dc.contributor.author
Li, Chunhui
dc.date.accessioned
2018-06-07T21:39:34Z
dc.date.available
2016-12-09T08:23:21.597Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/8238
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-12437
dc.description.abstract
Late additions of meteoritic components to the Earth brought volatile species
essential for a habitable world. The segregation of a metallic core was
probably the sole effective process that scavenged iron-loving and sulfide-
loving elements, known as siderophile and chalcophile elements, from the bulk
silicate Earth (BSE) by different mechanisms. Highly siderophile elements (Os,
Re, Ru, Rh, Pt, Pd, Au and Re; HSE) and strongly chalcophile elements (S, Se
and Te; SCE) entirely partitioned into the core, which made the BSE be
depleted in these elements. However, the abundances of HSE and SCE in the BSE
defined by modern peridotites are at least enriched by a factor of 200
relative to the predications from metal-silicate partitioning experiments.
Furthermore, relative abundances of HSE and SCE are near chondritic, requiring
a chondritic late veneer shortly after the end of core formation. Another
meteoritic addition which may have modified the early Earth, besides the late
veneer, is the late heavy bombardment which impacted the lunar surface at
4.2-3.75 Ga. However, here are two issues concerning the late veneer and late
heavy bombardment. The budgets of HSE and SCE in the BSE constrained by post-
Archean mantle peridotites were recently suggested to be a mixture of depleted
mantle peridotites and infiltrating melts. Such a mixture may not be
representative of the composition in the BSE. Unfortunately, signatures of the
late heavy bombardment, such as impact structures, have not been found in
early Archean rocks on the Earth. However, the Acasta Gneiss Complex from
northern Canada (Chapter 2) and mantle-derived komatiites (Chapter 3-5) are
perfect for addressing the two problems. The Acasta Gneiss Complex represents
the Hadean-Neoarchean continental crust, whereas komatiites, products of high-
degrees of partial melting, should be representative of the chemical
composition in the Archean mantle. The ages of the Acasta Gneiss Complex
expands from 4.2 Ga to 3.6 Ga, which coincides with the late heavy bombardment
on the Moon. The Acasta samples investigated in this study include an
ultramafic cumulate, medium-grained metagabbros, layered metagabbros, one type
of garnet amphibolite, a hornblendite and
metatonalite–trondhjemite–granodiorites (TTG). Abundances of HSE and SCE in
the Acasta samples are comparable to those in their post-Archean equivalents,
and enrichments of HSE or fractionations of SCE caused by meteoritic impacts
are not found in these samples. Such similarities of signatures of HSE and SCE
in the Acasta gneisses and their post-Archean counterparts indicate that
magmatic characteristics of these elements are not significantly lost during
multi-stage metamorphisms. Especially, the TMA Re-Os model age in metadioritic
layer AMS 031A of 4.3 ± 0.2 Ga is consistent with the errorchron age of Sm-Nd
systematics within uncertainties, illustrating the excellent preservation of
magmatic characteristics in AMS 031A. Our data support that the accomplishment
of the late veneer mixed in the mantle source of the Acasta predecessors
should not be later than 4.2 Ga. Signatures of the late heavy bombardment are
absent in the Acasta gneisses. Archean komatiites and komatiitic basalts
investigated in this study can be divided into two groups, the post-2.9 Ga
komatiites and pre-2.9 Ga komatiites. The post-2.9 Ga komatiites comprise the
2.4 Ga Victoria’s lava lake of the Vetreny Belt, the 2.7 Ga Tony’s lava flow
of the Belingwe Greenstone Belt and the 2.7 Ga Pyke Hill lava flows of the
Abitibi Greenstone Belt. The pre-2.9 Ga komatiites include the ~3.3 Ga
Weltevreden Formation and ~3.5 Ga Komati Formation of the Barberton Greenstone
Belt and the ~3.5 Ga Carl’s flow of the Schapenburg Greenstone Remnant. In
this study we determined abundances of a group of trace elements, including S,
Se, Te, Cu, Ag, Mo, Tl, In, Cd, Sm and Ba, by employing the isotope dilution
inductively coupled plasma mass spectrometry (ID-ICP-MS) method. Magmatic
signatures of the majority of the elements of interest are well preserved in
the 2.7 Ga Tony’s lava flow of the Belingwe Greenstone Belt. Ratios of
incompatible chalcophile elements, such as Se/Te, Cu/Ag and Se/Cu in the
Belingwe komatiites are comparable to those of the BSE defined by post-Archean
fertile mantle peridotites. The chemical composition of the mantle source of
the Tony’s lava flow constrained by variations of element-MgO plots are
indistinguishable from those of the BSE within uncertainties. Our data are in
well agreement with the chalcophile element composition in the BSE defined by
post-Archean mantle peridotites. Near-chondritic ratios of S, Se and Te in the
Belingwe mantle source require a late veneer of volatile-rich materials. Near-
BSE Cu/Ag and Cd/In ratios are in favor of nonchondritic materials which may
have built the volatile element inventory in the Earth. Significant amounts of
S, Se and Te in the 2.4 Ga Victoria’s lava lake of the Vetreny Belt were lost
by magmatic degassing, and Cu and Ag in the 2.7 Ga Pyke Hill lava flows of the
Abitibi Greenstone Belt were disturbed remarkably. Magmatic characteristics of
volatile chalcophile elements, including S, Se, Te, Cu and Ag are not
preserved in the ~3.3 Ga Weltevreden Formation of the Barberton Greenstone
Belt and ~3.5 Ga Carl’s flow of the Schapenburg Greenstone Remnant. Ratios of
S, Se and Te in the Abitibi komatiites and samples from the Komati Formation
are comparable to that of the Belingwe komatiites and BSE. Ratios of Cu and Ag
in samples from Victoria’s lava lake and the Komati Formation also resemble
those of the Belingwe komatiites and BSE. Ratios including Cu/Se and Ag/Se of
the Komati Formation, however, are much higher than those of the Belingwe
komatiites and BSE. The decoupling of both groups of elements, i.e. S, Se and
Te versus Cu and Ag, supports the hypothesis that S, Se and Te were delivered
by late veneer and may not have been fully homogenized in the mantle source of
the Komati Formation. This interpretation is consistent with the progressive
mixing model [Maier, W.D., Barnes, S.J., Campbell, I.H., Fiorentini, M.L.,
Peltonen, P., Barnes, S.-J. and Smithies, R.H., 2009. Progressive mixing of
meteoritic veneer into the early Earth's deep mantle. Nature 460, 620-623.].
Our fractional melting model for S and Cu shows that the mantle source of the
Weltevreden Formation may have undergone substantial early melt extractions,
up to 20%, whereas early melt extractions were likely limited in the Belingwe
mantle source. Magmatic characteristics of Tl and Ba are rarely preserved in
the investigated komatiites and komatiitic basalts. With the exception of Mo
and Cd in the Belingwe komatiites and Victoria’s lava lake, igneous signatures
of Mo and Cd are not retained in these samples. In contrast, indium in the
investigated samples was not modified by late-stage alteration. Ratios of In
and Yb in Al-depleted Barberton-type komatiites from the Komati Formation are
slightly lower than those in Al-enriched komatiites of the Weltevreden
Formation and Al-depleted Barberton-type komatiites of the Schapenburg
Greenstone Belt. High In/Yb ratios indicate the participation of garnet in the
formation of these komatiites. BSE-normalized Ce/Sm ratios of pre-2.9 Ga Al-
depleted Barberton-type komatiites are higher than post-2.9 Ga Al-undepleted
Munro-type komatiites, whereas BSE-normalized Ba/Sm ratios of pre-2.9 Ga Al-
depleted Barberton-type komatiites are lower than post-2.9 Ga Al-undepleted
komatiites. Besides, abundances of light rare earth elements in Al-depleted
Barberton-type komatiites are higher than those of Al-undepleted Munro-type
komatiites. These signatures indicate the mantle sources of pre-2.9 Ga Al-
depleted Barberton-type komatiites could have been enriched by delamination of
reworked mafic crust.
de
dc.description.abstract
Der späte Eintrag von meteoritischem Material auf die Erde brachte volatile
Elemente, die essenziell für eine bewohnbare Erde sind. Die Segregation eines
metallischen Kerns vom Mantel war wahrscheinlich der einzige Prozess, der
eisen- und sulfidliebende Elemente, die auch als siderophile und chalcophile
Elemente bekannt sind, der silikatischen Gesamterdzusammensetzung entzogen
hat. Hochsiderophile Elemente (Os, Re, Ru, Rh, Pt, Pd und Re; HSE) und stark
chalkophile Elemente (S, Se, Te; SCE) partitionierten komplett in den Erdkern,
was dazu führte, dass die HSE und SCE Gehalte in der Silikaterde gegen Null
gingen. Wenn jedoch die HSE und SCE Gehalte der Gesamtsilikaterde mit Hilfe
von rezenten Mantelperidotiten bestimmt werden, sind diese um den Faktor 200
angereichert im Vergleich zu Vorhersagen aus Metall-Silikat
Verteilungsexperimenten. Zudem sind die relativen Häufigkeiten der HSE und SCE
nahe am chondritischen Wert, was einen späten Eintrag von chondritischem
Material („late Veneer“) kurz nach der Kernbildung bedingt. Ein weiterer
meteorischer Eintrag auf der Erde neben dem „Late Veneer“ war wahrscheinlich
das „Letzte starke Bombardement“ („late heavy bombartment“), das die
Mondoberfläche zwischen 4.2 und 3.75 Milliarden Jahren getroffen hatte. Es
gibt jedoch zwei Probleme mit dem „late Veneer“ und dem „late heavy
bombartment“. Die aus post-Archaischen Mantelperidotiten abgeleiteten Gehalte
an HSE und SCE für die Gesamtsilikaterde repräsentieren möglicherweise
Mischungen aus verarmten Mantelperidotiten und infiltrierenden Schmelzen.
Somit sind diese Mischungen möglicherweise nicht repräsentativ für die
silikatische Gesamterde. Unglücklicherweise wurden bisher keine Hinweise auf
das „Late heavy bombartment“, wie z. Bsp. Impaktstrukturen, in Früharchaischen
Gesteinen der Erde gefunden. Jedoch sind der Acasta Gneiss Complex im
nördlichen Kanada (Kapitel 2) und aus dem Erdmantel stammende Komatiite
(Kapitel 3-5) perfekt für die Bearbeitung dieser beiden Probleme. Der Acasta
Gneiss Complex repräsentiert Hadaeische bis Neoarchaische kontinentale Kruste,
die Komatiite sind hingegen Produkte von höheren Aufschmelzgraden des
Archaischen Mantels und somit sollten sie in ihrer chemischen Zusammensetzung
repräsentativ für diesen sein. Der Zeitraum, den die Bildung der Acasta Gneise
abdeckt, zieht sich von 4.2 Mrd. bis 3.6 Mrd. Jahre, überlappend mit dem „Late
heavy bombardment“. Die bearbeiteten Acasta Proben beinhalten ein
ultramafisches Kumulat, mittelkörnige Metagabbros, lagige Metagabbros, einen
Granatamphibolit, einen Hornblendit und Metatonalit-Trondhjemit-Granodiorite
(TTG). Die gemessenen HSE und SCE Gehalte in den Acasta Proben sind
vergleichbar mit denen von äquivalenten post-Archaischen Gesteinen.
Anreicherungen der HSE oder Fraktionierungen der SCE, hervorgerufen durch
Impakt-induziierte Entgasung, wurden nicht gefunden. Solche Ähnlichkeiten in
den HSE und SCE Signaturen in den Acasta Gneisen und deren post-Archaischen
Äquivalenten zeigen, dass die magmatischen Charakteristika dieser Elemente
während multiplen metamorphen Ereignissen nicht signifikant verloren gingen.
Dies gilt im speziellen für die TMa Re-Os Modellalter in der lagigen
Metadioritprobe AMS031A, deren Alter 4.3 ± 0.2 Mrd. Jahre beträgt und
innerhalb der Unsicherheit im Einklang mit dem Sm-Nd Alter steht. Dies zeigt
die exzellente Erhaltung von magmatischen Charakteristika in Probe AMS 031A.
Unsere Daten unterstützen, dass der „late Veneer“ gegen 4.2 Mrd. Jahre in die
Mantelquellen der Gesteine eingemischt wurde aus denen die Acasta Gneise
hervorgegangen sind. Signaturen des „late heavy bombartment“ fehlen in den
Acasta Gesteinen. Archaische Komatiite und komatiitische Basalte, die in
dieser Arbeit analysiert wurden, können in zwei Gruppen unterteilt werden: Die
post-2.9 Mrd. Jahre alten Komatiite und die prä-2.9 Mrd. Jahre alten
Komatiite. Die post-2.9 Mrd. Jahre alten Komatiite beinhalten den 2.4 Mrd.
Jahre alten Victoria’s lava lake des Veltreny Grünsteingürtels, den 2.7 Mrd.
Jahre alten Tony’s lava flow des Belingwe Grünsteingürtels und den 2.7 Mrd.
Jahre alten Pyke Hill lava flow des Abitibi Grünsteingürtels. Die prä-2.9 Ga
Komatiite beinhalten die ca. 3.3 Mrd. Jahre alte Weltevreden Formation und die
ca. 3.5 Mrd. Jahre alte Komatii Formation des Barberton Grünsteingürtels sowie
den 3.5 Mrd. Jahre alten Carl’s flow des Schapenburg Grünsteingürtelüberrests.
In dieser Arbeit wurden die Häufigkeiten einer Gruppe von Spurenelementen,
bestehend aus S, Se, Te, Cu, Ag, Mo, Tl, In, Cd, Sm und Ba, mit Hilfe der
Isotopenverdünnungsmethode und induktiv-gekoppelter Massenspektrometrie (ID-
ICP-MS) gemessen. Magmatische Signaturen einer Vielzahl von Elementen sind im
Tony’s flow des Beligwe Grünsteingürtels gut erhalten. Verhältnisse von
inkompatiblen chalkophilen Elementen wie Se/Te, Cu/Ag, Se/Cu in den Belingwe
Komatiiten sind vergleichbar mit denen der silikatischen Gesamterde, deren
Zusammensetzung durch fertile Mantelperidotite definiert wurde. Die chemische
Zusammensetzung der Mantelquelle des Tony´s lava flow, belegt durch
verschiedene graphische Element-MgO Darstellungen, ist innerhalb des Fehlers
ununterscheidbar von jener der BSE. Unsere Daten stimmen gut mit der
Zusammensetzung der chalkophilen Elemente in der durch post-Archaische
Mantelperidotite definierten BSE überein. Nahezu chondritische Verhältnisse
von S, Se und Te in der Mantelquelle der Belingwe Komatiite benötigen eine
Zugabe von volatil-reichem Material in Form des „late Veneers“. BSE-ähnliche
Cu/Ag und Cd/In Verhältnisse sprechen für nicht-chondritisches Material, dass
den Bestand an volatilen Elementen auf der Erde gebildet haben könnte.
Signifikante Mengen an S, Se und Te in dem 2.4 Mrd. Jahre alten Victoria´s
lake des Vetreny Grünsteingürtels sind durch magmatische Ausgasung verloren
gegangen, und Cu und Ag in dem 2.7 Mrd. Jahre alten Pyke Hill lava folw des
Abitibi Grünsteingürtels sind erheblich gestört. Magmatische Charakteristiken
von volatilen chalkophilen Elementen wie S, Se, Te, Cu und Ag sind nicht
erhalten in der ~3.3 Mrd. Jahre alten Weltevreden Formation des Barberton
Grünsteingürtels oder in dem ~3.5 Mrd. Jahre alten Carl´s flow des Schapenburg
Grünsteingürtelüberrests. Elementverhältnisse von S, Se und Te in den Abitibi
Komatiiten und Proben aus der Komati Formation sind vergleichbar mit den
Belingwe Komatiiten und der silikatischen Gesamterde. Elementverhältnisse von
Cu und Ag in Proben des Viktoria´s lake und der Komati Formation ähneln
ebenfalls denen der Belingwe Komatiite sowie der silikatischen Gesamterde.
Kupfer/Se und Ag/Se Verhältnisse der Komati Formation sind jedoch viel höher
als die der Belingwe Komatiite und der silikatischen Gesamterde. Die
Entkopplung beider Gruppen von Elementen, das sind, S, Se und Te auf der einen
Seite, und Cu und Ag auf der anderen Seite, unterstützt die Hypothese, dass S,
Se und Te durch den „late Veneer“ eingetragen wurden und dass die Mantelquelle
der Komati Formation möglicherweise noch nicht vollständig homogenisiert war.
Diese Interpretation stimmt mit dem progressiven Mischungsmodell von Maier et
al. (2009) überein [Maier, W.D., Barnes, S.J., Campbell, I.H., Fiorentini,
M.L., Peltonen, P., Barnes, S.-J. and Smithies, R.H., 2009. Progressive mixing
of meteoritic veneer into the early Earth's deep mantle. Nature 460,
620-623.]. Unser Schmelzfraktionierungsmodel für S und Cu zeigt, dass die
Mantelquelle der Weltevreden Formation einen erheblichen frühen Schmelzentzug
bis zu 20% erfahren hatte, wohingegen nur geringfügiger früher Schmelzentzug
in der Mantelquelle der Belingwe Komatiite eine Rolle spielte. Hauptsächlich
lithophile Elemente wie Mo, Cd, In, Sm, Ba und Tl könnten ebenfalls Aufschluss
über die Petrogenese der Komatiite liefern. Magmatische Charakteristiken von
Tl und Ba sind selten erhalten in den bearbeiteten Komatiiten und
komatiitischen Basalten. Mit der Ausnahme von Mo und Cd in den Belingwe
Komatiiten und im Victoria´s lake, sind magmatische Signaturen von Mo und Cd
in den meisten Proben nicht erhalten. Im Gegensatz dazu wurde Indium nicht
durch spätere Alteration in den untersuchten Proben verändert. Verhältnisse
von den Granat-sensitiven Elementen In und Yb in Al-verarmten Komatiiten des
Barberton-Typs der Komati Formation sind leicht niedriger als jene in den Al-
angereicherten Komatiiten der Weltvreden Formation sowie als jene der Al-
verarmten Komatiiten des Barberton-Typs in dem Schapenburg Grünsteingürtel.
Hohe In/Yb Verhältnisse in den Proben der Weltevreden Formation und des
Schapenburg Grünsteingürtels deuten auf die Beteiligung von Granat bei der
Bildung dieser Komatiite hin. Auf die silikatische Gesamterde normierte Ce/Sm
Verhältnisse von prä-2.9 Mrd. Jahre alten Al-verarmten Barberton-Typ
Komatiiten sind höher als die der post-2.9 Mrd. Jahre alten Al-unverarmten
Munro-Typ Komatiiten. Dahingegen sind die auf die silikatische Gesamterde
normierten Ba/Sm Verhältnisse der prä-2.9 Mrd. Jahre alten Al-verarmten
Barberton-Type Komatiite niedriger als die der post-2.9 Mrd. Jahre alten Al-
unverarmten Komatiite. Außerdem zeigen die leichten seltenen Erdelemente in
Al-verarmten Barberton-Typ Komatiiten eine höhere Häufigkeit als in den Al-
unverarmten Munro-Typ Komatiiten. Diese Signaturen deuten darauf hin, dass die
Mantelquellen der prä-2.9 Mrd. Jahre alten Al-verarmten Barberton-Typ
Komatiite durch Delamination von umgelagerter mafischer Kruste angereichert
worden sein könnten.
de
dc.format.extent
IV, xi, 198 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
highly siderophile elements
dc.subject
chalcophile elements
dc.subject
Acasta Gneiss Complex
dc.subject
late heavy bombardment
dc.subject
late accretion
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::551 Geologie, Hydrologie, Meteorologie
dc.title
Siderophile and chalcophile elements in the Archean mantle-crust system
dc.contributor.contact
chunhui@zedat.fu-berlin.de
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Harry Becker
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Gerhard Franz
dc.date.accepted
2016-11-08
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000103616-2
dc.title.translated
Siderophile und chalkophile Elemente im archaischen Mantle-Krustensystem
en
refubium.affiliation
Geowissenschaften
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000103616
refubium.note.author
The last page ist mistakenly numbered as 188 instead of 200.
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000020504
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access