kapitel 2 wird die chemische Zusammensetzung von 27 kohligen Chondriten aus unterschiedlichen Gruppen präsentiert. Die Daten wurden mittels Sektorfeld ICP-MS gemessen. Alle analysierten kohligen Chondrite zeigen den selben charakteristischen „Hockeyschläger“ Verarmungstrend für volatile Elemente. Volatile Elemente mit 50% Kondensationstemperaturen zwischen 800 und 500 K sind relativ zu CI Chondriten gleich stark verarmt. Die relative Häufigkeit dieser „Plateau-Elemente“ ist charakteristisch für die einzelnen Chondritgruppen und kovariiert mit dem Matrixanteil der Chondrite. Dementsprechend enthalten die analysierten kohligen Chondrite wahrscheinlich eine CI-ähnliche Matrixkomponente, die den überwiegenden Teil der volatilen Elemente enthält. Das gleiche „Hockeyschläger-Verarmungsmuster“ wird auch in der Erde beobachtet. Der silikatische Teil der Erde zeigt ein stärker fraktioniertes Verarmungsmuster als kohlige Chondrite, da durch die Kernbildung eine Umverteilung der Elemente gemäß ihrem geochemischen Charakter stattgefunden hat. Die lithophilen volatilen Plateau-Elemente (Zink, Indium, Chlor, Brom und Iod) treten, wie bereits in den kohligen Chondriten beobachte, in relativen CI-chondritischen Häufigkeiten auf. Dieses Häufigkeitsplateau bietet eine einfache Erklärung für die viel diskutierte hohe Indium Häufigkeit im silikatischen Teil der Erde ohne die Notwendigkeit von exotischen Bausteinen oder sekundärem Volatilverlust. Weiterhin deutet das Häufigkeitsplateau daraufhin, dass die Erde 10-15 Gew.% CI-ähnliches Material bereits vor Abschluss der Kernbildungsphase erhalten hat. Der neu entdeckte „Hockeyschläger-Verarmungstrend“ ermöglicht es die Häufigkeiten volatiler Elemente im Kern und der gesamten Erde besser abzuschätzen (Kapitel 3). Terrestrische Basalte und Mantelgesteine, Mondproben und Achondrite sind stärker an volatilen Elementen verarmt als kohlige Chondrite. In solchen Gesteinen können die Massenanteile volatiler Elemente nur nach der Zugabe von angereicherten Isotopentracern und chemischer Separation präzise bestimmt werden. Kapitel 4 enthält ein neues analytisches Protokoll für die präzise Bestimmung der Massenanteile von Kupfer, Zink, Gallium, Silber, Cadmium, Indium, Zinn und Thallium mittels Isotopenverdünnung und Q-ICP-MS. Ergebnisse für 21 Referenzmaterialien mit unterschiedlichen Lithologien und drei kohlige Chondrite werden präsentiert und diskutiert. Die hier bestimmten Massenanteile in Orgueil CI1, Murchison CM2 und Allende Smithsonian CV3 stimmen sehr gut mit den Gesamtgesteinsanalysen aus Kapitel 1 überein. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Braukmüller, Ninja n.braukmueller@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-104688
Date:	2019
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:	Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Volatile elements English carbonaceous chondrites English isotope dilution English
Date of oral exam:	5 December 2019
Referee:	Name Academic Title Wombacher, Frank PD Dr. Staubwasser, Michael Prof. Dr. Weyer, Stefan Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/10468