Universität zu Köln

Hasenstab, Eric ORCID: 0000-0002-7688-6659 (2022). Long- and short-lived radiogenic isotope constraints on the history of the early Earth and the Moon. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The only known habitable planet is the Earth. As geological processes are what led to Earth's habitability, understanding Earth’s geodynamic evolution is of crucial importance. However, the geodynamic processes of the early Earth, during the Hadean (>4.0Ga), remain enigmatic. This is a consequence of Earth’s accessible rock record beginning as late as in the Eoarchean, more than 500 Ma after Earth has accreted. Unraveling Earth’s earliest processes therefore requires indirect methods such as isotope systematics. Variations in the isotope composition of short-lived decay systems such as 129I-129Xe, 146Sm-142Nd, or 182Hf-182W have provided strong evidence that substantial geodynamic processes on Earth (e.g. silicate differentiation) already operated during the Hadean. Constraints on Hadean geodynamics are further corroborated by long-lived 176Lu-176Hf and 147Sm-143Nd isotope systematics that support a complex and active history for the infant Earth. Evidence for such a vigorous early planetary evolution is found not only on Earth but also on our closest neighbor, the Moon. Although lunar research has shown that Earth and Moon must be closely related in terms of the material from which it accreted, it remains highly debated if these planetary bodies are chondritic or not. This study investigates the differentiation history of the Earth-Moon system. In three chapters, we report the isotope compositions of various long- and short-lived decay series for 3.53 to 2.63 Ga Archean rocks from the Pilbara Craton (138La-138Ce, 147-143Nd and 176Lu- 176Hf, Chapter I), ~3.8 to 2.0 Ga rocks from SW Greenland (147,146Sm-143,142Nd and 176Lu- 176Hf, Chapter II) and 4.4 to 3.1 Ga lunar rocks (138La-138Ce and 147Sm-143Nd, Chapter III). In rocks from the Pilbara Craton, Ce-Nd-Hf isotope compositions are strongly coupled and yield correlations that are similar to those observed in modern mantle-derived rocks. However, a few ultramafic rocks reveal decoupled Hf-Nd isotope compositions, where extremely high εHf(i) values but only moderately elevated ε143Nd(i) values are observed. This decoupling stands in contrast to the previously observed decoupling of Hf-Nd isotopes in Isua rocks from SW Greenland, where ε143Nd(i) scatters variable and εHf(i) being moderately elevated. In order to better constrain the origin of this decoupling we have conducted trace element and Hf-Nd-(Ce) isotope modelling. For both studied Archean localities, we were able to exclude a perovskite-related origin within a magma ocean, since sequestered perovskite cumulates would severely fractionate incompatible trace element compositions (REE, HFSE Th and Ti) (Chapter I and Chapter II). Rather, the decoupling of Hf-Nd isotopes in the Pilbara Craton is formed by the admixture of garnet-depleted melt residues into the ascending mantle plume that have a high potential to fractionate the 176Lu-176Hf from 147Sm-143Nd systematics. In contrast, in the Isua region enriched slab melts were likely responsible for the observed decoupling of Hf-Nd isotopes. Further, we have developed a new analytical tool to separate and measure mass independent and radiogenic isotopes at ultra-high precision on a Thermo Finnigan Neptune Plus® MC ICP-MS device (Chapter II). We applied our new analytical protocol to well-characterized ~3.8 to ~3.4 Ga rocks from the Isua supracrustal belt. Our observed 142Nd/144Nd compositions of Isua rocks yield excellent agreement with previously reported literature data, validating our analytical protocol. Notably, our study is the first to resolve small 142Nd/144Nd differences between ~3.8 and ~3.7 Ga rocks from the Isua greenstone belt. Generally, we see a decrease of μ142Nd anomalies between ~3.8 to ~3.4 Ga that can be interpreted to reflect replenishing lower mantle (i.e., bulk silicate Earth material) that carried no μ142Nd anomalies. To better characterize the composition of the Earth-Moon system, we investigated 147Sm-143Nd and 138La-138Ce isotope systematics as well as trace element characteristics of lunar rocks (Chapter III). Generally, all uncertainty-propagated Ce-Nd isotope best fit arrays do not intersect the chondritic value, arguing for a non-chondritic composition of the Moon. Combined trace element and Hf-Nd-Ce isotope modelling, including coupled 176Lu-176Hf- 147Sm-143Nd systematics from existing literature data, reveals that the Moon must be depleted in its incompatible trace element composition. However, the degree of depletion must be significantly smaller than inferred in previous models. In a next step, we compare Ce-Nd isotope compositions of near-contemporaneous 3.3±0.25 Ga lunar and terrestrial rocks from the Pilbara (Chapter I) and Kaapvaal Craton. Our study reveals that the Archean terrestrial rock record also does not intersect the chondritic value. Instead, the lunar and terrestrial array share a common intersection that is indistinguishable from our modelled one. We take this as evidence that not only the Moon but also Earth must be slightly depleted. These findings have far-reaching consequences and require a revaluation of depleted and primitive mantle domains and their mass balances in terrestrial crustal and mantle reservoirs.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Erde ist der einzige uns bekannt Planet auf dem es Leben gibt. Da es die geologischen Prozesse waren, die die Erde zu einem bewohnbaren Planeten geformt haben, ist das Verständnis der frühen geodynamischen Erdgeschichte von zentraler Bedeutung. Gerade jedoch die frühen geodynamischen Prozesse des Hadaikums bleiben noch immer rätselhaft, da selbst die ältesten Gesteine der Erde das Eoarchaikum nicht überschreiten und somit mehr als 500 Ma hadaischer Erdgeschichte nicht länger erhalten sind. Um diese frühen Prozesse dennoch zu entschlüsseln haben sich indirekte Methoden bewährt. Variationen in der Isotopenzusammensetzung von kurzlebigen Zerfallssystemen wie 129I- 129Xe, 146Sm-142Nd, oder 182Hf-182W haben starke Belege geliefert, dass bereits im Hadaikum geodynamische Prozesse (z.B. Silikat Differenzierung) abliefen. Nachweise für geodynamische Prozesse im Hadaikum sind auch durch die beiden langlebigen Zerfallsreihen 176Lu-176Hf und 147Sm-143Nd gesichert, die eine aktive und komplexe Geschichte der jungen Erde belegen. Die Belege für eine so lebhafte frühe planetare Entwicklung finden sich jedoch nicht nur auf der Erde, sondern auch auf unserem nächsten Nachbarn, dem Mond. Obwohl die Mondforschung der letzten Jahrzehnte zeigen konnte, dass Erde und Mond von sehr ähnlichem Material akkretierten, bleibt die Frage nach einer chondritischen Zusammensetzung für diese beiden planetaren Körper noch immer hochumstritten. Diese Studie untersucht die Differenzierungsgeschichte des frühen Erde-Mond Systems. In drei Kapiteln werden Isotopenzusammensetzungen für verschiedene kurz- und langlebige Zerfallsreihen für 3.53 bis 2.63 Ga archaische Gesteine vom Pilbara Kraton in NW Australien (138La-138Ce, 147-143Nd und 176Lu-176Hf, Kapitel I), ~3.8 bis 2.0 Ga Gesteine aus SW Grönland (147,146Sm-143,142Nd und 176Lu-176Hf, Kapitel II) und 4.4 bis 3.1 Ga Mondgesteine (138La-138Ce und 147Sm-143Nd, Kapitel III) berichtet. In den Gesteinen des Pilbara Kratons sind Ce-Nd-Hf Isotope stark gekoppelt und ähneln in ihrer Zusammensetzung denen aus rezenten Mantelgesteinen. Allerdings zeigen ein paar ultramafische Gesteine entkoppelte Hf-Nd Isotopenzusammensetzungen in denen stark erhöhte εHf(i) aber nur moderate erhöhte ε143Nd(i) Werte beobachtet werden. Diese Arte der Entkopplung ist gegensätzlich zu der die in Isua Gesteinen aus SW Grönland beobachtet wird, wo ε143Nd(i) Werte stark streuen, εHf(i) Werte jedoch konstant sind. Um den Ursprung dieser Entkopplung besser zu verstehen, werden Spurenelement und Hf-Nd-(Ce) Isotopenmodellierungen durchgeführt. Für beide Archaische Lokalitäten kann ein Perovskit-bezogener Ursprung innerhalb eines Magma Ozeans ausgeschlossen werden, da solche Perovskit Kumulate die Zusammensetzung an inkompatiblen Spurenelementen (REE, HFSE, Th und Ti) zu stark fraktionieren würden. (Kapitel I und Kapitel II). Im Pilbara Kraton wird die Entkopplung von Hf-Nd Isotopen eher durch das Beimischen von Granat-verarmte Schmelzresiduen in den aufsteigenden Mantelplume hervorgerufen, die hohes Potential haben, das 176Lu-176Hf vom 147Sm-143Nd Zerfallssystem zu fraktionieren. Im Gegensatz dazu waren in der Isua Region wahrscheinlich Slab-Schmelzen für die Entkopplung von Hf-Nd Isotopen verantwortlich. Darüber hinaus wird eine neue analytische Methodik beschrieben, die die Abtrennung und Messung von massenunabhängigen und radiogenen Nd Isotope in ultra-hoher Präzision an einer Thermo Finnigan Neptune Plus® MC ICP-MS ermöglicht (Kapitel II). Diese neue analytische Methodik wird and gut charakterisierten ~3.8 bis ~3.4 Ga Gesteinen des Isua suprakrustalen Grünsteingürtels angewendet. Die hier beobachteten 142Nd/144Nd Isotopen Zusammensetzungen zeigen eine hervorragende Übereinstimmung mit bereits publizierten Literaturdaten und validieren unsere neue analytische Methodik. Darüber hinaus ist diese Studie die erste die es schafft kleine 142Nd/144Nd Isotopenunterschiede zwischen den ~3.8 und ~3.7 Ga Gesteinen auflösen zu können. Ein generelles Abnehmen an μ142Nd Anomalien zwischen ~3.8 bis 3.4 Ga wird als Homogenisierung durch den darunter liegenden Mantel interpretiert, der keine μ142Nd Anomalien aufweist und vermutlich die Durchschnittszusammensetzung der Erde hatte. Um die Zusammensetzung des Erde-Mond Systems besser zu bestimmen werden 147Sm-143Nd und 138La-138Ce Isotopensystematiken sowie Spurenelementzusammensetzungen von Mondgesteinen untersucht (Kapitel III). Generell schneidet keiner der fehlerfortgepflanzten Ce-Nd Isotopen Arrays die chondritische Zusammensetzung, was für eine nicht-chondritische Zusammensetzung des Mondes spricht. Kombinierte Hf-Nd-Ce Isotopen- sowie Spurenelement-Modellierungen, die auch 176Lu-176Hf und 147Sm-143Nd Systematiken aus Literaturdaten miteinbeziehen, zeigen, dass der Mond in seiner inkompatiblen Spurenelementzusammensetzung verarmt sein muss. Allerdings muss der Grad der Verarmung deutlich geringer sein als in bisherigen Modellen postuliert. In einem nächsten Schritt werden die Ce-Nd Isotopenzusammensetzungen von nahezu gleichaltrigen 3.3±0.25 Ga Gesteinen der Pilbara (Kapitel I) und Kaapvaal Kratons verglichen. Diese Studie enthüllt, dass auch terrestrische fehlerfortgepflanzte Arrays nicht die chondritische Zusammensetzung schneiden. Dafür zeigen der lunare und terrestrische Array einen gemeinsamen Schnittpunkt der von der hier modellierten Zusammensetzung des Mondes ununterscheidbar ist. Das wird als Beleg interpretiert, dass nicht nur der Mond, sondern auch die Erde leicht verarmt sein muss. Diese Erkenntnis hat weitreichende Konsequenzen und erfordern eine Neubewertung von verarmten und primitiven Reservoiren und deren Massenbilanzen in terrestrischen krustalen und Mantelreservoiren. UNSPECIFIED
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Hasenstab, Eric ehasens1@uni-koeln.de orcid.org/0000-0002-7688-6659 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-630697
Date:	29 April 2022
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:	Generalities, Science Natural sciences and mathematics Physics Chemistry and allied sciences Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Erde German Mond German radioaktiver Zerfall German Australien, Pilbara German Grönland, Isua German Ce Isotope German Nd Isotope German Hf Isotope German Planetare Differenzierung German Planetologie German 142Nd German Earth English Moon English radiaktive decay English Australia, Pilbara English Greenland, Isua English Ce isotopes English Nd isotopes English Hf isotopes English planetary differentiation English planetology English 142Nd English UNSPECIFIED English
Date of oral exam:	29 April 2022
Referee:	Name Academic Title Münker, Carsten Prof. Dr. Herwartz, Daniel PD Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/63069