dc.contributor.author
Wang, Zaicong
dc.date.accessioned
2018-06-07T19:23:55Z
dc.date.available
2014-04-09T13:08:44.860Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/6058
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-10257
dc.description.abstract
Abundances and ratios of chalcogen elements (S, Se and Te) and highly
siderophile (iron-loving) elements (HSE) and Os isotopes in the upper mantle
and mantle-derived melts are essential to constrain late accretion history of
the Earth and a spectrum of mantle processes such as melt extraction,
transport, refertilization and crustal recycling. The excess of HSE and the
chondritic ratios of most HSE in primitive mantle (PM) have been interpreted
to reflect the accretion of a chondritic ‘late veneer’ of about 0.5 % of
Earth’s mass after core formation. The moderately volatile chalcogens S, Se
and Te are moderately to highly siderophile at high pressure-temperature (P-T)
conditions, thus, if depleted by core formation, their mantle abundances would
reflect the volatile composition of the late veneer. Mantle peridotites with
different extent of depletion by partial melting and re-enrichment by melt
infiltration have been analyzed for abundances of S, Se and Te, in comparison
to HSE, to constrain their abundances and ratios in the PM. Comparative
studies of the Baldissero and Balmuccia peridotite bodies (Ivrea-Verbano Zone,
Italian Alps) and of mantle pyroxenites from Balmuccia indicate details of the
influence of partial melting and melt infiltration on abundances of HSE, S, Se
and Te and 187Os/188Os in the mantle and fractionation of these elements
during melt transport and redistribution in the mantle. At Balmuccia, Re
depletion ages (TRD) of lherzolites and replacive dunites display a uniform
distribution with a peak at 300-500 Ma. Baldissero peridotites also display a
Paleozoic distribution peak but a significant number of samples yielded
Proterozoic TRD. The different extents of preservation of ancient 187Os/188Os
in Balmuccia and Baldissero peridotites reflect different degrees of isotopic
homogenization and chemical re-equilibration with infiltrating incompatible
element-depleted melt during the Paleozoic. The differences between the two
bodies are also reflected by homogeneity of HSE and chalcogen abundances at
Balmuccia. The lithophile element, HSE and chalcogen variations of different
suites of lherzolites likely reflect different extents of reactive melt
infiltration in mantle peridotites with partial re-equilibration and melt
extraction in open system environments. The compositions and contact relations
of the replacive Balmuccia dunites with the host lherzolites indicate that
focused flow of sulfur-undersaturated melt occurred after the melting episode
in the lherzolites. The compositional record of the Balmuccia massif thus
reflects the composition of different types of melts and their interaction
with the peridotites at different P-T conditions. Magmatic fractionation of
chalcogens, the HSE and Os isotopes in websterites and spinel clinopyroxenites
in the Balmuccia peridotite massif sheds significant insight on the connection
between the reactive infiltration of mantle peridotites and pyroxenite
formation and on the role of pyroxenites during melting of heterogeneous
mantle. Both websterites and clinopyroxenites are consistent with crystal
accumulation from S saturated melts but have different contents and
fractionations of the HSE and chalcogens. Notably, in websterite parent melts,
Re/Os, Pd/Ir, S/Re, S/Se, Se/Te, high HSE contents and initial Os isotopes are
similar to values for secondary interstitial sulfides of refertilized
peridotites reported in the literature, but different from unequilibrated
sulfide inclusions in peridotite minerals. These observations suggest a common
origin of sulfides precipitated from silicate melts during refertilization of
peridotites and melts that have precipitated websterites. The similarities
imply that open system melting of peridotites occurred by preferential removal
of interstitial sulfides with silicate melts during melt extraction and melt-
peridotite reaction. Clinopyroxenites have MORB-like HSE and chalcogen
compositions and high S, Se and Re contents similar to websterites, but
display lower abundances and stronger fractionations of other HSE and Te
compared to websterites. Subparallel HSE patterns with several orders of
magnitude variation and S/Se and Se/Te ratios suggest that clinopyroxenites
formed from evolved melts that have undergone sulfide segregation in the
mantle. Incomplete equilibration of infiltrating melts with peridotites and
selective remelting of pyroxenites or veined peridotites can explain Os
isotopic disequilibrium and heterogeneity in the mantle and in basalts.
Results for mantle peridotites and pyroxenites are consistent with sulfide-
silicate melt partitioning and mixing during reactive infiltration as the
dominant control on abundances of the HSE, S, Se and Te in magmas and mantle
rocks. Apparent partition coefficients during low to moderate degrees of melt
extraction and subsequent fractional crystallization are: DPt > DPd > DTe >
DAu (?) > DSe ≥ DS ≈ DRe. Variable degrees of refertilization of lherzolites
apparently does not produce significant differences in HSE and chalcogen
ratios such as Os/Ir, Ru/Ir, Rh/Ir, Pd/Pt, S/Se and Se/Te. A linear decrease
of S abundances with decreasing Al2O3 contents, both for the whole data set of
mantle peridotites, and for individual suites of peridotites, reflects sulfide
removal controlled by sulfur solubility in silicate melt, or co-precipitation
with pyroxenes and spinel. Similarly, Se and Te also display positive trends
with Al2O3 and S contents, although with larger scatter. S/Se and Se/Te in the
lherzolites change little with decreasing Al2O3, with a mean S/Se of 2690±700
(1σ, n=53) and Se/Te of 7.9±1.6 (1σ, n=63). Regression of abundances of S, Se,
Te, Pd and Al2O3 contents in the peridotites yield minimum estimates on
abundances of S, Se and Te in the PM (S=211±40 µg/g, Se=80±17 ng/g, Te
=11.0±1.7 ng/g, 1σ; or 0.0040±0.0008×CI chondrites). The mean S/Se and Se/Te
of mantle lherzolites overlap with CI chondrite values, and Se/Te in these
samples are significantly different from ordinary and enstatite chondrites.
The chalcogen/HSE ratio of the PM is similar to CM group carbonaceous
chondrites, consistent with the view that the HSE signature of the PM reflects
a predominance of slightly volatile depleted carbonaceous chondrite like
material, possibly with a minor proportion of non-chondritic material. The
chondritic composition indicates that the proportion of chalcogens in the
mantle that are leftover from core formation must be negligible. A volatile-
rich late veneer after formation of Earth’s core may have provided from 20 %
to 100 % of the budget of water and carbon in the silicate Earth. Geological
reference materials with variable composition and NIST SRM 612 have been
analyzed to evaluate the utility of the analytical methods newly developed in
this work. The results show that the method may minimize loss of volatile
chalcogens during the closed-system digestion of a high pressure asher and
indicates different extent of heterogeneity of chalcogens and HSE at low test
portion size and importance of obtaining HSE and chalcogen contents in the
same sample aliquot.
de
dc.description.abstract
Häufigkeiten und Verhältnisse chalkogener (S, Se und Te) und hoch siderophiler
Elemente (HSE) sowie Osmium Isotopenverhältnisse im oberen Mantel und in
Mantelschmelzen sind entscheidend, um die späte Akkretionsgeschichte der Erde
sowie ein Spektrum von Mantelprozessen wie Schmelzextraktion, Schmeltransport,
Refertilisation und Krusten- Recycling zu belegen. Der Überschuss der HSE und
die chondritischen Verhältnisse der meisten HSE im primitiven Mantel (PM)
werden als Akkretion eines chondritischen „late veneer“, mit ungefähr 0,5 %
der Erdmasse, nach der Kernbildung interpretiert. Die moderat volatilen
Chalkogene S, Se und Te sind unter Hochdruckbedingungen (P-T) moderat bis hoch
siderophil und ihre Mantelvorkommen reflektieren die volatile Zusammensetzung
des „late veneer“ wenn sie bei der Kernbildung verarmt wurden.
Mantelperidotite, die in unterschiedlichen Ausmaßen durch partielles
Aufschmelzen verarmt und durch Schmelz Infiltrationwieder- angereichert
wurden, sind auf ihre S, Se und Te Konzentrationen und Verhältnisse, im
Vergleich zu HSE, analysiert worden um Konzentrationen und Verhältnisse dieser
Elemente im primitiven Mantel zu belegen. Vergleichende Studien der Baldissero
und Balmuccia Peridotitkörper (Ivrea-Verbano Zone, italienische Alpen) und an
Mantelpyroxeniten aus Balmuccia zeigen Details des Einflusses partieller
Aufschmelzung und Schmelzinfiltration auf die Häufigkeiten der HSE, S, Se und
Te sowie 187Os/188Os im Mantel und die Fraktionierung dieser Elemente während
des Schmelztransports und der Umverteilung im Mantel an. Re Verarmungsalter
(TRD) von Lherzolithen und Lherzolith ersetzenden Duniten in Balmuccia zeigen
eine gleichförmige Verteilung mit einem Maximum um 300-500 Ma. Peridotite aus
Baldissero zeigen ebenfalls ein paläozoisches Verteilungs Maximum, wobei aber
eine signifikante Anzahl von Probenauch proterozoische TRD ergeben. Das
unterschiedliche Ausmaß der Konservierung alter 187Os/188Os Verhältnisse in
Peridotiten aus Balmuccia und Baldissero spiegelt verschiedene Grade der
isotopischen Homogenisierung und chemischen Re-equillibrierung mit
infiltrierenden, an inkompatiblen Elementen verarmten, Schmelzen im
Paläozoikum wieder. Die Unterschiede beider Körper spiegeln sich ebenso in der
Homogenität der HSE und chalkogener Elemente in Balmuccia wieder. Die
lithophilen, HSE und chalkogenen Elementvariationen verschiedener Lherzolith-
Folgen spiegeln wahrscheinlich verschiedene Grade reaktiver
Schmelzinfiltration in Mantelperidotiten mit partieller Re-equillibrierung und
Schmelzextaktion unter „open system“-Bedingungen wieder. Die Zusammensetzungen
und Kontaktbeziehungen der Lherzolith ersetzenden Dunite in Balmuccia mit den
umgebenden Lherzolithen deuten auf das Auftreten räumlich fokussierter,
Schwefel-untersättigter Schmelzen nach Schmelzepisoden in den Lherzolithen
hin. Die Zusammensetzung des Balmuccia- Massivs spiegelt die verschiedenen
Zusammensetzungen verschiedener Arten von Schmelzen und ihre Interaktion mit
den Peridotiten unter verschiedenen P-T Bedingungen wieder. Die Magmatische
Fraktionierung der Chalkogene, HSE und Os-Isotope in Websteriten und Spinell-
Klinopyroxeniten im Balmuccia Peridotitmassiv gibt signifikante Einblicke über
die Beziehung zwischen der reaktiven Infiltration von Mantelperidotiten und
der Pyroxenit Genese sowie der Rolle von Pyroxeniten während dem Aufschmelzen
des heterogenen Mantels. Websterite und Klinopyroxenite sind beide konsistent
mit einer kristallinen Akkumulation aus Schwefel gesättigten Schmelzen, haben
aber verschiedene Gehalte und Fraktionierungen der HSE und chalkogenen
Elemente. Bemerkenswert ist, dass die Re/Os, Pd/Ir, S/Re, S/Se, Se/Te, hohe
HSE-Gehalte und initiale Os Isotopenverhältnisse in den Ausgangsschmelzen der
Websterite Literaturwerten sekundärer interstitieller Sulfiden von
refertilisierten Peridotiten ähneln, sich aber von unequilibrierten Sulfid-
Inklusionen in Peridotitmineralen unterscheiden. Diese Beobachtungen deuten
auf einen gemeinsamen Ursprung der Sulfide, die während der Refertilisierung
der Peridotite aus den Silikatschmelzen ausgefallen sind, und der Schmelzen,
aus denen die Websterite präzipitiert sind, hin. Die Ähnlichkeiten
implizieren, dass sich das Aufschmelzen der Peridotite im offenen System,
während der bevorzugten Entfernung interstitieller Sulfide durch die
Silikatschmelzen während Schmelzextraktion und Schmelz-Peridotit Reaktion,
ereignet hat. Klinopyroxenite haben MORB-ähnliche HSE und chalkogene
Zusammensetzungen und hohe S, Se und Re Gehalte, die Websteriten ähneln,
zeigen aber geringere Häufigkeiten und stärkere Fraktionierungen der anderen
HSE und Te verglichen mit Websteriten. Subparallele HSE-Muster mit Variationen
in verschiedenen Größenordnungen und S/Se- und Se/Te-Verhältnisse zeigen an,
dass sich die Klinopyroxenite aus entwickelten Schmelzen gebildet haben,
welchen Sulfidsegregation im Mantel vorangegangen ist. Unvollständige
Equilibrierung der infiltrierten Schmelzen mit Peridotiten und selektives
Wiederaufschmelzen der Pyroxenite oder von durch Adern durchzogenen
Peridotiten können Os Isotopenungleichgewichte und –heterogenitäten im Mantel
und in Basalten erklären. Die Ergebnisse für Mantelperidotite und Pyroxenite
sind konsistent mit Sulfid-Silikat Schmelzverteilungen und –Mischung
währendreaktiver Schmelzinfiltration als dominantem Prozess für die
Häufigkeiten der HSE, S, Se und Te in den Magmen und Mantelgesteinen. Die
offensichtlichen Verteilungskoeffizienten während geringer bis moderater Grade
der Schmelzextraktion und nachfolgender fraktionierter Kristallisation sind:
DPt > DPd > DTe > DAu (?) > DSE ≥ DS ≈ DRE. Verschiedene Grade der
Refertilisierung der Lherzolithe produzieren anscheinend keine signifikanten
Unterschiede in den HSE und chalkogenen Elementverhältnissen wie Os/Ir, Ru/Ir,
Rh/Ir, Pd/Pt, S/Se und Se/Te. Eine lineare Abnahme der S Häufigkeiten mit
abnehmenden Al2O3 Gehalten, sowohl im gesamten Datensatz der Mantelperidotite,
als auch für einzelne Anzahlen von Peridotiten, spiegeln eine Entfernung von
Sulfiden, welche entweder durch die Schwefellöslichkeit in Silikatschmelzen
oder durch die Co-Präzipitation mit Pyroxenen und Spinellen kontrolliert wird,
wieder. In ähnlicher Weise zeigen Se und Te ebenfalls positive Trends mit
Al2O3 und S Gehalten, wenn auch mit größerer Streuung. S/Se und Se/Te in den
Lherzolithen ändern sich geringfügig mit abnehmenden Al2O3-Gehalten, mit
durchschnittlichen S/Se-Verhältnissen von 2690±700 (1σ, n=53) und Se/Te-
Verhältnissen von 7,9±1,6 (1σ, n=63). Regressionen der Häufigkeiten von S-,
Se-, Te-, Pd- und Al2O3-Gehalten in den Peridotiten ergeben
Minimumabschätzungen für S-, Se- und Te-Häufigkeiten im PM (S=211±40 µg/g,
Se=80±17 ng/g, Te =11,0±1,7 ng/g, 1σ; oder 0.0040±0.0008×CI chondritisch). Die
durchschnittlichen S/Se und Se/Te der Mantellherzolithe überschneiden sich mit
den CI-chondritischen Werten und die Se/Te-Verhältnisse dieser Proben
unterscheiden sich signifikant von gewöhnlichen- und Enstatit- Chondriten. Die
chalkogen/HSE-Verhältnisse des PM sind den Verhältnissen der kohligen
Chondrite der CM-Gruppe ähnlich, übereinstimmend mit der Ansicht, dass die
HSE-Signatur des PM ein Übergewicht eines kohligen chondrit-ähnlichem Material
wiederspiegelt, das leicht an volatilen Elementen verarmt ist, welches
wahrscheinlich einen kleinen Anteil nicht-chondritischen Materials enthält.
Die chondritische Zusammensetzung zeigt, dass die Anteile der Chalkogene im
Mantel, die von der Kernbildung übrig geblieben sind, zu vernachlässigen ist.
Eine volatil-reiches „late veneer“ nach der Bildung des Erdkerns lieferte 20%
bis 100% des Gesamtanteils an Wasser und Kohlenstoff in der Silikaterde.
Geologische Referenzmaterialien mit variierenden Zusammensetzungen und NIST
SRM 612 wurden analysiert, um die Brauchbarkeit der in dieser Arbeit neu
entwickelten Methoden zu evaluieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Methode
den Verlust an volatilen Chalkogenen während dem Aufschluss im geschlossenen
System in einem Hochdruckverascher minimieren kann und zeigt verschiedene
Ausmaße von Heterogenitäten der Chalkogene und HSE in kleinen Probenfraktionen
und die Bedeutung für HSE- und Chalkogengehalte aus den selben
Probenaliquoten.
de
dc.format.extent
IV, VI, 186 S.
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Highly siderophile elements
dc.subject
Chalcogen elements
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie
dc.title
Constraints on mantle processes and late accretion from chalcogen and highly
siderophile element abundances in rocks from the Earth’s mantle
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Harry Becker
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Andreas Stracke
dc.date.accepted
2014-02-14
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000096430-3
dc.title.translated
Nachweis von Mantel-Prozessen und später Akkretion anhand der Häufigkeiten von
chalkogenen und hoch siderophilen Elemente in Erdmantelgesteinen
de
refubium.affiliation
Geowissenschaften
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000096430
refubium.mycore.derivateId
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