Mass-dependent titanium isotope variations in terrestrial and extra-terrestrial basalts

Titan ist ein relativ haufiges Nebenelement. Wahrend einige Silikate grosere Mengen an Titan enthalten konnen (Titanit, Ca-reiche Amphibole), so sind die haufigsten Ti-reichen Phasen die Ti-Oxide, wie Ilmenit und Rutil. Als in den meisten Silikatmineralen inkompatibles Element wird Ti wahrend der fraktionierten Kristallisation eines Magmas in der Schmelze angereichert. Der stetig steigende Titangehalt in der Schmelze fuhrt dazu, dass ab einem gewissen Ti-Gehalt Titanoxide aus der Schmelze auskristallisieren. Die niedrigere raumliche Koordination von Ti relativ zur hoheren Koordination im Kristallgitter der Oxide fuhrt zu einem bevorzugten Einbau der leichten Ti-Isotope in das Kristallgitter der Oxide. Folglich wird wahrend der Kristallisation die zuruckbleibende Schmelze stetig an schwereren Ti-Isotopen angereichet, wodurch es moglich wird, anhand von Ti-Isotopen die Entwicklung eines magmatischen Systems nachzuvollziehen. Hochprazise Messungen von Ti-Isotopenzusammensetzungen werden mit der sogenannten Doppelspike-Methode durchgefuhrt. Ein Doppelspike ist eine kunstlich hergestellte Losung, in der die Haufigkeiten zweier Ti-Isotope stark erhoht sind, wohingegen die Haufigkeiten der ubrigen Ti-Isotope stark verarmt sind. Sobald diese Isotopenverhaltnisse in der Losung sehr genau bekannt ist, wird sie zu einer unbekannten Probe hinzugegeben und nach chemischer Abtrennung storender Elemente und massenspektrometrischer Bestimmung der Mischung, kann daraus durch iterative Berechnungen die Ti-Isotopenzusammensetzung der unbekannten Probe relativ zu einem Referenzmaterial sehr genau und prazise bestimmt werden. Diese Monographie beschreibt die Implementierung der Ti-Doppelspike-Isotopenverdunnungsmethode in der Arbeitsgruppe Geo- und Kosmochemie der Universitat zu Koln (KAPITEL 2). Neben dem Doppelspike wird zusatzlich ein weiteres Referenzmaterial, welches dem etablierten „Origins Lab“-Ti-Standard ahnelt, kalibriert. Weiterhin werden die chemischen Trennverfahren und massenspektrometrischen Protokolle entwickelt und angepasst, um die hochstmogliche Prazision der Methode an dem Neptune Plus Multi-Kollektor-Plasmaquellen-Massenspektrometer sicherzustellen. Nach der erfolgreichen Kalibrierung der Chemikalien und der Messprotokolle werden diese angewendet, um die Ti-Isotopenzusammensetzung von Mondgesteinen sowie terrestrischen Gesteinen zu bestimmen. Die in KAPITEL 3 vorgestellten Ergebnisse erweitern die vorhandenen Ti-Isotopendaten fur Mondgesteine und erlauben das genauere Bestimmen der Ti-Isotopenzusammensetzung der postulierten urKREEP-Komponente, der letzten Flussigphase vor Erstarren des lunaren Magmaozeans (angereichert an inkompatiblen Elementen wie K, den Seltenen Erden, sowie P). Zusatzlich zu den Analysen wird die Ti-Isotopenzusammensetzung der urKREEP-Komponente durch Modellrechnungen bestimmt. Diese sind im Rahmen der Unsicherheiten identisch mit den hier gemessenen Daten und vorangegangenen Arbeiten. Titan-Isotopenzusammen-setzungen der „low-Ti“ und „high-Ti“ Mare Basalte zeigen deutliche Variationen, welche wahrscheinlich durch den petrogenetischen Entstehungsprozess der Gesteine entstanden sind. Wahrend die vermutete „low-Ti“ Mare-Basalt-Magmenquelle der mafische Mantel des Mondes ist, benotigen die „high-Ti“ Mare-Basalte fur ihre Entstehung die Gegenwart einer Ti-reichen Phase in der Magmenquelle, wie Ilmenit. Damit ist die Quellregion hochstwahrscheinlich eine Mischung aus dem mafischen Mantel und den Ilmenit-reichen Kumulaten. Die beobachteten Variationen in Ti-Isotopenzusammensetzungen in „high-Ti“ Mare-Basalten sind, gekoppelt mit „High Field Strength Element (Elemente mit hoher Valenz und kleinem Ionenradius)“ Daten, auf das partielle Schmelzen eines Ilmenit-reichen Kumulats zuruckzufuhren. Die Ti-Isotopenvariationen innerhalb der „low-Ti“ Mare-Basalt Gruppen sind auf fraktionierte Kristallisation von Ilmenit vor der Eruption des Magmas oder das Ausbleiben dieses Prozesses zuruckzufuhren. Mittels Verteilungskoeffizienten sowie moglichen Zusammensetzungen der „high-Ti“ Quellregionen, welche wiederum auf verschiedenen Magmaozean-Kristallisations-modellen basieren, wird das partielle Schmelzen des mafischen Mantels (ohne Ilmenit) oder der Ilmenit-reichen Kumulate modelliert. Die berechneten Trends stimmen mit den hier gemachten Beobachtungen uberein und unterstreichen, dass die Variationen in „high-Ti“ und „low-Ti“ Mare-Basalten auf das partielle Schmelzen eines Ilmenit-reichen Kumulats und fraktionierte Kristallisation von Ilmenit zuruckzufuhren sind. Weiterhin kann, basierend auf den Ergebnissen dieser Studie, eine Petrogenese der „high.Ti“ Mare-Basalte durch Assimilation einer Ilmenit-reichen Komponente in ein „low-Ti“ Magma ausgeschlossen werden. In Kapitel 4 wurden Proben verschiedener Subduktionszonen, sowie dazugehorige Boninite und Sedimentproben gemessen. Titan-Isotopenzusammensetzungen mit zusatzlichen Spurenelement- und High Field Strength Element-Daten zeigen, das wasserreiche Schmelzen des subduzierten Sediments keinen Einfluss auf die Ti-Isotopenzusammensetzung haben. Vielmehr liegt der Grund fur die beobachteten Variationen wahrscheinlich in der An- beziehungsweise Abwesenheit von Ti-reichen Oxiden wahrend des partiellen Schmelzens des subduzierten Materials. Weiterhin zeigen die systematisch schwereren Ti-Isotopen-zusammensetzungen der boninitischen Proben relativ zu den dazugehorigen Tholeiiten, dass das partielle Schmelzen des verarmten Mantelkeils in der Gegenwart von Cr-reichem Spinell zu Ti-Isotopenfraktionierung fuhrt. Anders als fruhere Studien deuten die Ergebnisse in dieser Arbeit auch darauf hin, dass Amphibole Ti-Isotope fraktionieren konnen, was bisher nicht beobachtet wurde. Diese Monographie stellt heraus, dass die Kombination von High Field Strength Element-Daten mit Ti-Isotopendaten weitreichende Einblicke in die petrogenetischen Prozesse von Mondgesteinen und terrestrischen Gesteinen erlauben. Zusatzlich deuten terrestrische Ti-Isotopenvariationen in einer Lokalitat darauf hin, dass neben Ti-reichen Oxiden auch einige silikatische Minerale, genauer Amphibole, Ti-Isotope fraktionieren konnen. Dies unterstreicht nur noch mehr die Notwendigkeit, Ti-Isotopenfraktionierungsfaktoren fur silikatische Minerale zu bestimmen.