Universität zu Köln

Barosch, Jens ORCID: 0000-0002-0651-7348 (2020). Constraining chondrule formation conditions in ordinary, enstatite and Kakangari chondrites. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Chondrites are primitive meteorites made from two major components: chondrules, small rocky spherules, embedded within fine-grained matrix. Both components formed in the protoplanetary disk, however, their formation mechanisms are not well understood. There are two fundamental questions that have not yet been answered: what process(es) formed chondrules, and what is the genetic relationship between chondrules and matrix? The purpose of my thesis is to constrain the conditions of chondrule and matrix formation. To do so, I obtained a comprehensive dataset, containing petrographic and chemical data of chondrules and matrix in ordinary (OC), enstatite (EC) and Kakangari (K) chondrites. I used this dataset to examine the textural characteristics and bulk chemistries of chondrules. A large fraction of chondrules in all chondrites are mineralogically zoned. These chondrules have olivine cores, surrounded by low-Ca pyroxene rims. Average 2D fractions are high in carbonaceous chondrites (CC; 78%), intermediate in Rumuruti (R; 41%) and OC (39%), and rather low in EC (28%) and K chondrites (19%). Due to 2D sectioning effects, 3D zoned chondrule fractions are systematically higher by factor 1.24 in CC, 1.29 in OC and 1.62 in EC. These results show that mineralogically zoned chondrules are the dominant chondrule type in most chondrites. They formed when chondrule melts interacted with surrounding nebula gas, and material from the gas was added to the chondrules. By comparing the bulk compositions of chondrules that are mineralogically zoned with those that are not, I show that gas-melt interaction was a ubiquitous process during chondrule formation in all chondrites. This process explains the origin of chondrule textures and the large variability observed in chondrule bulk compositions. Recent studies identified chondrule-matrix complementarities as key characteristics of CC and R chondrites. Various element and isotope ratios are different in chondrules and matrix, but, at the same time, solar in the bulk meteorite. This requires joint formation of chondrules and matrix from a single solar reservoir. In this thesis, the study of complementarity was expanded to Kakangari chondrites. Chondrules, matrix and bulk Kakangari have identical (solar) Mg/Si ratios as a likely result of chondrule-gas interaction, as well as element exchange between chondrules and matrix during parent body metamorphism. While not strictly complementary, I show that Kakangari chondrules and matrix are genetically linked, thereby supporting the concept of complementarity. Another chapter of this thesis examines a unique compound object found in an ordinary chondrite. It consists of a barred olivine chondrule trapped within a large, Ca,Al-rich host object. The results indicate that this object could represent a macrochondrule that formed from collisions and merging of normal-sized chondrules. It might, therefore, provide first direct evidence for a genetic link between compound chondrules and macrochondrules. Major constraints for chondrule formation conditions were specified in this thesis: chondrules were open systems and interacted with their environment, and each other. Furthermore, chondrules and matrix are genetically linked and formed in a common reservoir. Any proposed model of chondrule formation must meet these constraints.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Chondrite sind primitive Steinmeteorite. Sie bestehen hauptsächlich aus Chondren, kleinen Silikatkügelchen, die in einer feinkörnigen Matrix eingebettet sind. Beide Komponenten bildeten sich im frühen Sonnensystem, aber ihre Entstehungsprozesse sind noch weitgehend unbekannt. Zwei grundlegende Fragen konnten bisher nicht beantwortet werden: Welcher Prozess bildete Chondren und in welcher genetischen Verbindung stehen sie zur Matrix? Die vorliegende Arbeit untersucht insbesondere Petrographie und chemische Zusammensetzung beider Komponenten in Gewöhnlichen (OC), Enstatit (EC) und Kakangari (K) Chondriten. Auf Grundlage der Ergebnisse sollen die Bildungsbedingungen von Chondren und Matrix eingegrenzt werden. Ein großer Teil der Chondren in allen Chondriten ist mineralogisch zoniert. Olivin befindet sich im Kern zonierter Chondren und wird von einem Pyroxenrand umschlossen. Zonierte Chondren (in 2D) kommen besonders häufig in kohligen Chondriten vor (CC; 78%), sind relativ verbreitet in Rumuruti (R; 41%) und OC (39%), und etwas seltener in EC (28%) und K Chondriten (19%). Aufgrund von Schnitteffekten in 2D Untersuchungen zeigte sich, dass zonierte Chondren deutlich häufiger sind, wenn Chondren in 3D untersucht werden. In 3D sind zonierte Chondren um den Faktor 1.24 häufiger in CC, um den Faktor 1.29 häufiger in OC und um den Faktor 1.62 häufiger in EC. Damit sind zonierte Chondren der dominante Chondren-Typ in Chondriten. Die mineralogische Zonierung bildete sich als aufgeschmolzene Chondren mit ihrer gasreichen Umgebung interagierten und dabei Material aus dem Gas aufnahmen. Beim Vergleich der Gesamtzusammensetzungen mineralogisch zonierter und unzonierter Chondren wird deutlich, dass die Interaktion von Chondren mit Gas ein wichtiger Prozess während der Chondrenbildung war. Die Entstehung verschiedener Chondren-Texturen und die große Bandbreite ihrer Gesamtzusammensetzungen lassen sich auf diesen Prozess zurückführen. In kohligen Chondriten sind viele Element- und Isotopenverhältnisse von Chondren und Matrix komplementär. Beide Komponenten sind jeweils unterschiedlich zusammengesetzt, jedoch solar im Gesamtmeteorit. Dies spricht dafür, dass sich Chondren und Matrix aus einem gemeinsamen Reservoir mit solarer Zusammensetzung bildeten. In dieser Arbeit wurde Komplementarität in Kakangari Chondriten untersucht. Chondren, Matrix und die Gesamtzusammensetzung von Kakangari sind identisch und solar in Mg/Si. Dies lässt sich auf die Interaktion von Chondren mit Gas, sowie den Elementaustausch zwischen Chondren und Matrix während niedriggradiger Metamorphose auf dem Mutterkörper zurückführen. Obwohl Kakangari keine eindeutige Komplementarität besitzt, ist es dennoch wahrscheinlich, dass auch in diesem Meteorit ein genetischer Zusammenhang zwischen Chondren und Matrix besteht. Ein weiteres Kapitel dieser Arbeit beschäftigt sich mit einem bislang einzigartigen Objekt in einem Gewöhnlichen Chondrit. Das Objekt ist ungewöhnlich groß, Ca,Al-reich und enthält eine eingeschlossene Chondre. Es könnte sich um eine Makrochondre handeln, die sich durch Kollision und Verschmelzung kleinerer Chondren bildete. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Chondren während ihrer Entstehung offene Systeme waren und sowohl untereinander, als auch mit ihrer Umgebung interagierten. Zudem stehen die Chondren in genetischem Zusammenhang mit der Matrix. Beide Komponenten bildeten sich in einem gemeinsamen Reservoir. Diese Erkenntnisse grenzen Chondren Bildungsmodelle und Mechanismen signifikant ein. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Barosch, Jens jbarosch@uni-koeln.de orcid.org/0000-0002-0651-7348 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-116362
Date:	2020
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 Chondrules UNSPECIFIED Meteorites UNSPECIFIED Solar System UNSPECIFIED
Date of oral exam:	10 January 2020
Referee:	Name Academic Title Hezel, Dominik PD. Dr. Jahn, Sandro Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/11636