Multikollektor-Massenspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Multikollektor-Massenspektrometer mit induktiv-gekoppeltem Plasma am Institut für Planetologie wurde für eine Reihe von Forschungsprojekten eingesetzt, die sich mit der Frühgeschichte des Sonnensystems und mit der Akkretion und chemischen Differenzierung von Asteroiden und terrestrischen Planeten beschäftigen. Durch hoch-präzise Messungen der W-Isotopenzusammensetzung von v.a. Eisen-Meteoriten konnte der Zeitraum der Akkretion und chemischen Differenzierung von Planetesimalen sehr genau eingegrenzt werden. Demnach haben sich die metallische Kerne der Eisenmeteorit-Mutterkörper zwischen ca. 0.6 und 1.3 Millionen Jahre nach der Entstehung des Sonnensystems gebildet. Die Mutterkörper selbst sind bereits bei ca. 0.1-0.2 Millionen Jahren und damit deutlich früher als die Mutterkörper der Chondrite entstanden. Diese zeitliche Abfolge in der Bildung der Meteoriten-Mutterkörper deutet daraufhin, dass der Zeitpunkt der Akkretion bestimmt, ob ein Körper aufschmilzt und differenziert. Nur in sehr früh gebildeten Planetesimalen wie den Eisenmeteorit-Mutterkörpern war die Häufigkeit des kurzlebigen Isotops 26Al so hoch, dass durch radioaktiven Zerfall ausreichend Wärme für die Aufschmelzung und Kernbildung produziert wurde. Die Mutterkörper der Chondrite sind dagegen so spät entstanden, dass der Großteil des 26Al bereits zerfallen war und die verbleibende Menge nicht mehr ausreichte, um die Mutterkörper aufschmelzen zu können. Die W-Isotopendaten erlauben Rückschlüsse auf den Prozess der Kernbildung in Planetesimalen und zeigen, dass dieser in zwei Stufen abgelaufen ist, bestehend aus der frühen Segregation einer S-reichen und der späteren Separation einer Fe-reichen Schmelze. In den meisten Fällen haben sich beide Schmelzen im Kern vermischt. Unsere Datierungen mit dem kurzlebigen 107Pd-107Ag-Zerfallssystem zeigen, dass die Kerne innerhalb von wenigen Millionen Jahren nach ihrer Bildung abgekühlt sind, was auf relativ kleine Körper (ca. 10 km Radius) oder das Auseinanderbrechen größerer Körper durch Kollisionen zurückzuführen ist. Die Erde ist wahrscheinlich durch Kollisionen aus einer Vielzahl von Planetesimalen und Protoplaneten entstanden. Um zu klären, ob Meteorite oder eine bestimmte Gruppe von Meteoriten die Bausteine der Erde repräsentieren, haben wir umfangreichen Mo- und Ru-Isotopenuntersuchungen durchgeführt. Relativ zur terrestrischen Zusammensetzung weisen alle Meteorite ein Defizit in s-Prozess Nukliden von Mo und Ru auf. Die nukleosynthetischen Mo- und Ru-Isotopenanomalien zeigen, dass mindestens eine präsolare nuk-leosynthetische Komponente (z.B. SiC-Körner, die häufig in primitiven Meteoriten vorkommen) ungleich im solaren Nebel verteilt war. Die Ursache für diese Heterogenität ist nicht vollständig geklärt, wahrscheinlich haben aber Prozesse im solaren Nebel (z.B. thermische Prozesse, Korngrößensortierung) eine Rolle gespielt. Da alle Meteorite ein s-Defizit relativ zur Erde zeigen, kann keine Meteoriten-Gruppe und auch keine Kombination verschiedener Meteorite die Körper repräsentieren, aus denen die Erde entstanden ist. Die Erde muss somit aus einer anderen Population von Körpern entstanden sein als die Meteorite. Kollisionen bei der Akkretion der Erde können zu einer Erosion früh gebildeter Kruste geführt und so die chemische Zusammensetzung der Erde verändert haben. Unsere Untersuchungen zur Sm-Nd- und Lu-Hf-Isotopensystematik lunarer Gesteine zeigen jedoch, dass der Mond die gleichen Sm/Nd- und Lu/Hf-Verhältnisse aufweist wie chondritische Meteorite. Diese Ergebnisse deuten daraufhin, dass Erosion während der Akkretion der Erde keine wesentliche Rolle gespielt hat und die chemische Zusammensetzung der Erde nicht maßgeblich verändert hat, zumindest nicht für refraktäre Elemente. Die erhöhten Konzentrationen von hochsiderophilen Elementen im Erdmantel werden i.d.R. durch die Addition eines primitiven „late veneers“ nach Abschluss der Kernbildung erklärt. Dieser Prozess sollte einen isotopischen Unterschied zwischen Erde und Mond erzeugt haben, da im Vergleich zur Erde der relative Anteil des late veneer auf dem Mond sehr viel kleiner ist. Wir haben erstmals einen Unterschied in der 182W-Häufigkeit in Erde und Mond nachweisen können, der mit den Vorhersagen des late veneer-Modells übereinstimmt. Die W-Isotopendaten zeigen zudem, dass Erde und Mond vor dem late veneer die gleiche 182W-Zusammensetzung hatten, so dass sich keine Isotopensignatur des Impaktors nachweisen lässt. Dies scheint darauf hinzudeuten, dass direkt nach dem „giant impact“ das proto-lunare Material mit der Silikaterde equilibriert hat. Die Umstände dieser Equilibrierung sind allerdings noch völlig ungeklärt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2012) Hf-W chronometry of core formation in planetesi-mals inferred from weakly irradiated iron meteorites. Geochimica et Cosmochimica Acta 99, 287-304
Kruijer, T.S., Sprung, P., Kleine, T., Leya, I., Burkhardt, C. and Wieler, R.
- (2013) Experimental determination of the Mo isotope fractionation factor between metal and silicate liquids. Earth and Planetary Science Letters 379, 38-48
Hin, R.C., Burkhardt, C., Schmidt, M.W., Bourdon, B. and Kleine, T.
- (2013) Isotopic evidence for chondritic Lu/Hf and Sm/Nd of the Moon. Earth and Planetary Science Letters 380, 77-87
Sprung, P., Kleine, T. and Scherer, E.E.
- (2013) Neutron capture on Pt isotopes in iron meteorites and the Hf-W chronology of core formation in planetesimals. Earth and Planetary Science Letters 361, 162-172
Kruijer, T.S., Fischer-Gödde, M., Kleine, T., Sprung, P., Leya, I. and Wieler, R.
- (2013) The abundance and isotopic composition of Cd in iron meteorites. Meteoritics and Planetary Science 48, 2597-2607
Kruijer, T.S., Sprung, P., Kleine, T., Leya, I. and Wieler, R.
- (2014) Cosmogenic W-180 variations in meteorites and re-assessment of a possible Os-184-W-180 decay system. Geochimica et Cosmochimica Acta 140, 160-176
Cook, D.L., Kruijer, T.S., Leya, I. and Kleine, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.gca.2014.05.013) - (2014) Evidence for Mo isotope fractionation in the solar nebula and during planetary differentiation. Earth and Planetary Science Letters 391,201-211
Burkhardt, C., Hin, R.C., Kleine, T. and Bourdon, B.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.epsl.2014.01.037) - (2014) Neodymium and hafnium boundary contributions to seawater along the West Antarctic continental margin. Earth and Planetary Science Letters 394, 99-110
Rickli, J., Gutjahr, M., Vance, D., Fischer-Gödde, M., Hillenbrand, C.-D. and Kuhn, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.epsl.2014.03.008) - (2014) Nucleosynthetic W isotope anomalies and the Hf-W chronometry of Ca-Al-rich inclusions. Earth and Planetary Science Letters 403, 317-327
Kruijer, T.S., Kleine, T., Fischer-Godde, M., Burkhardt, C. and Wieler, R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.epsl.2014.07.003) - (2014) Protracted core formation and rapid accretion of protoplanets. Science 344, 1150-1154
Kruijer, T.S., Touboul, M., Fischer-Godde, M., Bermingham, K.R., Walker, R.J. and Kleine, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.1251766)
