Unsere Forschung

Teilprojekt zu SPP 1833: Building a habitable Earth

Terrane spotting – eine Untersuchung unterschiedlicher Modelle zur Entstehung der ersten Kontinente

PI: Prof. Annika Dziggel (Ph.D.)

Archaische Kratone sind generell durch steil einfallende, großräumige Scherzonen charakterisiert. Die Scherzonen werden häufig als Terrangrenzen interpretiert, die Krustenfragmente unterschiedlicher geologischer Entwicklung voneinander trennen. The Akkretion der Terrane setzt das Vorherrschen horizontaler Verkürzung und damit Subduktion voraus. Allerdings ist es auch plausibel, dass einige der steilen Scherzonen durch partielle konvektionsbedingte Umwälzungen und das Absinken gravitativ instabiler Grünsteingürtel in die tiefe Kruste entstanden sind. Dieser Prozess benötigt keine Subduktion. Das Erkennen dieser unterschiedlichen geodynamischen Prozesse ist häufig schwierig, da archaische Gesteine eine lange und komplexe Entwicklung aufweisen, die sich durch multiple Deformationsereignisse und spätere tektonische Überprägungen auszeichnet. In diesem Projekt sollen zwei unterschiedliche Hypothesen (Terran-Akkretion im Vergleich zu einer späteren Überprägung eines ehemals zusammenhängenden Segments archaischer Kruste) zur Entstehung des Lewisian Komplexes in Schottland mit Hilfe von Phasendiagramm-Modellierungen und in situ U-Pb, Lu-Hf, O- Isotopen und Spurenelement Analytik in Zirkon getestet werden. Das Hauptziel dieser Studie ist, ein besseres Verständnis über das Alter und die Bedingungen der Krustenbildung innerhalb einzelner Terrane zu erlangen, um zu klären, ob die tektonischen Blöcke tatsächlich Terrane sind oder ob sie unterschiedliche Krustenbereiche eines einst zusammenhängenden archaischen Kontinents darstellen.

Zur Webseite des SPP 1833 (https://habitableearth.uni-koeln.de/)

Teilprojekt zu FOR 2881: Diffusions-Chronometrie von magmatischen Systemen

Chronometrie in plutonischen Gesteinen: Abkühlraten alter ozeanische Erdkruste

PI: Dr. Kathrin Faak, Dr. Maria Kirchenbaur (Uni Hannover)

Seit dem Einsetzen der Plattentektonik ist die Bildung neuer ozeanischer Kruste an mittelozeanischen Rücken einer der Hauptmechanismen für die Abkühlung des Erdinneren. Eines der zentralen ungelösten Probleme ist jedoch die effiziente Wärmeübertragung während der Bildung der plutonischen Ozeankrustensektion. Es wurden mehrere Modelle für die Erzeugung des plutonischen Abschnitts an ozeanischen Rücken vorgestellt, die sich hauptsächlich auf die Kühlung der ozeanischen Kruste durch Konduktion oder Advektion von Fluiden durch die Kruste konzentrieren. Versuche, prominente Endgliedermodelle zu testen, haben bisher zu keinen schlüssigen Ergebnissen geführt. Beispielsweise scheint die Abkühlung der gesamten Kruste besser mit konduktiver Abkühlung vereinbar zu sein, obwohl in den Gesteinen Hinweise auf hydrothermalen Flux zu finden sind. Daher ist es notwendig, die Verteilung der Abkühlraten als Funktion der Distanz von dokumentierten Fluidwegen zu betrachten und gleichzeitig den Fluidfluss zu quantifizieren. Wir schlagen vor, dieses Problem mit einem umfassenden Ansatz zu lösen, bei dem Diffusions-Chronometrie und Isotopengeochemie an Proben aus fokussierten Flüssigkeitsströmungszonen (FFFZ) innerhalb der Gabbroschichten des Wadi Gideah-Referenzprofils im Oman-Ophiolith kombiniert werden. Daher ist es unser Ziel, die Abkühlungsraten in mehreren Profilen zu quantifizieren, angefangen beim Kontakt mit einer FFFZ bis in die massiven geschichteten Gabbros. Die Abkühlraten werden an Olivin, Plagioklas und Pyroxenen in verschiedenen Gabbro-Proben unter Verwendung von Multidiffusions-Chronometern bestimmt. Hierzu zählen beispielsweise das bewährte Ca-in-Olivin-Geospeedometer zusammen mit den kürzlich entwickelten Geospeedometern auf Basis der Spurenelementdiffusion im Plagioklas (Mg, Ba, Sr, La, Ce) sowie mögliche Chronometer mit Pyroxenen (z.B. Fe-Mg-, Sr- oder Li-Diffusion in Klinopyroxen). Zusätzlich schlagen wir vor, das schnell diffundierende stabile Li-Isotopensystem auf Olivin, Plagioklas und Pyroxen sowie auf ausgewählte Gesamtgesteinsproben anzuwenden. Die Messung der Isotopenprofile von Li und Sr in Gesteinsproben, die die FFFZ umgeben, kann verwendet werden um gleichzeitig die Abkühlraten sowie die Fluidflüsse zu bestimmen. Die Studie liefert nicht nur Einblicke in den Kühlmechanismus der ozeanischen Kruste, sondern ermöglicht auch die Überprüfung der Konsistenz und Robustheit verschiedener Diffusionschronometer, die an denselben Proben angewendet werden.

Zur Webseite der FOR (https://diffchron.ruhr-uni-bochum.de/)

PI: Prof. Annika Dziggel (Ph.D.) und der Geological Survey of Denmark and Greenland (GEUS)

DFG-Einzelförderung

Die Rolle mafisch-ultramafischer Körper bei der Entstehung der frühen kontinentalen Kruste

PI: Dr. Silvia Volante & Prof. Annika Dziggel (PhD)

Hauptbestandteile der ältesten kontinentalen Kruste sind natriumhaltige Gesteine der Tonalit–Trondhjemit–Granodiorit (TTG) Reihe, die durch teilweises Aufschmelzen von wasserhaltigen Metabasalten in unterschiedlichen Tiefen entstanden sind. Die mit der Bildung der TTG-Schmelzen verbundenen Prozesse sind jedoch nach wie vor umstritten, und grundlegende Fragen bezüglich der Rolle und Herkunft des Wassers bei der Bildung derart großer Mengen an Schmelzen müssen noch beantwortet werden.

Dieses Projekt zielt darauf ab, die Druck–Temperatur–Zusammensetzungs–Zeit (P–T–X–t) Bedingungen während des partiellen Aufschmelzens natürlicher archaischer mafisch-ultramafischer Protolithe und ihre Rolle bei der Bildung von TTG-Schmelzen besser zu charakterisieren. Insbesondere wollen wir die Rolle und Herkunft des Wassers während des partiellen Schmelzens untersuchen und erforschen, wie die unterschiedliche Zusammensetzung der mafisch–ultramafischen Protolithe und die Verfügbarkeit von Wasser die Zusammensetzung und das Volumen der erzeugten Schmelzen steuern. Die untersuchtenProben umfassen Paare von TTGs und eingeschlossenen mafisch–ultramafischen Gesteinen aus unterschiedlichen archaischen Terrains, die sich hinsichtlich ihrer angenommenen geodynamischen Entwicklung und ihres Alters unterscheiden.

Mit Hilfe von Phasengleichgewichts-Modellierungen werden die Bedingungen während der Schmelzbildung und die Zusammensetzung der entstandenen Schmelzen bestimmt. Diese Ergebnisse werden mit Spurenelement-Modellierungen und der Gesamtgesteins-Geochemie der TTG-Gneise kombiniert, um die modellierten Schmelzzusammensetzungen mit denen der natürlichen TTG-Gneisproben zu vergleichen. Darüber hinaus werden U–Pb Datierungen sowie Spurenelement- und Sauerstoffisotopenanalysen von Zirkon verwendet, um i) das Alter und die P–T-Bedingungen der Zirkon-equilibrierten TTG-Schmelzen zu bestimmen, ii) weitere Informationen über die Schmelztiefe zu erlangen und iii) die Quelle des Wassers während der Schmelzbildung zu bestimmen. Die Ergebnisse dieser Studie haben das Potenzial, einen wichtigen Beitrag zu der seit langem geführten Diskussion zur Bildung arcaischer TTGs zu leisten, und könnten auch weitere Einblicke in die geodynamischen Umgebungen liefern, in denen sie entstanden sind.

DFG-Einzelförderung

Natürliche Variationen der ⁵¹V/⁵⁰V-Isotopenzusammensetzung: Ein neuer Redox-Tracer?

PI: Dr. Stephan Schuth, Projektbearbeitung: Dr. Ashley Martin

            Die stabilen Isotope des redoxsensitiven Vanadiums bieten eine besondere Gelegenheit, den wenig erforschten marinen V-Zyklus, einschließlich der Flüsse, systematisch zu untersuchen und somit V-Isotope als potentiell leistungsfähigen Tracer für Redox- und Wasserchemievariationen zu erschließen. Zusätzlich zu den instrumentellen Anforderungen für eine präzise und genaue V-Isotopenanalyse stellt die Messung extrem niedriger V-Konzentrationen (<2 μg/L) in Meeres- und Flusswasser eine große Herausforderung für das Labor dar, um genügend V für eine Isotopenmessung zu erhalten. In der ersten Projektphase wurde die V-Trennung erheblich verbessert, um schneller genügend V aus großen Mengen Meerwasser (ca. 2 L) zu gewinnen. Intensive Tests zeigen eine ausgezeichnete Übereinstimmung der V-Isotopenzusammensetzung eines Meerwasserstandards (δ⁵¹V_AA=+0,30 ‰) und der Nordsee (δ⁵¹V_AA=+0,03 ‰) mit kürzlich veröffentlichten Ozeanisotopendaten. Sehr niedrige δ⁵¹V-Werte von etwa -1,9 ‰ für eine antarktische Meerwasserprobe weisen jedoch auf heterogene V-Signaturen in der Meeresumwelt hin. Darüber hinaus habe ich gezeigt, dass sich die V-Isotopensignaturen der gelösten V-Fraktion in den Haupt- und Nebenflüssen des Jangtse-Einzugsgebiets von den kleineren Flüssen zu den großen Strömen hin zu höheren δ⁵¹V-Werten entwickeln, (ii) dass innerhalb eines großen Flusses wie dem Jangtse die δ⁵¹V-Werte in Richtung der Mündung kontinuierlich ansteigen, und (iii) dass die V-Isotopenzusammensetzung des gelösten V-Pools durch die V-Adsorption an partikuläre Fe-Oxide erheblich beeinflusst werden kann. Interessanterweise überschneiden sich die δ⁵¹V-Werte des partikulär gebundenen V in diesen Flusswässern des Jangtse-Beckens mit denen von Fe-Mn-Knollen, was auf vergleichbare V-Isotopenfraktionierungsprozesse schließen lässt. Darüber hinaus zeigen die ersten δ⁵¹V-Werte der Sedimente des Schwarzen Meeres einen stetigen Anstieg der δ⁵¹V-Werte von -3,1 bis + 0,3 ‰ von einer Tiefe von 850 bis ~2.000m, während von 150 bis 380m (d.h. in Richtung der Chemokline) ein Anstieg von etwa -1,9 bis -1,1 ‰ beobachtet wurde. Für die gesamte Beprobungstiefe schwanken die δ²³⁸U-Signaturen nur geringfügig von 0,03 bis 0,17 ‰ und sind ebenfalls von der V-Isotopenzusammensetzung entkoppelt. Möglicherweise zeichnen die V-Isotope Redox-Prozesse auf, die von den U-Isotopen nicht aufgezeichnet wurden. Um die V-Isotopensignaturen besser zu verstehen, werden in der zweiten Projektphase die V-Isotope der anderen ozeanischen Senken (hydrothermale Fe-Oxide, Karbonate, Fe-Mn-Knollen, reduzierte Sedimente) sowie eine große Anzahl von Meerwasserproben untersucht werden. Einfache Experimente werden mehr Licht auf die V-Isotopenfraktionierung durch Adsorption und Ausfällung durch Fe-Oxide werfen. Schließlich können V-Isotope zusammen mit Analysen von V-Spezies (III-IV-V) oder in Kombination mit anderen Redox-Indikatoren wie U einen detaillierten Blick auf die Redox-Entwicklung der frühen Ozeane ermöglichen und Unterschiede zwischen anoxischen und euxinischen Umgebungen aufzeigen oder sogar auf Biosignaturen hinweisen.

2024

Fonseca, R.O.C, Beyer, C. Bissbort, T., Hartmann, R., Schuth, S. (2024): Partitioning of highly siderophile elements between monosulfide solid solution and sulfide melt at high pressures. Contributions to Mineralogy and Petrology 179, 17, https://doi.org/10.1007/s00410-023-02092-y

2023

Kommescher, S., Kurzweil, F., Fonseca, R.O.C., Rzehak, L.J.A., Hohl, S.V., Kirchenbaur, M., Schuth, S., Sprung, P., Münker, C. (2023): Mineralogical controls on the Ti isotope composition of subduction zone magmas. Geochemistry, Geophysics, Geosystems 24, e2022GC010840. https://doi.org/10.1029/2022GC010840

2022

Kotzé, E., Schuth, S., Goldmann, S., Holtz, F. (2022): The influence of humic substances on the weathering of PGE in chromitite of the Bushveld Complex: An experimental simulation of the weathering environment. South African Journal of Geology, https://doi.org/10.25131/sajg.125.0020

Barrote, V.R., Volante, S., Blereau, E.R., Rosière, C.A., Spencer, C.J. (2022): Implications of the dominant LP–HT deformation in the Guanhães Block for the Araçuaí West-Congo Orogen evolution, Gondwana Research 107, 154-175. https://doi.org/10.1016/j.gr.2022.03.012

Hohl, S.V., Schuth, S., Münker, C., König, S., Garbe-Schönberg, D., Kuduon, J. (2022): Geochemical evolution of the Rabaul volcanic complex, Papua New Guinea - Insights from HFSE, Sr-Nd-Hf, and Fe isotopes. Lithos 408-409, 106560.

Kirchenbaur, M., Schuth, S., Barth, A.R., Luguet, A., König, S., Idrus, A., Garbe-Schönberg, D., Münker, C. (2022): Sub-arc mantle enrichment in the Sunda rear-arc inferred from HFSE systematics in high-K lavas from Java. Contributions to Mineralogy and Petrology 177, 8-25.

Tittel, J., Büttner, O., Friese, K., Lechtenfeld, O. J., Schuth, S., von Tümpling, W., Musolff, A. (2022): Iron exports from catchments are constrained by redox status and topography. Global Biogeochemical Cycles 36, e2021GB007056. https://doi.org/10.1029/2021GB007056

Volante, S., Collins, W. J., Barrote, V., Nordsvan, A. R., Pourteau, A., Li, Z. X., Beams, S. (2022): Spatio–temporal evolution of Mesoproterozoic magmatism in NE Australia: A hybrid tectonic model for final Nuna assembly. Precambrian Research, 372, 106602.

2021

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Schlüter, J., Schuth, S., Fonseca, R.O.C., Wendt, D. (2021): A remarkable discovery of electrum on the island of Sylt, northern Germany, and its Scandinavian origin. European Journal of Mineralogy 33 (4), 373-387.

2020

Brüske, A., Martin, A.N., Rammensee, P., Eroglu, S., Lazarov, M., Albut, G., Schuth, S., Aulbach, S., Schoenberg, R., Beukes, N., Hofmann, A., Nägler, T., Weyer, S. (2020): The onset of oxidative weathering traced by uranium isotopes. Precambrian Research 338, 105583.  

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Kelemen, P.B., Matter, J.M., Teagle, D.A.H., Coggon, J.A., and the Oman Drilling Project Science Team (2020) Site GT1. In Kelemen, P.B., Matter, J.M., Teagle, D.A.H., Coggon, J.A., et al., Proceedings of the Oman Drilling Project: College Station, TX (International Ocean Discovery Program). https://doi.org/10.14379/OmanDP.proc.2020

Li J., Pourteau A., Li Z.-X., Jourdan F., Nordsvan A.R., Collins W.J., Volante S., 2020. Heterogeneous Exhumation of the Mount Isa Orogen in NE Australia after 1.6 Ga Nuna Assembly: New High-Precision ⁴⁰Ar/³⁹Ar Thermochronological Constraints. Tectonics, 39, e2020TC006129. https://-doi.org/10.1029/2020TC006129.

Olierook H.K.H., Affleck R.G., Evans N.J., Jourdan F., Kirkland C.L., Volante S., Nordsvan A.R., McInnes B.I., McDonald B., Mayers C., Frew R.A., Rankenburg K., d’Offay N., Nind M., Larking A., 2020. Mineralization proximal to the final Nuna suture in northeastern Australia. Gondwana Research. https://doi.org/10.1016/j.gr.2020.12.017.

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2019

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