Universität zu Köln

Tusch, Jonas ORCID: 0000-0001-7492-8037 (2020). Tungsten Isotope Constraints on Archean Geodynamics. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Geodynamics on Earth are active since more than 4 billion years and have continuously lead to differentiation and homogenization of mantle and crust. However, evidence from short-lived nuclide decay systems (e.g. 129I – 129Xe and 146Sm – 142Nd) suggest that primordial heterogeneities, which formed in the early Hadean Eon (i.e. during the first ca. 100 million years after formation of the Earth), survived for a long period of time – in some cases for Eons and until present day. Studying rocks that display variations in the decay products of short-lived nuclide decay systems offer two intriguing perspectives: (1) The cause for their formation refers to processes that must have had operated at a time when no other witnesses preserved in the geological rock record. (2) Understanding the mechanisms that allowed for their long-term preservation provides important insights into the temporal evolution of the bulk silicate Earth (BSE) and into the processes that lead to the present-day state of the mantle, including the onset of plate tectonic processes on Earth. One of the short-lived decay series that has increasingly been applied in geochemistry is the 182Hf-182W decay system with a half-life of 8.9 million years. Over the past decade, several studies investigated W isotope systematics in terrestrial rocks and found differences in the relative abundance of 182W. While Archean rocks were found to exhibit predominantly elevated 182W isotope compositions compared to the modern depleted mantle, modern oceanic island basalts (OIBs) and one Archean komatiites system (the ca. 3.55 Ga Schapenburg komatiite suite from the Kaapvaal Craton, southern Africa) were shown to display negative anomalies. These findings were interpreted as evidence for the preservation of early-formed heterogeneities in the sources of Archean rocks and taken as evidence for the presence of primordial mantle components that participate to the provenance of modern igneous reservoirs. However, the processes that lead to the formation of these reservoirs remained ambiguous. These processes include (1) incomplete equilibration of the mantle source with late accretionary material (late accretion hypothesis), (2) early fractionation of Hf from W by silicate crystal-liquid fractionation, e.g., in an early magma ocean, or (3) core-mantle interaction. Matters are further complicated because secondary processes (fluid-mediated alteration) often obscured primary W budgets of metamorphosed Archean rock assemblages and the analytical standards to obtain high-precision 182W isotope measurements turned out to be challenging. In this study, an analytical protocol is presented to obtain high-precision 182W isotope measurements on samples with low bulk-rock W concentrations (several ng/g). In three chapters we report high-precision 182W isotope data for Archean rocks from the ca. 3.9-3.6 Ga Itsaq Gneiss Complex of southern West Greenland (chapter 1), the ca. 3.6-3.2 Ga Pilbara Craton, NW Australia (chapter 2), and the ca. 3.6-3.2 Ga Kaapvaal Craton, southern Africa (chapter 3). In all studies, we combine 182W isotope analysis with high-precision isotope dilution measurements for high field strength element (HFSE), U, and Th abundances, to assess the elemental W systematics in our samples. This allows us to obtain a precise understanding of the primary and secondary processes that modified the W abundances and isotope compositions. As we demonstrate, the elemental W budgets of many mantle-derived rocks are dominated by metasomatic agents that mix reservoirs of variable 182W isotope compositions and obscure primary signatures (chapters 1 and 2). If not taken into consideration, this can lead to ambiguous interpretations of 182W isotope compositions observed in Archean lithostratigraphic successions. Our studies on rocks from different Archean cratons reveal that several processes are responsible for the origin of 182W isotope anomalies. Excesses of 182W in rocks from the Pilbara Craton (chapter 2) are best explained by missing late accreted additions in their mantle sources. Anomalies in rocks from the Itsaq Gneiss Complex (chapter 1) and the Kaapvaal Craton (chapter 3) instead were inherited from mantle sources that underwent early silicate differentiation during the lifetime of 182Hf (i.e. in the first ca. 60 million years after Solar System formation). Our results demonstrate that these Hadean signatures remained isolated in the mantle for several hundred million years. Understanding the evolution of 182W isotope systematics in the BSE through time requires comprehensive studies of lithostratigraphic successions that cover relatively long time frames of Archean geodynamic evolution, as shown by our study on the geological rock record of the Pilbara Craton (chapter 2). We further demonstrate that information about the temporal evolution of 182W isotope systematics of individual cratons is archived in Archean shales, which provide an average of the 182W isotope composition of the upper crust (chapter 2). These findings allow for observational constraints, which have important implications for understanding timescales of geodynamic processes on the early Earth (e.g. mantle stirring rates). As reported in chapter 3, rocks from the Kaapvaal Craton display correlations between 182W isotope compositions and initial εNd(t) and εHf(t) values. To our knowledge, this is the very first co-variation observed between 182W isotope systematics and long-lived radiogenic nuclides (147Sm-143Nd and 176Lu-176Hf systematics). The only plausible model to explain these patterns is the presence of recycled mafic restites from Hadean protocrust in the ancient mantle beneath the Kaapvaal Craton. As further demonstrated by our model, the striking isotopic similarity between recycled restites from Hadean protocrust and the low 182W endmember of modern OIBs might also be the missing link bridging 182W isotope systematics in Archean and young mantle-derived rocks. This finding offers important constraints on the geodynamic evolution of Earth’s mantle through time, indicating inefficient homogenization of Hadean silicate reservoirs.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Seit über vier Milliarden Jahren haben geodynamische Prozesse kontinuierlich zur Homogenisierung und Differenzierung des Erdmantels und der kontinentalen Kruste geführt. Allerdings gibt es Hinweise von kurzlebigen Zerfallssystemen (z.B. 129I – 129Xe und 146Sm – 142Nd), das primordiale Heterogeneitäten, welche sich im Hadaikum gebildet haben (d.h. während der ersten ca. 100 Millionen Jahre nach Entstehung der Erde), über sehr lange Zeiträume erhalten geblieben sind – in einigen Fällen über Äonen und bis zum heutigen Tag. Die Untersuchung von Isotopenvariationen von Nukliden kurzlebiger Zerfallssysteme an terrestrischen Gesteinen sind in zweierlei Hinsicht von Bedeutung: (1) Die Ursache für die Entstehung der Variationen verweist auf Prozesse die zu einem Zeitpunkt stattgefunden haben müssen von dem keine weiteren geologischen Zeugen erhalten geblieben sind. (2) Das Verständnis der Mechanismen, welche für die Erhaltung dieser primordialen Signaturen verantwortlich sind, erlaubt Rückschlüsse über die zeitliche Entwicklung der Silikaterde und über Prozesse welche den Zustand des heutigen Erdmantels herbeigeführt haben (z.B. Einsetzen moderner Plattentektonik). Ein kurzlebiges Zerfallssystem welches in der Geochemie intensiv verwendet wird ist 182Hf-182W (Halbwertszeit 8.9 Millionen Jahre. Innerhalb des letzten Jahrzehnts fanden mehrere Studien in terrestrischen Gesteinen Unterschiede in den relativen Häufigkeiten von 182W. Während Gesteine aus dem Archaikum im Verhältnis zum heutigen verarmten Mantel vorwiegend erhöhte 182W Zusammensetzungen aufweisen, finden sich für moderne Ozean Inselbasalte (OIB) und eine Suite archaischer Komatiite (die 3.55 Milliarden Jahre alten Schapenburg Komatiite aus dem Kaapvaal Kraton im südlichen Afrika) negative Anomalien. Dies wurde als Nachweis für die Erhaltung von primordialen Domänen im Erdmantel und deren Partizipation bei der Bildung moderner Mantelschmelzen interpretiert. Allerdings besteht Uneinigkeit darüber welche Prozesse für die Bildung dieser Manteldomänen verantwortlich sind. Diskutiert wird (1) die unvollständige Äquilibrierung mit Material aus der Spätphase der Akkretion (late accretion hypothesis), (2) frühe Fraktionierung von Hf und W während Kristall – Silikatschmelz Fraktionierung, z.B. zu Zeiten eines frühen Magma-Ozeans, oder (3) Interaktion zwischen Erdkern und Erdmantel. Weiterhin kommt erschwerend hinzu, dass die W Gehalte metamorph überprägter archaischer Gesteine durch sekundäre Prozesse verändert wurden (fluidkontrollierte Alteration) und die analytischen Standards für Hochpräzisionsmessungen von 182W höchst anspruchsvoll sind. In dieser Studie präsentieren wir ein analytisches Protokoll, welches die Durchführung von Hochpräzisionsmessungen von 182W an Gesteinen ermöglicht die eine geringe W Konzentration aufweisen (wenige ng/g). In drei Kapiteln stellen wir die Ergebnisse unserer 182W Isotopenstudien vor die wir an Archaischen Gesteinen durchgeführt haben. Dies umfasst den 3.9-3.6 Milliarden Jahren alten Itsaq Gneiss Complex von SW Grönland (Kapitel 1), den ca. 3.6-3.2 Milliarden Jahre alten Pilbara Kraton, NW Australien (Kapitel 2), sowie den ca. 3.6-3.2 Milliarden Jahre alten Kaapvaal Kraton im südlichen Afrika (Kapitel 3). In allen drei Studien kombinieren wir unsere 182W Daten mit hoch präzisen Konzentrationsbestimmungen (Isotopenverdünnungsanalysen) für Elemente hoher Feldstärke (high field strength elements, HFSE), U und Th um das elementare Verhalten von W in unserem Proben zu evaluieren. Dies dient dem Verständnis von primären und sekundären Prozessen welche eine Veränderung der W Gehalte und W Isotopenzusammensetzungen herbeiführen können. Wie wir zeigen werden sind die W Konzentrationen in vielen Mantelgesteinen von metasomatischen Prozessen dominiert. Dadurch können primäre Signaturen überprägt werden, da Reservoire unterschiedlicher W Isotopenzusammensetzung miteinander gemischt werden (Kapitel 1 und Kapitel 2). Wenn dies nicht berücksichtigt wird kommt es zu falschen Interpretationen von 182W Isotopendaten an archaischen Gesteinen. Unsere Studien an Gesteinen aus verschiedenen archaischen Kratonen bezeugen, dass unterschiedliche Prozesse als Ursache für 182W Isotopenanomalien verantwortlich sind. Erhöhte 182W Isotopenhäufigkeiten in Gesteinen aus dem Pilbara Kraton (Kapitel 2) lassen sich durch die unvollständige Äquilibrierung mit Material der späten Akkretionsphase der Erde erklären. Anomalien in Gesteinen aus dem Itsaq Gneiss Complex (Kapitel 1) und dem Kaapvaal Kraton (Kapitel 3) hingegen sind auf Mantelquellen zurückzuführen welche zu Lebzeiten von 182Hf (d.h. innerhalb der ersten 60 Millionen Jahre nach Entstehung des Sonnensystems) eine Silikatdifferenzierung erfahren haben. Unsere Ergebnisse zeigen auf, dass Reservoire, welche diese primordialen Signale archivieren, für mehrere hundert Millionen Jahre isoliert wurden. Wie unsere Analysen der geologischen Formationen aus dem Pilbara Kraton zeigt (Kapitel 2), sind umfangreiche Studien an Gesteinsformationen erforderlich, welche lange Zeiträume archaischer geodynamischer Prozesse archivieren, um die zeitliche Entwicklung der 182W Isotopenzusammensetzung der Silikaterde verstehen zu können. Unsere Forschung kann weiterhin darlegen, dass archaisches Schiefergestein Informationen über die zeitliche Entwicklung der 182W Isotopenzusammensetzung für einzelne Kratone liefert, da Schiefergestein repräsentativ für die obere kontinentale Kruste ist. Diese Erkenntnisse ermöglichen die Erhebung wissenschaftlicher Daten welche für das Verständnis von Zeiträumen geodynamischer Prozesse (z.B. Zeiträume der Mantelkonvektion), wie sie in der frühen Erde abgelaufen sind, von großer Bedeutung sind. Wie in Kapitel 3 aufgezeigt, weisen archaische Gesteine aus dem Kaapvaal Kraton Korrelationen zwischen ihren 182W Isotopenzusammensetzungen und initialen εNd(t)- sowie εHf(t)-Werten auf. Nach unserem Kenntnisstand ist eine solche Korrelation zwischen 182W und langlebigen Radionukliden (in diesem Fall die Isotopensysteme 147Sm-143Nd und 176Lu-176Hf) bislang einmalig. Die Partizipation recycelter mafischer Restite hadaischer Protokruste während der Petrogenese ist das einzige Modell welches diese Korrelation erklären kann. Weiterhin zeigen unsere Modellierungen, dass es eine auffallende Ähnlichkeit in der isotopischen Zusammensetzung zwischen den recycelten Restiten hadaischer Protokruste und einem Endglied moderner OIBs gibt welche besonders negative 182W Isotopenanomalien aufweist. Dies kann den missing link für die 182W Isotopensystematik zwischen archaischen und rezenten Gesteinen darstellen. Unsere Forschungsergebnisse bezeugen die ineffiziente Homogenisierung hadaischer Reservoire und liefern bedeutende Erkenntnisse für die geodynamische Entwicklung des Erdmantels. UNSPECIFIED
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Tusch, Jonas j.tusch@uni-koeln.de orcid.org/0000-0001-7492-8037 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-121332
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 Geodynamics English Tungsten English Early Earth English
Date of oral exam:	10 September 2020
Referee:	Name Academic Title Münker, Carsten Prof. Dr. Herwartz, Daniel PD Dr. Szilas, Kristoffer Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/12133