Highly siderophile elements in planetary materials as tracers for late accretion

Abstract

In the course of this thesis different planetary materials have been studied in order to evaluate the origin of the excess abundances of highly siderophile elements (HSE: Re, Os, Ir, Ru, Pt, Rh, Pd, Au) in the Earth’s mantle and lunar crustal rocks. Concentrations of HSE and 187Os/188Os isotope ratios have been determined for chondritic meteorites, terrestrial peridotites and lunar impact melt rocks from Apollo 14, 16 and 17 landing sites. In the case of chondrites the obtained data reveal differences in the HSE abundance patterns and ratios such as Re/Os, 187Os/188Os, Pd/Ir, Rh/Ir and Au/Ir among chondrite classes. Well-defined linear correlations of HSE, in particular for bulk samples of ordinary and EL chondrites, are explained by binary mixing and possibly dilution by silicates. The HSE carrier phases responsible for these correlations have a uniform chemical composition, indicating efficient homogenization of local nebular heterogeneities during or prior the formation of the host minerals in chondrite components. These correlations also suggest that metamorphism, alteration or igneous processes had negligible influence on relative HSE abundances on scales larger than bulk rocks. New HSE data on peridotites were used to further constrain HSE abundances in the Earth’s mantle and to place constraints on the distribution processes accounting for observed HSE variations between fertile and depleted mantle lithologies. Non- systematic variation of Rh abundances and constant Rh/Ir displayed by fertile lherzolites indicate a compatible behaviour of Rh during partial melting. In contrast, Au and Au/Ir correlate with peridotite fertility, indicating incompatible behaviour of Au during magmatic processes in the mantle. Correlations displayed by Pd/Ir, Re/Ir and Au/Ir with Al2O3 suggest HSE fractionation during partial melting, or may reflect refertilization of previously melt depleted peridotites due to reactive infiltration of silicate melts. Relative abundances of Rh and Au for the primitive mantle HSE model composition are similar to values of ordinary and enstatite chondrites. HSE abundances and 187Os/188Os in lunar impact melt rocks serve as important tracers to place constraints on the late accreted meteoritic materials during the late accretion period in the Earth-Moon system. Excellent linear correlations displayed among HSE abundances of subsamples from a given impact melt rock are explained by dilution processes or binary mixing between a high HSE end-member composition of the meteoritic impactor and a low-HSE end-member composition corresponding to the lunar target rocks. Some of the impactor end- member compositions identified in lunar impact melts are similar to chondrites, while others show suprachondritic HSE ratios. The strongly fractionated HSE abundance pattern of some Apollo 16 samples is similar to magmatic iron meteorites. This study reports the first sufficiently precise Re-Os isochron for a lunar impact melt rock. The Re-Os age of 4.11 ± 0.12 Ga obtained for Apollo 16 sample 67935 indicates that the Nectaris basin may be as old as 4.1 Ga. Excess HSE abundances of the Earth’s mantle and suprachondritic Pd/Ir and Ru/Ir inferred for the primitive mantle may be explained by binary mixing of chondritic material with some fractionated HSE component similar to that recorded in Apollo 16 impact melt rocks.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene planetare Materialien analysiert, um den Ursprung der Exzessgehalte hochsiderophiler Elemente (HSE: Re, Os, Ir, Ru, Pt, Rh, Pd, Au) im Erdmantel und in Krustengesteinen des Mondes zu erforschen. Dazu wurden präzise HSE Konzentrationen und 187Os/188Os Isotopenverhältnisse für chondritische Meteorite, terrestrische Peridotite und lunare Impaktschmelzgesteine von Apollo 14, 16 und 17 Missionen bestimmt. Im Fall der Chondrite weisen die neu erhobenen Daten Unterschiede im HSE Vorkommen von Re/Os, 187Os/188Os, Pd/Ir, Rh/Ir und Au/Ir zwischen verschiedenen Chondritklassen auf. Gut definierte lineare Korrelationen der hochsiderophilen Elemente, insbesondere für Gesamtgesteinsproben von gewöhnlichen Chondriten und EL Enstatitchondriten, werden als binäre Mischung und möglicherweise Verdünnung durch Silikatphasen interpretiert. Die HSE Trägerphasen, welche diese Korrelationen erzeugen, sind durch eine gleichmäßige chemische Zusammensetzung gekennzeichnet und deuten auf eine effiziente Homogenisierung von lokalen Nebelheterogenitäten während oder vor der Bildung der meisten Mineralphasen der Chondritkomponenten hin. Die beobachteten Korrelationen zeigen außerdem, dass Metamorphose, Alteration und magmatische Prozesse nur geringen Einfluss auf die relativen HSE Häufigkeiten im Maßstab größer als Gesamtgesteinsproben der Chondrite gehabt haben. Neue HSE Konzentrationsdaten für Peridotite wurden erhoben um das Vorkommen dieser Elemente im Erdmantel präziser zu bestimmen. Weiterhin wurde das Verteilungsverhalten und der für die beobachteten HSE Variationen zwischen fertilen und verarmten Peridotiten verantwortliche Fraktionierungsprozess genauer charakterisiert. Fertile Peridotite weisen eine unsystematische Variation der Rhodiumkonzentrationen und konstante Rh/Ir Verhältnisse auf. Diese Beobachtungen deuten auf ein kompatibles Verteilungsverhalten von Rh während partieller Schmelzbildung im Mantel hin. Im Gegensatz dazu zeigen Goldkonzentrationen und das Au/Ir Verhältnis eine Korrelation mit der Fertilität und deuten somit auf ein inkompatibles Verhalten von Gold während magmatischer Prozesse im Mantel hin. Korrelationen von Pd/Ir, Re/Ir und Au/Ir mit Al2O3 lassen sich durch Fraktionierung der HSE während partieller Schmelzextraktion erklären. Alternativ können die beobachteten Korrelationen durch Refertilisierungsprozesse erzeugt werden, bei denen eine Wiederanreicherung der HSE in zuvor schmelzverarmten Peridotiten durch den Prozess einer reaktiven Infiltration silikatischer Schmelzen erfolgt. Die für den primitiven Erdmantel extrapolierten Rhodium- und Goldgehalte sind vergleichbar mit Werten der gewöhnlichen Chondrite und der Enstatitchondrite. HSE Konzentrationen und 187Os/188Os Isotopenverhältnisse in lunaren Impaktschmelzgesteinen sind wichtige Indikatoren zur Herkunftsbestimmung des während der späten Akkretionsphase dem Erde-Mond System zugeführten Materials. Die HSE Konzentrationen für Subprobenaliquote eines Impaktschmelzgesteins sind linear miteinander korreliert und werden als Verdünnungen oder binäre Mischungen verschiedener Komponenten interpretiert. Dabei entspricht ein Mischungsendglied der Zusammensetzung der HSE-reichen meteoritischen Impaktorkomponente und das andere Endglied der HSE-verarmten Zielgesteine der Mondkruste. Die in den Impaktschmelzgesteinen identifizierten Impaktorkomponenten weisen sowohl chondritische als auch suprachondritische HSE Kompositionen auf. Stark fraktionierte HSE Muster einiger Apollo 16 Proben zeigen Ähnlichkeit zu den HSE Mustern von magmatischen Eisenmeteoriten. In dieser Studie wird die bis dahin erste hinreichend präzise Re-Os Isochrone für ein Impaktschmelzgestein präsentiert. Das Re-Os Alter von 4.11 ± 0.12 Ga für die Apollo 16 Probe 67935 deutet darauf hin, dass das Nectarisbecken bis zu 4.1 Ga alt sein könnte. Exzessvorkommen von HSE im Erdmantel zusammen mit suprachondritischen Pd/Ir und Ru/Ir Verhältnissen des primitiven Erdmantels können durch eine binäre Mischung von chondritischem Impaktormaterial und einer fraktionierten HSE Komponente, ähnlich der in Apollo 16 Proben nachgewiesenen Eisenmeteoritkomponente, erzeugt werden.