Stabile Isotope in der Geologie I

1. Thermometrie
A)
Paläothermometrie des Ozeans mittels δ18O (δ44Ca?)
Isotopengleichgewicht H2O – CaCO3
δ18OH2O =
a X1 + b Y2 = a X2 + b Y1
X, Y – chemische Verbindungen
1, 2 – schweres oder leichtes Molekül
a, b – stöchoimetrische Faktoren
z.B. X = H2O, Y = CaCO3
δX – δY = Δ X-Y ≈ 103lnα X-Y = f(T)
Isotopenthermometer
(unabhängig vom Druck)
103lnα X-Y = A/T2 (+ B)
Temperatur in oK
i.d.R. B = 0 zwischen 2 Mineralen
Grundlagen der Isotopengeochemie (M. Tichomirowa)
Milankovich Zyklen: Wechsel zwischen Kaltzeiten und Warmzeiten (ungerade Nummern) ca. aller 100.000 a
korreliert mit Veränderungen der Sonneneinstrahlung/ Entfernung der Erde zur Sonne/Erdlaufbahn
Grundlagen der Isotopengeochemie (M. Tichomirowa)
Tian et al. (2002): „Astronomically tuned Plio – Pleistocene benthic record
from South China Sea and Atlantic – Pacific comparison“
ODP- Ocean Drilling Poject
Grundlagen der Isotopengeochemie (M. Tichomirowa)
MIS – marine isotope stage
Eichung des Bohrprofils mit Hilfe von biostratigraphischen events (FO – first occurrence,
LO – last occurrence, LCO – last common occurrence) und paläomagnetischen Umkehrungen
(z.B. Brunhes/Matuyama = 780 ka)
Grundlagen der Isotopengeochemie (M. Tichomirowa)
Tian et al. (2002)
A, B, C – Wachstumsphasen
der Eismassen auf der NordHalbkugel
Jede dieser 3 Perioden:
Zuerst schnellere Erwärmung
des tiefen Wassers im Atlantik
im Vergleich zum Pazifik,
dann langsameres Abkühlen
im Atlantik im Vergleich
zum Pazifik
Wichtig um Prozesse der
Zirkulation im Paläo-Ozean
zu verstehen sowie Initiierung
von Wachstumsphasen der
Eismassen
Grundlagen der Isotopengeochemie (M. Tichomirowa)
B)
Temperaturbestimmungen von magmatischen Gesteinen ( δ18O)
Isotopengleichgewichte zwischen Mineralen
103lnα X-Y = A/T2 + B
Hoefs (1997)
Internetadresse für Fraktionierungskurven:
http://www.ggl.ulaval.ca/cgi-bin/isotope/generisotope.cgi
Grundlagen der Isotopengeochemie (M. Tichomirowa)
Voraussetzung: Isotopengleichgewicht
weniger geeignet für saure Magmatite (Subsolidus-Austausch)
besser geeignet für basische Magmatite (weniger „Wasser“ – trockene Systeme)
Grundlagen der Isotopengeochemie (M. Tichomirowa)
C)
Temperaturbestimmungen von metamorphen Gesteinen ( δ18O, δ13C)
Isotopengleichgewichte zwischen Mineralen
Hoefs (1997)
Grundlagen der Isotopengeochemie (M. Tichomirowa)
D)
Temperaturbestimmungen von hydrothermalen Systemen
( δ18O, δ13C Karbonate, δ34S Sulfide)
Isotopengleichgewichte zwischen Mineralen
Stosch (1999)
Grundlagen der Isotopengeochemie (M. Tichomirowa)
Übungsaufgabe – Fraktionierung, Isotopenthermometrie
Folgende δ18O-Werte wurden an Mineralen eines metasedimentären Gesteins bestimmt
(Garlick & Epstein, 1967):
Mineral
Quarz
Granat
Magnetit
Muskowit
Biotit
δ18O SMOW , (‰)
+14.8
+11.0
+5.0
+11.4
+8.5
Berechnen Sie Isotopentemperaturen für folgende Mineralpaare: Quarz – Magnetit, Quarz – Muskowit,
Magnetit – Muskowit, Granat – Muskowit, Biotit – Muskowit, Quarz – Biotit.
Folgende Thermometer-Gleichungen sind gegeben (aus Bottinga & Javoy, 1975):
103lnα Qu – Mgt = 5.57 x 106 / T2
103lnα Qu – Mu = 2.20 x 106 / T2
103lnα Plg – Gar = 1.91 x 106 / T2
103lnα Plg – Mu = 1.23 x 106 / T2
103lnα Plg – Bt = 2.72 x 106 / T2
(Qu – Quarz, Mgt – Magnetit, Mu – Muskowit, Plg – Plagioklas, Gar – Granat).
Fehlende Gleichungen sind abzuleiten.Was bedeutet/n die berechnete/n Temperatur/en (welcher Prozess)?
Grundlagen der Isotopengeochemie (M. Tichomirowa)
2. Herkunft von Gesteinen, Mineralen und
bestimmten Elementen - Bildungsmechanismen
A)
gleiche oder unterschiedliche Herkunft
• δ18O von Gesteinen (z.B. Magmatite, Metamorphite), δ13C von Karbonaten
δ34S von Sulfiden
• δ18O von Graniten (I-Typ, S-Typ)
Grundlagen der Isotopengeochemie (M. Tichomirowa)
Grundlagen der Isotopengeochemie (M. Tichomirowa)
B)
Herkunft aus Erdmantel oder Erdkruste
Harmon & Hoefs (1995)
Middle Ocean Ridge
Ocean Island
Iceland
Fore Arc Through – Back Arc Basin
Ocean Arc
Continental Island
Continental Arc
Continental Floor
Grundlagen der Isotopengeochemie (M. Tichomirowa)
Eiler et al. (1997):
„Oxygen isotope variations in ocean island
basalt phenocrysts“
Analyse von Olivin-Phänokrysten,
um Einfluss von post-eruptiver Alteration
an Gläsern auszuschließen
Vorteile von Olivin:
-sehr langsame O-Diffusion
- ist ein Niedrigdruck-Liquidus Mineral, welches
vor der Differenzierung des Magmas gebildet
wird, d.h. entspricht undiff. Magma
- ist Hauptkomponente der Mantelquelle der
Basalte
- ist häufig als Phänokryst zu finden
Δ18O Basalt-Olivin = 0.5 ‰
δ18O Olivin = 5.16 ± 0.09 ‰ – „Mantel-Olivin“
Grundlagen der Isotopengeochemie (M. Tichomirowa)
Teng et al. (2004):
-Limited range of Li isotopic composition
in the upper continental crust (from -5
to +5‰)
-Influence of weathering in the upper
continental crust has led to its lighter
Li isotopic composition (average = 0‰)
compared to average upper mantle Li
isotopic composition (+4‰)
-Li concentration in the upper continental
crust is estimated to be 35 ± 11 ppm
Grundlagen der Isotopengeochemie (M. Tichomirowa)
δ15N des Mantels:
< 0‰: nonatmospheric N
Can recycling of surface material be traced
by „atmospheric“ values (~0)?
Hoefs (2004)
Grundlagen der Isotopengeochemie (M. Tichomirowa)
C)
weitere Herkunftsfragen (Gesteine, Minerale, Elemente)
• Tonbildung: hydrothermal oder supergene Verwitterung (δD, δ18O)
Hoefs (1997)
Grundlagen der Isotopengeochemie (M. Tichomirowa)
• δ34S: typische magmatische Werte, typische Meerwasserwerte
Herkunft des S (z.B. in Sulfidlagerstäten)
Stosch (1999)
Grundlagen der Isotopengeochemie (M. Tichomirowa)
Herzig et al. (1997)
Oft δ34S-Werte > 0 ‰; nicht nur magmatischer S sondern auch Anteil von Meerwassersulfat;
Mehrphasiger Prozess der Ausfällung
Grundlagen der Isotopengeochemie (M. Tichomirowa)
• δ11B: marine/ nicht marine Herkunft)
Herkunft von B in magmatischen
Gesteinen
z.B. Granite: δ11B = 0 bis –30 ‰
d.h. B-Quelle = nicht-marine Evaporite
magmatische Entgasung (z.B. B aus
Muskowit)
→ Anreicherung von 11B in Fluidphase,
δ11B-Wert der Restgranite sinkt
Jiang & Palmer (1998)
Grundlagen der Isotopengeochemie (M. Tichomirowa)
• δ13C, δ15N von Diamanten
• δ56Fe von Eisenerzen
• δ18O von Sulfaten
• ............
Grundlagen der Isotopengeochemie (M. Tichomirowa)
Pearson et al. (2003)
Quellen:
Eiler J.M., Farley K.A., Valley J.W., Hauri E., Craig H. Hart S.R., Stolper E.M. (1997): Oxygen isotope variations
in ocean island basalt phenocrysts. Geochim. Cosmochim. Acta 61, 2281-2293.
Herzig P., Petersen S., Tichomirowa M., Hannington M.D., Arribas A. (1997): „Unusual sulfur isotopic composition
of volcanic-hosted massive sulfide deposits at the modern seafloor: TAG hydrothermal mound (MAR) and Lau
back-arc (SW-Pacific)“. Mineral Deposits, Papunen (ed.), 363-366.
Hoefs J. (1997, 2004): „Stable isotope geochemistry“. Springer Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 4., 5. Auflage,
201, 244 pp.
Jiang S.-Y. & Palmer M.R. (1998): Boron isotope systematics of tourmaline from granites and pegmatites:
a synthesis. Eur. J. Mineral. 10, 1253-1265.
O‘Neil J.R. (1986): Theoretical and experimental aspects of isotopic fractionation: In: Stable isotopes in high
temperature geological processes. Rev. Mineral. 16, 1-40.
Pearson, D.G., Canil, D., Shirey, S.B. (2003): Mantle samples included in volcanic rocks: xenoliths and diamonds.
Treatise on Geochemistry, Vol. 2, 171-270.
Stosch H.-G. (1999): „Einführung in die Isotopengeochemie“. Vorlesungsscript, 226 S., im Internet zu finden:
http://agk-gaussberg.agk.uni-karlsruhe.de/ftp/Isotopengeochemie/Isotop25.pdf
Tian J., Wang P., Cheng X., Li Q. (2002): Astronomically tuned Plio – Pleistocene benthic record from South
China Sea and Atlantic – Pacific comparison. Earth Planet. Sci. Lett. 203, 1015-1029.
Tichomirowa M. (1992): Variationen der Isotopenzusammensetzung von Sauerstoff und Kohlenstoff in Karbonaten
sedimetärer und metamorpher Genese. Unveröff. Diss. (in Russisch).
Teng F.-Z., McDonough, W.F., Rudnick, R.L., Dalpe, C., Tomascak, P-B-., Chappell, B.W., Gao, S. (2004):
Lithium
isotopic composition
and concentration of the upper
continental crust. GCA 68, 4167-4178.
Grundlagen
der Isotopengeochemie
(M. Tichomirowa)