High‐precision Strontium Isotope Measurements - From the Early Solar System to the Age of the Moon

by Jonas Michel Schneider
Cumulative thesis
Date of Examination:2024-06-19
Date of issue:2024-07-12
Advisor:Prof. Dr. Thorsten, Kleine
Referee:Prof. Dr. Thorsten, Kleine
Referee:Prof. Dr. Andreas, Pack
Referee:Prof. Dr. Matthias Willbold
Referee:Prof. Dr. Doris, Breuer
Referee:Dr. Thomas, Kruijer
Referee:Dr. Christoph, Burkhardt
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10608

 

 

Files in this item

Name:Dissertation_Jonas_Schneider_2024.pdf
Size:13.0Mb
Format:PDF

The following license files are associated with this item:

Abstract

English

Variations in the isotopic composition of extraterrestrial rocks provide crucial information about the nature and evolution of planetary building blocks, the Earth, and the Moon. In this thesis, strontium isotopic compositions of terrestrial rocks, meteorites, and lunar samples are used to investigate the origin of isotope anomalies in solar system materials as well as the time of Moon formation. For this purpose, a multi-dynamic method for strontium (Sr) isotope measurements using thermal ionization mass spectrometry (TIMS) was set up, which enables measurement of all four stable Sr isotopes (84Sr, 86Sr, 87Sr, 88Sr) with higher precision than traditional static measurements. The first part of this thesis investigates the effect of Faraday cup deterioration by thermal ionization mass spectrometry. TIMS measurements are widely used to measure 84Sr and 87Sr variations in geological samples. Therefore, a thorough understanding of analytically induced uncertainties is important. The study reveals that dynamic measurement routines yield more consistent, precise, and accurate results than traditional static routines and further demonstrates that previously observed residual correlations in static chromium isotope data might largely result from cup aging in TIMS instruments. In the second part of the thesis, the established dynamic measurement routines are used to assess the distribution of nucleosynthetic 84Sr anomalies (expressed as μ84Sr) among meteorites, Earth, Mars, and the Moon. Nucleosynthetic isotope anomalies in meteorites reveal a dichotomy between the non-carbonaceous (NC) and carbonaceous (CC) meteorite reservoirs, but its origin remains debated. It either reflects the thermal processing of presolar dust or an inherited heterogeneity from the parental molecular cloud. Previous μ84Sr data was interpreted to represent thermal processing of presolar grains based on small differences among and between NC and CC meteorites. However, the precision and number of samples in previous studies do not allow this conclusion to be drawn unequivocally. In addition, the thermal processing origin of 84Sr anomalies is difficult to reconcile with nucleosynthetic isotope anomalies observed in other elements. The new μ84Sr data reveals that the inner solar system, represented by NC meteorites, Mars, Earth, and the Moon, displays a remarkable homogeneity in 84Sr anomalies. Moreover, the NC and CC reservoirs are not clearly separated as observed for other elements. This study shows that counterbalancing nucleosynthetic contributions from s‐, r‐, and p‐ process isotopes are the reason for this homogeneity in the inner solar system and for the absence of a clear NC-CC separation. The characteristic 84Sr-excess observed in the CC-reservoir is balanced by s‐process variations for NC samples. Collectively, the antagonistic s‐, r‐, and p‐process variations argue against the thermal processing of presolar dust as the origin of Sr isotope anomalies among meteorites and planets. They instead support an initial isotopic heterogeneity of the solar system accretion disk as the origin for the NC-CC dichotomy. The last part of this thesis focuses on the Moon and how strontium isotopes can be used to unravel the timing of Moon’s formation. The Moon formed in the aftermath of a giant impact of the proto-planet Theia onto proto-Earth, which marks the final step in Earth's accretion and thus the beginning of the Earth as a habitable planet. Despite its importance, the age of the Moon is one of the biggest uncertainties in lunar research and a variety of methods including radiogenic dating of lunar rocks or thermochemical and dynamical modelling yield conflicting results for the time of the giant impact and the subsequent solidification of the lunar magma ocean (LMO). The solidification timescale of the LMO and the age of the moon can potentially be inferred from the age of lunar ferroan anorthosites (FANs). The new high-precision 87Sr/86Sr data for FANs presented here reveal that all investigated lunar FANs share the same formation age of 4.360 ± 0.028 billion years (Ga) ago. However, this age does not necessarily equal the age of the Moon itself. Independently from the absolute age, these samples are used to derive a new and precise initial 87Sr/86Sr ratio for the Moon, which is now based on five FANs instead of only one as in previous studies. This ratio is then used to calculate new Rb-Sr model ages for the age of the Moon within the framework of newer impact scenarios and including all possible uncertainties. Consistent with independently derived results from radiometric dating of zircons, constraints from Hf-W, and numerical modeling, these new model calculations result in a consistent Rb-Sr model age for the Moon of ~ 4.5 Ga.
Keywords: Cosmochemistry; Isotope Geochemistry; Thermal Ionization Mass Spectrometry; Nucleosynthetic Isotope Anomalies; Strontium Isotopes

German

Unterschiede in der Isotopenzusammensetzung von extraterrestrischen Gesteinen liefern wichtige Informationen über die Entwicklung der planetaren Bausteine, der Erde und des Mondes. In dieser Arbeit wurde die Strontium-Isotopenzusammensetzung von terrestrischen Gesteinen, Meteoriten und Mondproben ermittelt. Dies ermöglicht es den Ursprung von Isotopenanomalien in Materialien des Sonnensystems sowie den Zeitpunkt der Mondbildung zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde eine multidynamische Messmethode mittels thermischer Ionisationsmassenspektrometrie (TIMS) aufgesetzt, die die Messung aller vier stabilen Sr-Isotope (84Sr, 86Sr, 87Sr, 88Sr) mit wesentlich höherer Präzision ermöglicht als herkömmliche statische Messungen. Der erste Teil dieser Doktorarbeit befasst sich mit der Untersuchung der analytischen Unsicherheiten, die durch die Abnutzung der ‚Faraday Cups‘ bei statischen TIMS-Messungen verursacht werden. Diese Methode wird häufig angewandt, um 84Sr- und 87Sr-Isotopenvariationen in geologischen Proben zu bestimmen. Daher ist ein Verständnis von analytischen Methoden und damit verbundener Unsicherheiten wichtig. Die Studie zeigt, dass dynamische Messroutinen besser vergleichbare und präzisere Ergebnisse liefern und dass zuvor beobachtete residuale Korrelationen in Chrom-Isotopendaten zu einem großen Teil auf die Alterung der ‚Faraday Cups‘ in TIMS-Instrumenten zurückzuführen sein könnten. Im zweiten Teil der Arbeit werden die dynamischen Messroutinen verwendet, um die Verteilung der nukleosynthetischen 84Sr-Anomalien (μ84Sr) in Meteoriten, dem Mars, der Erde und dem Mond zu untersuchen. Nukleosynthetische Isotopenanomalien in Meteoriten zeigen eine Dichotomie zwischen den ‘nicht-kohligen’ (engl. non-carbonaceous: ‘NC’, repräsentativ für das innere Sonnensystem) und ‘kohligen’ (engl. carbonaceous: ‘CC’, repräsentativ für das äußere Sonnensystem) Meteoritenreservoiren, dessen Ursprung jedoch umstritten ist. Diese Dichotomie ist entweder das Resultat thermischer Prozessierung von präsolarem Staub oder einer vererbten Heterogenität aus der ursprünglichen Molekülwolke. Frühere μ84Sr-Daten wurden dahingehend interpretiert, dass die Dichotomie die thermische Verarbeitung präsolarer Körner reflektiert, da sie geringe μ84Sr-Unterschiede innerhalb und zwischen dem NC- und CC-Reservoir aufzeigten. Die Genauigkeit und die Anzahl der Proben in früheren Studien lassen jedoch keine eindeutige Schlussfolgerung zu. Darüber hinaus lässt sich ein Ursprung der μ84Sr-Anomalien in Meteoriten durch thermische Prozessierung nur schwer mit nukleosynthetischen Isotopenanomalien anderer Elemente vereinbaren. Die neuen μ84Sr-Daten zeigen, dass alle NC-Meteorite, Mars, Erde, Mond und demnach das gesamte innere Sonnensystem durch eine bemerkenswerte μ84Sr-Homogenität charakterisiert ist. Außerdem sind die NC- und CCReservoire nicht klar voneinander getrennt, wie dies bei anderen Elementen beobachtet wird. Diese Studie zeigt, dass sich ausgleichende nukleosynthetische Beiträge von s‐, r‐ und p‐Prozess Isotopen der Grund für die Homogenität im inneren Sonnensystem und das Fehlen einer klaren NC-CC-Trennung sind. Der charakteristische 84Sr-Überschuss, der sich im CCReservoir zeigen lässt, wird durch s‐Prozess-Variationen in NC-Proben ausgeglichen. Zusammengenommen sprechen die gegensätzlichen s‐, r‐ und p‐Prozessvariationen gegen eine thermische Prozessierung von präsolarem Staub als Ursprung der Sr-Isotopenanomalien. Stattdessen sprechen sie für eine inhärente isotopische Heterogenität der Akkretionsscheibe des Sonnensystems als Ursache für die NC-CCDichotomie. Der letzte Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Entstehung des Mondes und damit, wie Strontiumisotope genutzt werden können, um das Alter des Mondes zu entschlüsseln. Der Mond entstand als Folge eines gigantischen Impakts des Protoplaneten Theia auf die Proto-Erde. Dieser gigantische Einschlag kann somit als letzter Schritt in der Akkretion der Erde angesehen werden und markiert somit auch den Beginn der Erde als bewohnbaren Planeten. Der Zeitpunkt dieses Impakts (und damit das Alter des Mondes) ist jedoch eine der größten Unsicherheiten in der Mondforschung und verschiedenste Methoden, wie die radiometrische Datierungen von Mondgestein oder thermochemische und dynamische Modellierungen liefern widersprüchliche Ergebnisse für den Zeitpunkt des letzten großen Impakts und der anschließenden Kristallisierung des lunaren Magmaozeans (LMO). Die relativen Zeitskalen des LMO, sowie das Alter des Mondes können theoretisch aus den Altern von lunaren eisenreichen Anorthositen (engl. ferroan anorthosites: FANs) abgeleitet werden. In dieser Doktorarbeit werden neue hochpräzise 87Sr/86Sr-Daten für FANs vorgestellt, die zeigen, dass alle untersuchten lunaren FANs das gleiche Bildungsalter von 4,360 ± 0,028 Milliarden Jahren haben. Dieses Alter entspricht jedoch nicht unbedingt dem Alter des Mondes selbst, wie neue Rb-Sr Modellalter zeigen. Unabhängig vom absoluten Alter werden die neuen Daten verwendet, um ein neues, präzises initiales 87Sr/86Sr Verhältnis des Mondes zu bestimmen. Dieser Wert basiert hierbei auf fünf Proben, anstatt wie bisher nur auf einer Probe, und wird zur Berechnung neuer Rb-Sr-Modellalter für das Alter des Mondes im Rahmen neuerer Einschlagszenarien und unter Berücksichtigung aller möglichen Unsicherheiten verwendet. In Übereinstimmung mit unabhängig voneinander abgeleiteten Ergebnissen aus der radiometrischen Datierung von Zirkonen, Ergebnissen aus Hf-W-Studien und numerischer Modellierung führen diese neuen Modellrechnungen zu einem konsistenten Rb-Sr-Modellalter für den Mond von ~ 4,5 Milliarden Jahren.
 
Statistik