Alteration on asteroids, diversity of primordial volatiles and their carriers in carbonaceous chondrites, and martian shergottite sampling sites ...
←
→
Page content transcription
If your browser does not render page correctly, please read the page content below
ETH Library Alteration on asteroids, diversity of primordial volatiles and their carriers in carbonaceous chondrites, and martian shergottite sampling sites – studied by meteoritic noble gases Doctoral Thesis Author(s): Krietsch, Daniela Publication date: 2020 Permanent link: https://doi.org/10.3929/ethz-b-000445813 Rights / license: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information, please consult the Terms of use.
DISS. ETH NO. 26964
ALTERATION ON ASTEROIDS, DIVERSITY OF
PRIMORDIAL VOLATILES AND THEIR CARRIERS IN
CARBONACEOUS CHONDRITES, AND MARTIAN
SHERGOTTITE SAMPLING SITES – STUDIED BY
METEORITIC NOBLE GASES
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
DANIELA KRIETSCH
M.Sc. in Geology, Albert-Ludwigs-Universität, Freiburg, Germany
born on 18.08.1990
citizen of Germany
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Maria Schönbächler
Dr. Henner Busemann
Dr. My E. I. Riebe
Prof. Dr. Tomoki Nakamura
2020Abstract
In this doctoral thesis, I study the noble gases in meteorites to further investigate the initial composition
of Solar System material, changes in its composition due to processes in the meteorites’ parent bodies,
and the ejection of material from planetary bodies. Three independent projects dealing with different
types of meteorites, covering distinct processes and periods in the history of the Solar System, and
analysed by different techniques are part of this thesis to contribute to our understanding of the origin
and evolution of the Solar System.
After a general introduction in chapter 1, I will focus on primordial noble gases investigated in very
primitive carbonaceous chondrites (CCs) in chapter 2 and 3. Carbonaceous chondrites are the most
chemically pristine Solar System material available for laboratory studies. Nevertheless, even the noble
gas compositions of these CCs are to a large extent modified by secondary processes. Low temperature
(typically 500-750 °C results in an additional loss of noble gases, whereas lower
peak temperatures likely have minor effects on the noble gas inventories of CM chondrites.
Most carriers of primordial noble gases in primitive CCs identified to date are HF/HCl-resistant. For
this reason, the study of these primordial noble gases has mainly focused on the acid-resistant residues
of chondritic material. Previous acid dissolution experiments, however, have shown that there are
considerable amounts of primordial noble gases residing in the acid-soluble phases of CCs and other
chondrites. In chapter 3, I analyse one of the most primitive CCs available, CR chondrite Miller Range
(MIL) 090657, by “Closed System Step Etching” (CSSE) using five different etching agents (H2O,
acetic acid (HAc), HNO3, HF, and HCl) to characterise the full noble gas inventory of this meteorite.
The results will help to better constrain the initial noble gas composition of CCs and, hence, Solar
System starting material. I found that large amounts of the bulk noble gases indeed were released with
the dissolution of the water- and acid-soluble phases of MIL 090657. Most interestingly, significant
amounts of primordial noble gases were released during CSSE as well as, more expectedly, essentially
all cosmogenic noble gases. The treatment with H2O and HAc, used as etching agents in CSSE for the
first time, released (1) a He- and Ne-rich component and (2) the Ar-rich component that is also lost
upon parent body aqueous alteration (cf. chapter 2). Both components are clearly primordial and
elementally and isotopically different to known noble gas components. Q gases were mainly released,
as expected, by etching with HNO3, but were additionally found to reside in HAc-, HF-, and HCl-
soluble phases providing thus new constraints on their carrier(s).
Chapter 4 deals with a type of material completely different to those discussed in the previous chapters,
i.e., meteoritic samples from Mars. Martian meteorites are, as other differentiated meteorites, strongly
depleted in primordial noble gases compared to unprocessed Solar System material. Instead, these
meteorites are characterised by high relative amounts of cosmogenic noble gases. The cosmogenic
noble gases are important for my investigations in chapter 4. I use them to determine cosmic ray
exposure (CRE) ages, the time a meteoroid spent in space typically confined by its ejection from, in
7this case, Mars and its entry into the Earth’s atmosphere. CRE ages are commonly used to identify
separate ejection events that induced the delivery of martian meteorites to Earth. Here, I analyse the
noble gases in a large set of recently found shergottites, the prevalent type of martian meteorites.
Combining the new and literature data I revisit the number of separate ejection events responsible for
the launch of the shergottites based on their CRE ages. In addition, I consider the shergottites’ chemical
and textural characteristics to further distinguish different ejection sites. This information is crucial to
better constrain the global variety in crustal composition of Mars and is needed to identify martian
meteorite source craters. This, in turn, will provide more reference points to the relative surface
chronology of Mars. Based on the distribution of the shergottites’ CRE ages alone, I favour five distinct
ejections events for launching the 76 shergottites considered here: ~0.5-1.75 Myr, ~1.75-4.5 Myr, ~5-
6.5 Myr, ~17 Myr, and ~20 Myr. Differences in the shergottites’ incompatible trace element signature
within these CRE age clusters indicate these shergottites may be linked to at least ten separate ejection
sites.
8Zusammenfassung
In dieser Doktorarbeit studiere ich die Edelgase in Meteoriten, um die ursprüngliche Zusammensetzung
des Materials des Sonnensystems, Änderungen dieser Zusammensetzung aufgrund von Prozessen in
den Mutterkörpern der Meteoriten, und den Auswurf von Material von planetaren Körpern weiter zu
untersuchen. Drei unabhängige Projekte sind Teil dieser Arbeit. Sie befassen sich mit verschiedenen
Arten von Meteoriten, welche mittels verschiedener Techniken analysiert werden, wodurch
unterschiedliche Prozesse und Perioden in der Geschichte des Sonnensystems abgedeckt werden.
Dadurch trägt diese Arbeit zu unserem Verständnis des Ursprungs und der Entwicklung des
Sonnensystems bei.
Nach einer allgemeinen Einführung in Kapitel 1 werde ich mich in Kapitel 2 und 3 auf primordiale
Edelgase konzentrieren, die in sehr primitiven kohligen Chondriten untersucht werden. Kohlige
Chondrite sind chemisch gesehen das ursprünglichste Material des Sonnensystems, welches für
Laboruntersuchungen zur Verfügung steht. Nichtsdestotrotz wurden sogar in diesen kohligen
Chondriten die Edelgaszusammensetzungen weitreichend durch Sekundärprozesse beeinflusst und
modifiziert. Die wässrige Alteration bei niedriger Temperatur (typischerweise 500-750 °C führt zu einem zusätzlichen Verlust von Edelgasen, wohingegen
niedrigere Spitzentemperaturen wahrscheinlich nur geringe Auswirkungen auf den Edelgasbestand von
CM Chondriten haben.
Die meisten bisher identifizierten Träger primordialer Edelgase in primitiven kohligen Chondriten sind
HF/HCl-resistent. Aus diesem Grund konzentrierte sich die Untersuchung dieser primordialen Edelgase
hauptsächlich auf säurebeständige Rückstände von chondritischem Material. Frühere Ätz-Experimente
mittels verschiedener Säuren haben jedoch gezeigt, dass in den säurelöslichen Phasen von kohligen und
anderen Chondriten beträchtliche Mengen an primordialen Edelgasen enthalten sind. In Kapitel 3
analysiere ich einen der primitivsten verfügbaren kohligen Chondrite, CR Chondrit Miller Range (MIL)
090657, mittels schrittweisen Ätzens im geschlossenen System (sogenanntes „Closed System Step
Etching“ (CSSE)) unter Anwendung von fünf verschiedenen Ätzmitteln (H2O, Essigsäure (HAc),
HNO3, HF, und HCl) um den gesamten Edelgasbestand dieses Meteoriten zu charakterisieren. Die
Ergebnisse werden dazu beitragen, die ursprüngliche Edelgaszusammensetzung von kohligen
Chondriten, und damit des Ausgangsmaterials des Sonnensystems, besser einzugrenzen. Ich fand
heraus, dass grosse Mengen der Gesamtedelgase tatsächlich mit der Auflösung der wasser- und
säurelöslichen Phasen von MIL 090657 freigesetzt wurden. Interessanterweise wurden erhebliche
Mengen primordialer Edelgase während des CSSE freigesetzt, sowie, erwartungsgemäss, im
Wesentlichen alle kosmogenen Edelgase. Die Behandlung mit H2O und HAc, welche zum ersten Mal
als Ätzmittel bei CSSE verwendet wurden, setzte (1) eine He- und Ne-reiche Komponente und (2) die
Ar-reiche Komponente frei, die auch bei wässriger Alteration des Mutterkörpers verloren geht
9(vergleiche Kapitel 2). Beide Komponenten sind eindeutig primordial, und unterscheiden sich
elementar sowie isotopisch von bekannten Edelgaskomponenten. Q Gase wurden erwartungsgemäss
hauptsächlich durch Ätzen mittels HNO3 freigesetzt, es wurde jedoch festgestellt, dass sie sich
zusätzlich in HAc-, HF-, und HCl-löslichen Phasen befinden, was zu neuen Eingrenzungen in Bezug
auf ihre(n) Träger führt.
Kapitel 4 befasst sich mit meteoritischen Proben vom Mars, welche sich völlig von dem Probenmaterial
in den anderen Kapiteln unterscheiden. Marsmeteorite sind, wie andere differenzierte Meteorite, im
Vergleich zu unprozessiertem Material des Sonnensystems stark abgereichert an primordialen
Edelgasen. Stattdessen zeichnen sich diese Meteorite durch hohe relative Mengen an kosmogenen
Edelgasen aus. Diese kosmogenen Edelgase sind für meine Untersuchungen in Kapitel 4 von besonderer
Bedeutung. Ich nutze sie, um das Alter der Exposition gegenüber kosmischer Strahlung
(Bestrahlungsalter) zu bestimmen, d.h., die Zeit, die ein Meteoroid im Weltraum verbracht hat. Dieser
Zeitraum wird typischerweise durch den Auswurf des Meteoroids vom, in diesem Fall, Mars und seinen
Eintritt in die Erdatmosphäre begrenzt. Bestrahlungsalter werden üblicherweise genutzt, um separate
Auswurfereignisse zu identifizieren, die die Lieferung von Marsmeteoriten zur Erde bedingt haben.
Hier analysiere ich die Edelgase in einer grossen Anzahl kürzlich gefundener Shergottite, welche die
häufigste Art von Marsmeteoriten darstellen. Durch die Kombination der neuen Daten mit bestehender
Literatur revidiere ich die Anzahl der separaten Auswurfereignisse, die für den Auswurf der Shergottite
verantwortlich sind, basierend auf ihren Bestrahlungsaltern. Darüber hinaus beziehe ich die chemischen
und strukturellen Eigenschaften der Shergottite ein, um weiterhin zwischen verschiedenen
Auswurforten zu unterscheiden. Diese Informationen sind von grosser Bedeutung um die globale
Vielfalt der Krustenzusammensetzung des Mars besser einzugrenzen, und wird benötigt, um
Ursprungskrater der Marsmeteorite zu identifizieren. Dies wird wiederum weitere Bezugspunkte zur
relativen Oberflächenchronologie des Mars bereitstellen. Allein aufgrund der Verteilung der
Bestrahlungsalter der Shergottite favorisiere ich fünf verschiedene Ereignisse für den Auswurf der hier
einbezogenen 76 Shergottite: ~0.5-1.75 Myr, ~1.75-4.5 Myr, ~5-6.5 Myr, ~17 Myr, and ~20 Myr.
Unterschiede in der inkompatiblen Spurenelementsignatur der Shergottite innerhalb dieser
Bestrahlungsaltergruppierungen weisen darauf hin, dass diese Shergottite möglicherweise mit
mindestens zehn separaten Auswurforten in Verbindung gebracht werden können.
10You can also read
