Kombinierte chemische- und hochpräzise Isotopen-Analyse von Silikatschmelzeinschlüssen - Erkenntnisgewinn über den heterogenen Mantel der Erde

• Antragsteller: Dr. Felix Genske
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398351295

Studien an Schmelzeinschlüssen ermöglichen neue Erkenntnisse über die Zusammensetzung des Erdmantels, die anhand der Untersuchung der Trägerminerale und des Gesamtgesteins verborgen bleiben. Schmelzeinschlüsse in früh kristallisierten Olivinen haben deutlich andere und variablere chemische Zusammensetzungen als Schmelzen die im Gleichgewicht mit dem Gesamtgestein stehen. Im beantragten Projekt sollen erstmals überhaupt Schmelzeinschlüsse in primitiven Silikaten (Olivin) aus basaltischen Laven sowohl auf ihre Hauptelement-, Spurenelement- sowie deren isotopische Zusammensetzung untersucht werden. Aktuelle Untersuchungen zur isotopischen Zusammensetzung von Schmelzeinschlüssen haben gezeigt, dass deren Spannbreite die der eruptierten basaltischen Gesamtgesteine um das 10-fache übertrifft. Das Ausmaß der isotopischen Heterogenität im Erdmantel ist damit deutlich grösser als bislang angenommen. Allerdings wurden bisher keine zusammenhängenden Haupt-, Spurenelement und Isotopendatensätze an einzelnen Schmelzeinschlüssen erhoben. Vergleiche der Zusammensetzung von Schmelzeinschlüssen gegenüber den eruptierten Basalten liefern jedoch wichtige Einblicke über die tatsächliche Heterogenität im Erdmantel und darüber wie partielles Schmelzen im Erdmantel und Schmelzentwicklung in der Kruste die Zusammensetzung von Magmen beeinflussen. Die für das Projekt gewählten Proben stammen von Ozeaninseln, welche nahezu das gesamte bekannte isotopische Spektrum des Erdmantels abdecken (Island, Hawaii, Tristan da Cunha, Färöern, Azoren, St. Helena, Gough, Cook Austral und St. Helena). Bisher wurde die isotopische Zusammensetzung von Schmelzeinschlüssen ausnahmslos mittels in-situ Methoden (SIMS, LA-ICP-MS) bestimmt. Aufgrund der niedrigen Ionenausbeute an 10-100 µm großen Schmelzeinschlüssen und den isobaren Interferenzkorrekturen sind die Messfehler oftmals um ein 10- bis 100-faches größer als Isotopenmessungen an chemisch abgetrennten Probenlösungen, die keine (oder minimale) isobare Interferenzkorrekturen erfordern. Sobolev et al. (2011) geben einen Fehler von 0.0005 (S.D., 700 pm) für die Sr Isotopenanalyse in Schmelzeinschlüssen mittels single collector LA-ICP-MS an. Modernste Multikollektor Massenspektrometer hingegen bieten hohe Messempfindlichkeiten (2000V/ppm Sr), die hochpräzise Analysen an wenigen Nanogram Material ermöglichen, wie es der Sr Gehalt in typischen Schmelzeinschlüssen erfordert. Somit sind Mengen von weniger als 5 ng Sr ausreichend um Isotopenanalysen auf dem ppm Level durchzuführen, was einer Verbesserung von mehr als einer Größenordnung entspricht. Durch die so verbesserte Analytik wird ein hochauflösendes Bild der chemischen Heterogenität des Erdmantels ermöglicht. Daraus resultieren neue Erkenntnisse über Schmelz-und Kristallisationsprozesse, die der Schlüssel zu einem besseren Verständnis der Zusammensetzung des Erdmantels sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Andreas Stracke, Ph.D.