Wolframisotopensignaturen von Large Igneous Provinces

Fragen zur Entstehung und Entwicklung des Planeten Erde beschäftigen Wissenschafter bereits seit Jahrhunderten. Seit ihrer Entstehung haben Prozesse das Äußere und Innere der Erde kontinuierlich verändert. Metall-Silikat-Entmischungsvorgänge in den ersten Millionen Jahren (Ma) führten zu einem differenzierten Planeten mit metallischem Kern und silikatischem Mantel. Verschiedene Disziplinen der Geowissenschaften, einschließlich Geochemie, geodynamische Modellierung und Geophysik, studieren seit Jahrzehnten die Prozesse im Erdinneren. Trotz intensiver Forschung gibt es jedoch noch viele offene Fragen. Geochemische Hinweise auf frühe Erdprozesse stammen hauptsächlich aus der Erforschung der ältesten Gesteine der Erde. Studien an Archaischen Gesteinsproben (>2,5 Ga) zeigen die Existenz von alten geochemischen Signaturen, die innerhalb der ersten 60 Ma der Bildung des Sonnensystems (SS) entstanden sein müssen. Aufgrund von fortdauernder Mantelkonvektion und -vermischung wurde angenommen, dass diese den silikatischen Erdmantel homogenisiert und somit die alten Signaturen verwischt haben. Jüngste Untersuchungen führten jedoch zu der überraschenden Entdeckung eben dieser geochemischer Signaturen in jungen Gesteinen, die erst im letzten Jahrhundert an die Erdoberfläche gelangten. Zusätzlich zu dem noch immer bestehenden Rätsel der Entstehung dieser sehr früh gebildeten Mantelsignaturen, werfen diese Funde Fragen zu den Mechanismen auf, wie Bereiche im Erdmantel über einen Zeitraum von 4,5 Ga unverändert bleiben konnten. Das vorgeschlagene Projekt zielt darauf ab, einen vollständigen Isotopen-geochemischen Datensatz von Gesteinen aus Large Igneous Provinces (LIP) zu erstellen, um das Verständnis der physikalischen und chemischen Bedingungen zu verbessern, unter denen sich der Planet Erde gebildet hat. Die Quelle von LIPs, die die umfangreichsten Vulkanausbrüche der Erde darstellen, wird oft als ein tiefsitzender Bereich des silikatischen Erdmantels interpretiert. Folglich könnten diese Vulkane Quellen beproben, die seit ihrer Bildung von Mantelmischprozessen isoliert geblieben sind. Untersuchungen solcher Gesteine können somit Aufschluss über die Bildung dieser Manteldomänen geben. Jüngste Fortschritte in Isotopen-Analysemethoden ermöglichen nun den Nachweis kleinster Isotopenheterogenitäten. Die Charakterisierung von LIP-Gesteinsproben unter Verwendung des kurzlebigen Hafnium-Wolfram-Isotopensystems (182Hf182W, t=8,9 Ma), in Kombination mit highly siderophile element Analysen, wird weitere Hinweise zur Frühgeschichte der Erde, sowie ihrer geologische Entwicklung liefern. Die Kombination dieser beiden geochemischen Systeme wird zu einem besseren Verständnis der Entstehung und Erhaltung von Reservoiren führen, die innerhalb der ersten 60 Ma des SS gebildet wurden. Diese Ergebnisse werden auch signifikant zu Fortschritten in anderen erdwisschaftlichen Disziplinen beitragen.

Der Fokus des Projektes "Wolframisotopenzusammensetzung von Large Igneous Provinces (LIP)" lag auf der Charakterisierung der Quellen von mantle plumes, hauptsächlich unter der Verwendung des kurzlebigen 182Hf-182W Isotopensystems in Kombination mit langlebigen radiogenen Isotopensystemen (Os, Sr, Nd), sowie Konzentrationen von hoch siderophilen Elementen und Spurenelementzusammensetzungen. Ziel war es, Prozesse zu entschlüsseln, die die Zusammensetzung dieser vulkanischen Produkte aus kontinentalen und ozeanischen Umgebungen beeinflussen. Hierfür wurden mehrere LIP untersucht und die Haupterkenntnis war eine Entkopplung von He und W Isotopen. Im Gegensatz zu Ozeaninselbasalten, findet man nicht in allen kontinentalen LIP, die erhöhte 3He/4He Verhältnisse zeigen, Wolframisotopenanomalien. Diese Entkopplung könnte mehrere Ursachen haben: (1) Krustenassimilation, welche die W-Isotopie stark verändert, während der Einfluss auf das He System nur gering ist und/oder (2) als primäres Charakteristikum der Erdmantelquelle, die während der frühen Phase von mantle plumes als Quelle für die Schmelzen fungiert. Diese Daten repräsentieren wichtige Erkenntnisse für andere geowissenschaftliche Disziplinen, wie z.B. geodynamische Modellierungen von mantle plumes oder seismische Dateninterpretationen. Aufgrund von COVID-19-bedingten Reisebeschränkungen und teilweisen Labor-Zugangsrestriktionen konnten nicht alle im Projektantrag vorgeschlagenen LIP-Probenorte untersucht werden. Stattdessen ergab sich aus der Zusammenarbeit mit Kollegen des Departments für Lithosphärenforschung, in welchem dieses Projekt durchgeführt wurde, ein alternativer Forschungsschwerpunkt. Die alternative Studie fokussierte sich auf W-Isotopenanalysen einzelner Schichten einer 2,7 Ga alten gebänderten Eisenformation. Die Ergebnisse aus der Untersuchung dieser alten Meerwasserausscheidungen zeigten deutliche Unterschiede in den silizium- und eisenreichen Bändern. Mithilfe dieser Daten konnten wir ein neues geochemisches Werkzeug entwickeln, mit dem man gleichzeitig die zeitliche Entwicklung von Kruste und Erdmantel untersuchen kann.