Universität zu Köln

Schnabel, Christiane (2019). 138La-138Ce systematics in terrestrial samples and chondrites. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The long-lived 138La-138Ce decay system (half-life 1.02 x 1011 a) is a potentially useful tool to study the behavior of the light rare earth elements (LREE) and to unravel information about the timing of geological processes and about the interaction of geological reservoirs on Earth. In earth sciences, the 138La-138Ce geochronometer can therefore complement information from the more popular long-lived 147Sm-143Nd and 176Lu-176Hf isotope systems. This thesis presents a new analytical protocol for the application of the 138La-138Ce geochronometer. An efficient three-step ion-chromatography procedure allows to separate La and Ce in rock matrices from other rare earth elements (REE) and from interfering Ba. Additionally, an analytical protocol was developed to measure Ce isotope compositions and La and Ce concentrations by MC-ICP-MS. For the first time, all stable Ce isotopes (136Ce, 138Ce, 140Ce and 142Ce) were measured simultaneously by employing a 1010 Ω amplifier for the most abundant isotope 140Ce. Because the traditionally used JMC-304 Ce reference material is not commercially available anymore, a new reference material was prepared from AMES laboratory Ce metal (Cologne-AMES). In order to compare the new material with the previously reported isotopic composition of AMES material prepared at Mainz (Mainz-AMES), Cologne-AMES and JMC-304 were measured relative to each other in one analytical session. Additionally, for La and Ce concentration measurements by MC-ICP-MS, an isotope tracer enriched in 138La and 142Ce was prepared and calibrated against high purity AMES metals. The new protocols were applied to determine the variations of Ce isotope compositions and La and Ce concentrations of geochemical reference materials: BCR-1, BCR-2, BHVO-2, JR-1, JA-2, JB-1b, JB-3, JG-1, JR-1, AGV-1 and one in-house La Palma basalt standard (LP1). Subsequently, the protocols were used to determine the important CHUR reference parameter (chondritic uniform reservoir) for the 138La-138Ce isotope system, which is defined by the present-day chondritic 138La/136Ce and 138Ce/136Ce values. This parameter is still poorly determined for the 138La-138Ce decay system but highly significant, once age-corrected initial Ce isotope ratios are calculated for older samples or for the determination of the Ce-Nd mantle array. Therefore, La and Ce concentration as well as Ce isotope measurements were performed combined with 147Sm-143Nd measurements from the same aliquots for 22 different meteorites including carbonaceous chondrites (CM, CK, CV and CO), ordinary chondrites (H, L and LL), and enstatite chondrites (EL and EH). After a detailed data evaluation of previous studies by Bellot et al. (2015) and Willig and Stracke (2019), the recommended chondritic 138Ce/136Ce mean value is 1.33686±3 (2 s.e., n=18) and 138La/136Ce mean value is 0.1868±40 (2 s.e., n=33). Due to the ongoing debate, which group and petrological type of chondrites reflect the building blocks of the Earth 138La/136Ce and 138Ce/136Ce mean values of carbonaceous and non-carbonaceous chondrites are determined. The recommended carbonaceous chondritic 138Ce/136Ce mean value is 1.33684±2 (2 s.e., n=10) and and 138La/136Ce mean value is 0.1946±43 (2 s.e., n=14). The non-carbonaceous chondritic 138Ce/136Ce mean value is 1.33689±4 (2 s.e., n=17) 138La/136Ce mean value is 0.1823±46 (2 s.e., n=17) The application of the 138La-138Ce isotope system in combination with the 147Sm-143Nd isotope system is used to define the Ce-Nd mantle array comprising of mid-ocean ridge basalts (MORBs) and oceanic island basalts (OIBs). The chondritic 138Ce/136Ce mean value shows no overlap within uncertainties with the Ce-Nd mantle array. In contrast, the non-carbonaceous chondritic 138Ce/136Ce mean value intersects within uncertainties the Ce-Nd mantle array. In the last part of this thesis, 138La-138Ce measurements were performed on Archean mafic and felsic rocks from the Barberton Greenstone Belt and the Ancient Gneiss Complex from South Africa and the Itsaq Gneiss Complex from southwest Greenland, which belong to the oldest rocks on Earth (between 3.8 and 3.2 Ga). Undisturbed samples define a ε143Nd(t)-ε138Ce(t) correlation trend and intersect with the non-carbonaceous chondritic 138La-138Ce reference value in contrast to the chondritic and carbonaceous chondritic 138La-138Ce reference values. Consequently, the data show that for the 138La-138Ce system the bulk silicate Earth (BSE) is best described with a non-carbonaceous chondrite composition.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Das langlebigen 138La-138Ce Zerfallssystem (Halbwertszeit 1.02 x 1011 a) kann verwendet werden, um das Verhalten der leichten Seltenerdelemente (LREE) zu untersuchen und Informationen über den Zeitablauf geologischer Prozesse zu erhalten. Des Weiteren kann das 138La-138Ce Zerfallssystem ergänzende Informationen zu den etablierten 147Sm-143Nd und 176Lu-176Hf Isotopensystemen liefern. Zunächst wurde für die Anwendung des 138La-136Ce- Geochronometers das neu entwickelte analytische Protokoll beschrieben. Ein effizientes drei-stufiges Ionenchromatographieverfahren wurde entwickelt, um La und Ce von anderen Seltenerdelementen (REE) und Ba zu trennen. Zusätzlich wurde ein analytisches Protokoll entwickelt, um die Ce-Isotopenzusammensetzungen und La- und Ce-Konzentrationen mit MC-ICP-MS zu bestimmen. Erstmals wurden alle stabilen Ce-Isotope (136Ce, 138Ce, 140Ce und 142Ce) gleichzeitig gemessen, indem ein 1010 Ohm-Verstärker für das am häufigsten vorkommende Isotop 140Ce verwendet wurde. Da das früher verwendete Referenzmaterial JMC-304 kommerziell nicht mehr erhältlich ist, wurde ein neues Referenzmaterial aus Ce-Metall (Cologne-AMES) hergestellt. Um den neuen Referenzstandard mit dem in der Literatur verwendeten Referenzstandard Mainz-AMES zu vergleichen, wurden die drei Referenzmaterialen innerhalb einer Messserie relativ zueinander gemessen. Für die La- und Ce-Konzentrationsmessungen mit MC-ICP-MS wurde ein mit 138La und 142Ce angereicherter Isotopentracer hergestellt. Das zuvor entwickelte Protokoll wurde für die Bestimmung der Ce-Isotopien und La- und Ce-Konzentrationen von geochemischen Referenzmaterialien verwendet: BCR-1, BCR-2, BHVO-2, JR-1, JA-2, JB-1b, JB-3, JG-1, JR-1, AGV-1 und ein laboreigener Standard (La-Palma Standard (LP 1)). Zusätzlich wurde das zuvor entwickelte analytische Protokoll für die Bestimmung des wichtigen Referenzparameters CHUR (chondritic uniform reservoir, einheitlich chondritisches Reservoir) angewendet, das durch die heutigen 138La/136Ce- und 138Ce/136Ce-Werte von undifferenzierten Meteoriten definiert ist. Dieser Parameter ist für das 138La-138Ce-System derzeit nur ungenau bestimmt, jedoch von essentieller Bedeutung, wenn alterskorrigierte Ce-Isotopenverhältnisse für ältere Proben oder eine Ce-Nd Mantelentwicklungslinie bestimmt werden soll. Aus diesem Grund wurden La- und Ce-Konzentrationsmessungen und Ce-Isotopenmessungen mit Sm-Nd-Daten aus den gleichen Aliquoten für 22 verschiedene Chondrite bestimmt: kohlige Chondrite (CM, CK, CV und CO), gewöhnliche Chondrite (H, L und LL) und Enstatit Chondrite (EL und EH). Nach einer detaillierten Datenauswertung früherer Studien von Bellot et al. (2015) und Willig und Stracke (2019) wurde der chondritische 138Ce/136Ce Wert = 1.33686±3 (2 s.e., n=18) und chondritische 138La/136Ce Wert 0.1868±40 (2. s.e, n=33) bestimmt. Aufgrund der aktuellen Debatte, welche Gruppe und petrologische Art von Chondriten die Bausteine der Erde widerspiegeln, wurden die 138Ce/136Ce-Mittelwerte und 138La/136Ce-Mittelwerte aus kohligen und nicht-kohlichen Chondriten berechnet. Der empfohlene 138Ce/136Ce-Mittelwert beträgt 1.33689±4 (2 s.e., n=17) und der 138La/136Ce-Mittelwert beträgt 0.1946±43 (2 s.e., n=14) für kohlige Chondriten. Der empfohlene 138Ce/136Ce-Mittelwert beträgt 1.33684±2 (2 s.e., n=17) und der 138La/136Ce-Mittelwert beträgt 0.1823±46 (2 s.e., n=17) für nicht-kohlige Chondriten. Die Kombination von 138La-138Ce mit dem 147Sm-143Nd Zerfallssystem wird benutzt um aus mittelozeanischen Rückenbasalte (MORBs) und ozeanischen Inselbasalte (OIBs) eine Ce-Nd-Mantelentwicklungslinie zu definieren. Der in dieser Arbeit bestimmte chondritischen 138Ce/136Ce-Mittelwert zeigt innerhalb der statistischen Unsicherheiten keine Überschneidung mit der Ce-Nd-Mantelentwicklungslinie. Der 138Ce/136Ce-Mittelwert für kohlige Chondrite schneidet jedoch innerhalb der statistischen Unsicherheiten die Ce-Nd-Mantelentwicklungslinie. In Kapitel 4 wurde das 138La-138Ce Geochronometer auf archaische mafische und felsische Proben aus dem Barberton Greenstone Belt und dem Ancient Gneiss Complex aus Südafrika und dem Itsaq Gneiss Complex aus Südwestgrönland angewendet, die zu den ältersten Proben (3.8-3.2 Ga) der Erde gehören. Proben, die nur wenig Alteration zeigen, definieren einen Ce-Nd-Korrelationstrend und dieser Korrelationstrend schneidet sich innerhalb des Messfehlers mit dem 138Ce-136Ce Mittelwert aus nicht-kohligen Chondriten. Der chondritische 138Ce-136Ce-Mittelwert oder der 138Ce-136Ce-Mittelwert aus nicht-kohligen Chondriten schneidet sich im Gegensatz dazu nicht mit dem Ce-Nd Korrelationstrend. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Bausteine der Erde durch einen 138La-138Ce-Wert aus nicht-kohligen Chondriten gekennzeichnet sind. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Schnabel, Christiane cschnab2@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-121933
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 138La-138Ce geochronometer English Cologne-AMES English chondritic uniform reservoir (CHUR) reference parameter English Ce-Nd mantle array English Itsaq Gneiss Complex from southwest Greenland English Barberton Greenstone Belt and Ancient Gneiss Complex from South Africa English
Date of oral exam:	16 January 2020
Referee:	Name Academic Title Münker, Carsten Prof. Dr. Strub, Erik PD. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/12193