Unsere Forschung

Teilprojekt zu SPP 1833: Building a habitable Earth

Terrane spotting – eine Untersuchung unterschiedlicher Modelle zur Entstehung der ersten Kontinente

PI: Prof. Annika Dziggel (Ph.D.)

Archaische Kratone sind generell durch steil einfallende, großräumige Scherzonen charakterisiert. Die Scherzonen werden häufig als Terrangrenzen interpretiert, die Krustenfragmente unterschiedlicher geologischer Entwicklung voneinander trennen. The Akkretion der Terrane setzt das Vorherrschen horizontaler Verkürzung und damit Subduktion voraus. Allerdings ist es auch plausibel, dass einige der steilen Scherzonen durch partielle konvektionsbedingte Umwälzungen und das Absinken gravitativ instabiler Grünsteingürtel in die tiefe Kruste entstanden sind. Dieser Prozess benötigt keine Subduktion. Das Erkennen dieser unterschiedlichen geodynamischen Prozesse ist häufig schwierig, da archaische Gesteine eine lange und komplexe Entwicklung aufweisen, die sich durch multiple Deformationsereignisse und spätere tektonische Überprägungen auszeichnet. In diesem Projekt sollen zwei unterschiedliche Hypothesen (Terran-Akkretion im Vergleich zu einer späteren Überprägung eines ehemals zusammenhängenden Segments archaischer Kruste) zur Entstehung des Lewisian Komplexes in Schottland mit Hilfe von Phasendiagramm-Modellierungen und in situ U-Pb, Lu-Hf, O- Isotopen und Spurenelement Analytik in Zirkon getestet werden. Das Hauptziel dieser Studie ist, ein besseres Verständnis über das Alter und die Bedingungen der Krustenbildung innerhalb einzelner Terrane zu erlangen, um zu klären, ob die tektonischen Blöcke tatsächlich Terrane sind oder ob sie unterschiedliche Krustenbereiche eines einst zusammenhängenden archaischen Kontinents darstellen.

Zur Webseite des SPP 1833 (https://habitableearth.uni-koeln.de/)

Teilprojekt zu FOR 2881: Diffusions-Chronometrie von magmatischen Systemen

Chronometrie in plutonischen Gesteinen: Abkühlraten alter ozeanische Erdkruste

PI: Dr. Kathrin Faak, Dr. Maria Kirchenbaur (Uni Hannover)

Seit dem Einsetzen der Plattentektonik ist die Bildung neuer ozeanischer Kruste an mittelozeanischen Rücken einer der Hauptmechanismen für die Abkühlung des Erdinneren. Eines der zentralen ungelösten Probleme ist jedoch die effiziente Wärmeübertragung während der Bildung der plutonischen Ozeankrustensektion. Es wurden mehrere Modelle für die Erzeugung des plutonischen Abschnitts an ozeanischen Rücken vorgestellt, die sich hauptsächlich auf die Kühlung der ozeanischen Kruste durch Konduktion oder Advektion von Fluiden durch die Kruste konzentrieren. Versuche, prominente Endgliedermodelle zu testen, haben bisher zu keinen schlüssigen Ergebnissen geführt. Beispielsweise scheint die Abkühlung der gesamten Kruste besser mit konduktiver Abkühlung vereinbar zu sein, obwohl in den Gesteinen Hinweise auf hydrothermalen Flux zu finden sind. Daher ist es notwendig, die Verteilung der Abkühlraten als Funktion der Distanz von dokumentierten Fluidwegen zu betrachten und gleichzeitig den Fluidfluss zu quantifizieren. Wir schlagen vor, dieses Problem mit einem umfassenden Ansatz zu lösen, bei dem Diffusions-Chronometrie und Isotopengeochemie an Proben aus fokussierten Flüssigkeitsströmungszonen (FFFZ) innerhalb der Gabbroschichten des Wadi Gideah-Referenzprofils im Oman-Ophiolith kombiniert werden. Daher ist es unser Ziel, die Abkühlungsraten in mehreren Profilen zu quantifizieren, angefangen beim Kontakt mit einer FFFZ bis in die massiven geschichteten Gabbros. Die Abkühlraten werden an Olivin, Plagioklas und Pyroxenen in verschiedenen Gabbro-Proben unter Verwendung von Multidiffusions-Chronometern bestimmt. Hierzu zählen beispielsweise das bewährte Ca-in-Olivin-Geospeedometer zusammen mit den kürzlich entwickelten Geospeedometern auf Basis der Spurenelementdiffusion im Plagioklas (Mg, Ba, Sr, La, Ce) sowie mögliche Chronometer mit Pyroxenen (z.B. Fe-Mg-, Sr- oder Li-Diffusion in Klinopyroxen). Zusätzlich schlagen wir vor, das schnell diffundierende stabile Li-Isotopensystem auf Olivin, Plagioklas und Pyroxen sowie auf ausgewählte Gesamtgesteinsproben anzuwenden. Die Messung der Isotopenprofile von Li und Sr in Gesteinsproben, die die FFFZ umgeben, kann verwendet werden um gleichzeitig die Abkühlraten sowie die Fluidflüsse zu bestimmen. Die Studie liefert nicht nur Einblicke in den Kühlmechanismus der ozeanischen Kruste, sondern ermöglicht auch die Überprüfung der Konsistenz und Robustheit verschiedener Diffusionschronometer, die an denselben Proben angewendet werden.

Zur Webseite der FOR (https://diffchron.ruhr-uni-bochum.de/)

DFG Sachbeihilfe

Natürliche Variationen der ⁵¹V/⁵⁰V-Isotopie: ein neuer Redox-Anzeiger?

PI: Dr. Stephan Schuth

Die stabilen Isotope des redox-sensitiven Vanadiums bieten eine besondere Möglichkeit, den nur wenig erforschten marinen V-Kreislauf einschließlich der Flüsse systematisch zu untersuchen undsomit die V-Isotopie als einen möglichen leistungsfähigen Anzeiger von Redox- und Wasserchemie-Variationen zu erschließen. Neben der instrumentellen Anforderung zur präzisen und akkuraten Analyse der V-Isotopie stellt die Messung von extrem niedrigen V-Konzentrationen (<2 μg/L) in Meer- und Flusswässern eine hohe labortechnische Herausforderung dar, um genügend V für eine Isotopenmessung zu gewinnen. In der ersten Projektphase wurde die V-Separation entscheidend verbessert, um V aus großen Mengen Meerwasser (2 L) bei gleichzeitig geringerem Zeitaufwand zu extrahieren. Intensive Tests zeigen eine exzellente Übereinstimmung der V-Isotopie eines Meerwasserstandards (δ⁵¹V_AA = +0.30 ‰) sowie der Nordsee (δ⁵¹V_AA = +0.03 ‰) mit kürzlich publizierten Ozean- Isotopendaten. Sehr niedrige δ⁵¹V-Werte von ca. -1.9 ‰ für eine antarktische Meerwasserprobe deuten jedoch eine heterogene VIsotopie im marinen Millieu an. Zudem konnte für verschiedene Haupt- und Nebenflüsse des Jangtse-Beckens erstmals gezeigt werden, dass (i) die V-Isotopie des gelösten V von den kleineren Flüssen hin zu den großen Strömen sich zu höheren δ⁵¹V-Werten verändert, (ii) innerhalb eines großen Flusses wie des Jangtse die δ⁵¹V-Werte zur Mündung hin kontinuierlich ansteigen, und (iii) die VIsotopie des gelösten V-Reservoirs deutlich durch V-Adsorption an partikuläre Fe-Oxide beeinflusst werden kann. Interessanterweise überlappen die δ⁵¹V-Werte des partikulär gebundenen V in den Flusswässern mit denen von Fe-Mn-Knollen und deuten somit auf vergleichbare V-Isotopenfraktionierungsprozesse hin. Erste δ⁵¹V-Werte von Sedimenten des Schwarzen Meeres zeigen ab einer Tiefe von 850 bis ~2000 m eine stetige Zunahme δ⁵¹V-Werte von -3.1 bis +0.3 ‰ an, während von 150 - 380 m (d.h., hin zur Chemokline) eine Zunahme von etwa -1.9 bis -1.1 ‰ beobachtet wurde. In diesen Tiefen variieren die δ²³⁸U-Signaturen nur relativ gering von 0.03 bis 0.17 ‰, und sind zudem von der V-Isotopie entkoppelt. Möglicherweise zeichnet die V-Isotopie Redoxprozesse auf, die von den U-Isotopen nicht archiviert wurden. Um die V-Isotopie besser zu verstehen, sollen in der zweiten Projektphase die V-Isotopien der anderen ozeanischen Senken (hydrothermale Fe-Oxide, Karbonate, Fe-Mn-Knollen, reduzierte Sedimente) sowie eine umfangreichere Meerwasser- Probensuite untersucht werden. Einfache Experimente sollen die V-Isotopenfraktionierung durch Adsorption und Fällung durch Fe-Oxide näher beleuchten. V-Isotope könnten zusammen mit V-Speziesanalysen (III-IV-V), oder in zusammen mit anderen Redoxanzeigern wie U schließlich einen detaillierten Blick auf die Redoxentwicklung der früheren Ozeane erlauben, Unterschiede zwischen anoxischen und euxinischen Umgebungen zu zeigen, oder auch Biosignaturen anzeigen.

PI: Prof. Annika Dziggel (Ph.D.) und der Geological Survey of Denmark and Greenland (GEUS)