Universität zu Köln

Funk, Claudia (2015). Abundances and distribution of chalcogen volatile elements in chondritic meteorites and their components. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The Sun comprises approximately 99.8 % of the matter of the solar system. Thus, the chemical composition of the Sun is considered representative for the composition of the solar system in cosmochemistry. Based on spectroscopic studies of the solar photosphere and chemical investigations on meteorites, the composition of the solar system is now relatively well known. There is one group of meteorites – the CI chondrites – that are of special interest as their composition is nearly indistinguishable from the composition of the solar photosphere for non-atmophile elements. Thus, the composition of CI chondrites is broadly used for reference purposes in cosmochemistry. Compared to CI chondrites all other inner solar system materials are depleted in volatile elements. The reasons for this pervasive primary depletion of volatile elements are still under debate. Chondritic meteorites contain the most pristine solar system materials available for scientific investigations. They consist of different components such as chondrules (small melt droplets), refractory inclusions (e.g. Ca, Al-rich inclusions), metals, and sulfides embedded in fine-grained matrix material. Some of these components are thought to have formed under different spatio-temporal conditions (e.g. Chondrules and CAIs) before they assembled to form the chondrite parent bodies. After accretion, processes such as thermal metamorphism, aqueous alteration, and shock metamorphism during collisions may have further changed the chemical composition of chondritic material. Investigations on chondrites that largely escaped such secondary processes yield information about the pre-accretionary processes that were involved in the primary depletion of volatile elements in the early solar system. To better understand these processes the focus of this work was on the development and utilization of novel analytical methods to study the elemental abundances in chondritic components and in bulk chondrites. A special focus was on the chalcogen and moderately volatile elements sulfur, selenium and tellurium. The first chapter of this dissertation contains a general introduction to the topic. Chapter 2 comprises the analytical protocols of all methods that were applied within this thesis. These methods were utilized for the quantification of major-, minor-, and trace elements in two novel reference materials developed for laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) during this PhD. This chapter includes the reference concentrations determined for the reference materials and the data assessment. For the determination of major-, minor-, and trace element concentrations by sector field ICP-MS in “synthetic” and natural chondritic reference materials matrix-matched calibration solutions were developed and prepared. An isotope dilution ICP-MS method for the highly precise and accurate determination of Se and Te concentrations was refined and adjusted to chondrites, while a second isotope dilution ICP-MS method to determine S concentrations in bulk chondrites was set up completely new. Both methods are now routinely implemented and allow the determination of accurate and precise S, Se and Te concentrations from the same sample aliquot. Chapter 3 comprises the analytical approach to determine the abundances and distributions of elements in chondritic components using femtosecond LA-ICP-MS. The focus was on the elaborative quantification of elements in chemically and physically heterogeneous and thus challenging chondritic matter. Because common procedures to correct for different ablation yields between sample and external calibration material failed, an alternative strategy was applied. However, this strategy in which the ablation yield is corrected by the total material requires a suitable external calibration material for major and minor element calibration in chondrites. According to this, matrix-matched calibration and reference materials (based on synthetic and natural nano-particles) were designed, prepared, quantified (Chapter 2) and applied (Chapter 4) during this PhD project. This chapter thus contains the application and applicability of the novel reference materials as well as the analytical setup and the strategy for data evaluation. In Chapter 4 highly precise and accurate isotope dilution ICP-MS concentration data for S, Se, and Te in 54 chondrites of different classes and groups of carbonaceous, ordinary, enstatite, and Rumuruti chondrites are presented. Furthermore, this chapter presents the first data obtained from the newly developed femtosecond LA-ICP-MS method described in Chapter 3. In-situ laser ablation ICP-MS data yield information about the distribution and the relative abundances of S, Se and Te in sulfides and metals in different chondritic components such as chondrules, matrix, and refractory inclusions. Initial results indicate that S, Se, and Te depletion and in particular the decoupling of Te from Se in ordinary chondrites might be related to chondrule formation. It is demonstrated that bulk analyses are instructively complemented by the in-situ LA-ICP-MS analysis.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Häufigkeiten und Verteilung chalkogen flüchtiger Elemente in chondritischen Meteoriten und deren Komponenten German
Translated abstract:	Abstract Language Da die Sonne mit ~99.8 % den Hauptteil der Materie unseres gesamten Sonnensystems umfasst wird die chemische Zusammensetzung der Sonne in der Kosmochemie mit der chemische Zusammensetzung unseres Sonnensystems gleichgesetzt. Mit Hilfe spektroskopischer Untersuchungen der Photosphäre der Sonne und chemischer Untersuchungen an Meteoriten sind die Häufigkeiten der meisten Elemente des Sonnensystems mittlerweile relativ gut bekannt. CI Chondriten kommt dabei eine besondere Rolle zu, da die relative Häufigkeit für fast alle non-volatilen Elemente in CI Chondriten nahezu identisch ist mit denen der solaren Photosphäre. Aufgrund dessen wird die chemische Zusammensetzung dieser Meteorite in der Kosmochemie als Referenz benutzt. Im Vergleich zu CI Chondriten sind alle anderen Materialien des inneren Sonnensystems an kosmochemisch flüchtigen Elementen wie K, Zn oder S verarmt. Die Prozesse die zur primären Verarmung flüchtiger Elemente geführt haben sind noch nicht endgültig geklärt. CI und andere chondritische Meteorite sind das ursprünglichste Material des inneren Sonnensystems, welches für Laboruntersuchungen zur Verfügung steht. Sie bestehen aus unterschiedlichen Komponenten wie Chondren (kleine Schmelzkügelchen), und refraktären Einschlüssen (z. B. Ca, Al-reiche Einschlüsse), Metallen und Sulfiden, eingebettet in feinkörnigem Matrixmaterial. Einige dieser Komponenten sind zeitlich und/-oder räumlich unabhängig voneinander entstanden (z. B. Chondren und CAIs) bevor sie sich gemeinsam zu Mutterkörpern zusammengefügt haben. Nach der Akkretion können weitere Prozesse wie thermische Metamorphose und wässrige Alteration auf dem Mutterkörper oder auch Schockmetamorphose aufgrund von Kollisionen die chemische Zusammensetzung verändert haben. Betrachtet man jedoch die Chondrite und deren Komponenten die durch solche sekundären Prozesse weitgehend verschont geblieben sind, erhält man Informationen über die prä-akkretionären Prozesse die an der Verarmung flüchtiger Elemente im frühen inneren Sonnensystem beteiligt waren. Um diese Prozesse besser zu verstehen wurden in dieser Arbeit gezielt neue analytische Methoden zur Untersuchung der Elementhäufigkeiten in chondritischen Komponenten und in gesamtchondritischem Material entwickelt und angewendet. Ein besonderer Focus lag dabei auf den chalcogenen, moderat flüchtigen Elementen Schwefel, Selen und Tellur. Nach der Einleitung in Kapitel 1, werden in Kapitel 2 der vorliegenden Arbeit die Protokolle für alle analytischen Methoden die im Rahmen dieser Arbeit verwendet, und in diesem Kapitel in Verbindung mit der Quantifizierung von Haupt-, Neben-, und Spurenelementen zweier neu entwickelter Referenzmaterialien für die Laserablations ICP-MS (induktiv gekoppelte Plasma Massenspektrometrie) angewendet wurden. Somit enthält dieses Kapitel auch die für diese Referenzmaterialien ermittelten Referenzwerte und deren Bewertung. Für die Bestimmung der Haupt-, Neben-, und Spurenelemente mittels Sektorfeld-ICP-MS in „synthetischen“ und natürlichen chondritischen Referenzmaterialien wurden matrixangepasste Kalibrierlösungen entwickelt und hergestellt. Die Isotopenverdünnungs-ICP-MS Methoden für die präzise und akkurate Bestimmung der Gesamtkonzentration an Schwefel, Selen und Tellur in Chondriten wurden für Se und Te verfeinert und an chondritisches Material angepasst und für S neu aufgesetzt. Beide Messverfahren wurden als Routinemethoden etabliert. In Kapitel 3 wird die Herangehensweise zur Bestimmung der Konzentration und Verteilung von Elementen in chondritischen Komponenten per Femtosekunden-, Laserablations-ICP-Massenspektrometrie (LA-ICP-MS) dargelegt. Da die komplexe chemische und physikalische Beschaffenheit von chondritischem Material gewöhnliche Verfahren zur Korrektur unterschiedlicher Ablationsraten zwischen externem Kalibrierungsmaterial und Probe schwer möglich macht, wurde ein alternatives Korrekturverfahren angewendet bei dem die vorherige Bestimmung der Konzentration für ein internes Standardelement durch externe Verfahren (z. B. Elektronenstrahlmikrosonde) nicht erforderlich ist. Der Korrekturfaktor für die unterschiedlichen Ablationsraten wird hier über die Summe der Haupt- und Nebenelemente berechnet, welche hierfür per Laserablations ICP-MS mitgemessen werden. Zur externen Kalibrierung der Haupt- und Nebenelemente wurde eine matrixangepasste Pulverpresstablette aus Nanopartikeln hergestellt, welche diese Elemente etwa in CI-chondritischer Häufigkeit enthält. Eine weitere Presstablette wurde für die Qualitätskontrolle aus dem CM2 Chondriten Cold Bokkeveld hergestellt und auf die Anwendbarkeit als externes Kalibrierungsmaterial getestet. Die Anwendung und Anwendbarkeit der beiden neuen Referenzmaterialien, sowie der analytische Aufbau und die Auswertungsstrategie der Laserdaten sind in diesem Teil der Arbeit abgefasst. In Kapitel 4 werden die Ergebnisse von hochpräzisen S, Se, und Te Konzentrationsdaten für 54 Gesamtchondrite unterschiedlicher Klassen und Gruppen kohliger, gewöhnlicher, Enstatit-, und Rumurutichondrite aus Isotopenverdünnungs ICP-MS Messungen präsentiert. Des Weiteren werden hier die ersten Ergebnisse, die mit der in Kapitel 3 beschriebenen Laserablations-ICP-MS Methode gewonnen wurden vorgestellt. Die in-situ Laserablations ICP-MS Analysen geben Aufschluss über die Verteilung, die Konzentrationen und die relativen Häufigkeiten von S, Se und Te in Sulfiden und Metallen, welche Bestandteil der unterschiedlichen chondritischen Komponenten wie Chondren, Matrix, und refraktäre Einschlüsse sind. Erste Ergebnisse verweisen darauf dass die Verarmung der moderat flüchtigen Elemente S, Se und Te und insbesondere die Entkopplung von Te in gewöhnlichen Chondriten, im Zuge der Chondrenentstehung stattgefunden haben kann. Es wird gezeigt dass die in-situ Analysen an chondritischen Komponenten Informationen hervorbringen die gesamtchondritische Konzentrationsmessungen ergänzen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Funk, Claudia claudiafunkfunkclaudia@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
Contributors:	Contribution Name Email UNSPECIFIED Münker, Carsten c.muenker@uni-koeln.de Thesis advisor Hezel, Dominik dominik.hezel@uni-koeln.de
Corporate Creators:	Universität zu Köln, Institut für Geologie und Mineralogie
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-61506
Date:	2015
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:	Natural sciences and mathematics Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language chalcogen elements, volatile elements, sulfur, selenium, tellurium, isotope dilution, femtosecond laser ablation ICP-MS, chondritic components, element distribution, chondrules, matrix, depletion, English
Date of oral exam:	8 May 2015
Referee:	Name Academic Title Münker, Carsten Prof. Dr. Hezel, Dominik PD Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6150