Nanoscale highly refractory metal alloys in primitive meteorites: condensation processes in the early solar system
Final Report Abstract
Einschlüsse aus chondritischen Meteoriten sind die ersten Festkörper des Sonnensystems und enthalten viele refraktäre Metallnuggets (RMNs), welche hauptsächlich aus den Elementen Os, Ir, Ru, Mo und Pt bestehen. Das Projekt hatte zum Ziel, detaillierte Informationen über das Bildungsszenario dieser RMNs zu gewinnen. Dazu musste zunächst ein geeignetes Präparationsverfahren erprobt und validiert werden. Das Studium von Partikeln aus drei verschiedenen Säurerückständen zeigt, dass die Extraktionsmethode zum einen gut geeignet ist, um RMNs zu separieren, und zum anderen reproduzierbar ist. Durch eine zusätzliche Dichtetrennung mittels Dijodmethan wurde die Extraktion der RMNs aus Meteoriten erfolgreich verbessert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die RMNs sowohl in der Diamant- als auch in der SiC-Fraktion der Säurerückstände vorkommen, und die Metalle später mittels weiterer Säurebehandlung gelöst und somit von Diamanten und SiC getrennt werden können. Zukünftig ist es nun möglich, sowohl Diamanten als auch SiC und RMNs getrennt voneinander auf ihre Isotopie zu untersuchen. Die auf diese Weise gemessenen Bulk-Ru-Isotopensignaturen weisen eindeutig auf einen solaren Ursprungsort der meisten RMNs aus den Säurerückständen hin. Ging man zu Beginn des Projekts von einer direkten Kondensation der RMNs im Gleichgewicht mit dem stellaren Gas aus (bereits früher oder gleichzeitig mit Oxiden und Silikaten), so waren die Resultate des Projekts überraschend: Ein Entstehungsmechanismus der RMNs durch direkte Kondensation aus einer Gasphase ist unwahrscheinlich, da die Zusammensetzungen der größten Anzahl der RMNs nicht durch Kondensation erklärt werden können. Für alle in-situ in Ca-, Al-reichen Einschlüssen (CAIs) gefundenen RMNs konnte eindeutig sowohl deren solarer Herkunftsort nachgewiesen als auch ihr Entstehungsmechanismus identifiziert werden. Die RMNs wurden demnach während rascher Abkühlung ihrer Wirts-CAIs um bis zu 1000 °C / 40 sek. gebildet. Das Potential dieses Mechanismus konnte durch chemische und petrologische Analysen an meteoritischem sowie synthetisch hergestelltem Material zweifelsfrei bewiesen werden. Innerhalb dieses Projekts konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass RMNs bzw. HSE-Mikronuggets (Highly Siderophile Elements) mit variabler Zusammensetzung beim Abkühlen aus einer CAI-Schmelze ausgefällt werden. Damit sind RMN-haltige CAIs weitaus schneller abgekühlt, als bisher in der Literatur vermutet. Durch die Ausfällung können ähnliche, jedoch im Detail individuell auch weitaus stärker variable Zusammensetzungen realisiert werden (wie sie generell bei RMNs beobachtet werden), als bei einer Bildung durch Kondensation. Die Tatsache, dass hoch siderophile refraktäre Metalle als nanometergroße Partikel innerhalb von CAIs auftreten, ist für geochemische, kosmochemische und astrophysikalische Fragestellungen von enorm hoher Bedeutung. Mit dem Wissen, dass CAIs die ersten Festkörper unseres Sonnensystems und damit die primitivste Materie darstellen, ist es möglich, direkt die Löslichkeit refraktärer und siderophiler Metalle in einer natürlichen Schmelze zu untersuchen.
Publications
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Composition and clues to the origin of Refractory Metal Nuggets extracted from chondritic meteorites. Meteorit. & Planet. Sci., 49, no 10, 1888-1901 (2014)
Schwander, D., Berg, T., Harries, D., Schönhense, G., Ott U.
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Condensation of refractory metals in AGB and other stellar environments. Astrophys. J. 793:20 (5pp), 2014 September 20
Schwander, D., Berg, T., Schönhense, G., Ott, U.
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Formation of refractory metal nuggets and their link to the history of CAIs. Geochim. Cosmochim. Acta, Volume 168, 1 November 2015, Pages 70-87
Schwander, D., Kööp, L., Berg, T., Schönhense, G., Heck, P.R., Davis, A.M., Ott, U.
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Synthesis of refractory metal nuggets and constraints on the thermal histories of nugget‐bearing Ca, Al‐rich inclusions. Meteorit. & Planet. Sci., Vol 50 Issue 5, May 2015, Pages 893-903
Schwander, D., Buhre, S., Schönhense, G., Ott U.
