3 Elemente & Sonnensystem

3.1 Gleichgewichtskondensation

Man geht davon aus, dass alles Material in der protoplanetaren Scheibe zu einem frühen Zeitpunkt einmal mehr oder weniger vollständig evaporiert, d.h. gasförmig war. Dieses Gas kühlte anschließend ab, und es kondensierten Minerale. Die Abfolge der Mineralkondensation hängt von einigen Parametern ab, so z.B. der Gas-Zusammensetzung, dem Umgebungsdruck, oder des Staub/Gas-Verhältnisses, das ein Maß für die O-Fugazität im Gas darstellt. Zwei prinzipiell unterschiedliche Möglichkeiten der Kondensation gilt es zu betrachten: Gleichgewichts- sowie fraktionierte Kondensation. Gleichgewichts/Kondensationsdiagramme stellen auf einer Achse die Temperatur, und auf der anderen den Anteil kondensierten Materials dar. Als erstes kondensieren während der Abkühlung refraktäre, z.B. Ca,Al-reiche Phasen die in CAIs vorkommen. Der Anteil refraktärer Elemente ist vergleichsweise gering, und daher ist auch die Menge Ca,Al-reicher Phasen, sowie CAIs gering. Als nächstes kondensieren Haupt-Phasen, nämlich Metall, Olivin, Pyroxen und Feldspat. Diese bilden die Haupt-Komponenten Chondren, Matrix und Opak-Phasen. Die anfänglichen refraktären Phasen sind dann bei der Gleichgewichts-Kondensation praktisch vollständig aufgebraucht.

Beschreibe wann und wie Gleichgewichtskondensation abläuft.

In der Frühphase des Sonnensystems war im inneren Bereich der protoplanetaren Scheibe (wenige AE) vermutlich alles Material als Gas evaporiert. Mit fallender Temperatur kodensierten bei geringen Drücken von vielleicht 1-10 Pa nacheinander die Elemente in Phasen wie Spinel, Olivin, Pyroxen, Feldspat, Phyllosilikate, etc. aus. Diese Kondensation ist dann eine Gleichgewichtskondensation, wenn bei jeder Temperatur die Phasen vorhanden sind, die in ihrer Energie den herrschenden T- und P-Bedingungen entsprechen – d.h., diese Phasen sind im thermodynamischen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung. Wenn bei jedem Temperaturschritt ausreichend Zeit ist, damit sich ein thermodynamisches Gleichgewicht einstellt, spricht man von Gleichgewichtskondensation.

Welche Komponenten der Chondrite enthalten welche Phasen der Kondensation?

CAIs enthalten Hochtemperatur-Phasen wie Spinel, Hibonit, Perowskit oder Akermanit. Chondren enthalten primär Olivin, Pyroxen, Feldspat, Metall und Sulfid. Die Matrix enthält ähnlich Minerale, dazu aber häufig noch Phyllosilikate. Allerdings sollten bei einer vollständigen Gleichgewichtskondensation keine Hochtemperatur-Phasen mehr vorhanden sein. CAIs sind daher ein Beleg für fraktionierte Kondensation.

Welche chemische Formel hat Olivin?

✗(Mg,Fe)2Si2O6

✗(Mg,Fe)2Si2O4

✗(Mg,Fe)SiO3

✓(Mg,Fe)2SiO4

Welches von beiden ist der Hochtemperatur Feldspat?

✓Anorthit

✗Albit

Das Hochtemperatur Mineral Hibonit tritt nach der Gleichgewichtskondensation in CAIs auf.

✗Wahr

✓Falsch

3.2 Fraktionierte Kondensation

Man geht davon aus, dass alles Material in der protoplanetaren Scheibe zu einem frühen Zeitpunkt einmal mehr oder weniger vollständig evaporiert, d.h. gasförmig war. Dieses Gas kühlte anschließend ab, und es kondensierten Minerale. Die Abfolge der Mineralkondensation hängt von einigen Parametern ab, so z.B. der Gas-Zusammensetzung, dem Umgebungsdruck, oder des Staub/Gas-Verhältnisses, das ein Maß für die O-Fugazität im Gas darstellt. Zwei prinzipiell unterschiedliche Möglichkeiten der Kondensation gilt es zu betrachten: Gleichgewichts- sowie fraktionierte Kondensation. Kondensationsdiagramme stellen auf einer Achse die Temperatur dar, und auf der anderen den Anteil kondensierten Materials, das nicht mehr mit dem umgebenden Gas reagiert (=Isolations-Grad). Ein Isolations-Grad von 0% entspricht der Gleichgewichts-Kondensation. Für eine Minerale ändert sich die Kondensations-Sequenz wenn überhaupt nur minimal mit zunehmendem Isolations-Grad. Die meisten Änderungen der Kondensations-Sequenz finden sich bei einem Isolations-Grad zwischen ~0.4 und 3%. Eine Reihe neuer Minerale beginnen zu kondensieren, bedeutsam ist z.B. SiO2. Das ist interessant, da es den Gas-Schmelz Austausch erklären kann den viele Chondren erfahren haben, im besonderen die mineralogisch zonierten Chondren. Ein weiteres, interessantes Mineral ist Oldhamit, das z.B. in Enstatit-Chondrit Chondren auftaucht. Das Auftreten dieser und anderer Minerale ändert zudem die Kondensationstemperatur anderer Minerale, z.B. Anorthit oder Albit.

Beschreibe die fraktionierte Kondensation.

Man spricht von fraktionierter Kondensation, wenn sich die extensiven Parameter T und P schneller ändern, als es dauert, damit sich ein Gleichgewicht zwischen den kondensierten Phasen und dem umgebenden Gas einstellt. Die kondensierten Phasen – bzw. ein Teil davon – sind also bei den herrschenden T und P nicht mehr im thermodynamischen Gleichgewicht. Es kann dann bei einer geringen Temperatur z.B. eine refraktäre Phase wie Spinel noch vorhanden sein, obwohl diese gar nicht mehr stabil wäre. Es können also Hoch-Temperatur Phasen überleben, und in Chondrite eingebaut werden. Der Prozess ist analog zur fraktionierten Kristallisation in Schmelzen.

Welches bekannte Mineral tritt erst bei fraktionierter Kondensation auf, und warum?

SiO2, also Quarz/Tridymit/Cristobalit – je nach Temperatur und Abkühlgeschwindigkeit. Die protoplanetare Scheibe hat ein Mg/Si Verhältnis von etwa 1. Damit sollten alle Minerale Pyroxen oder Olivin sein, wenn noch etwas Fe hinzu kommt. Bei fraktionierter Kondensation reagiert ein Teil des forsterotischer Olivin nicht mit dem umgebenden Gas zu Pyroxen. Dadurch wird das Gas immer SiO-reicher, sodass später SiO2 kondensieren kann, und zwar bei einem Isolationsgrad von schon etwa 0.5.

Wie lautete die chemische Formel von niedrig-Ca Pyroxen?

✗(Mg,Fe)2SiO6

✗(Mg,Fe)SiO4

✓(Mg,Fe)2Si2O6

✓(Mg,Fe)SiO3

Bei ca. welcher Temperatur kondensiert Forsterit?

✗1220 K

✓1320 K

✗1420 K

✗1520 K

Welcher der beiden ist der Hochtemperatur Pyroxen?

✗Enstatit

✓Diopsid

3.3 Kondensationsreihenfolge der Minerale

Die Kondensationsreihenfolge der Minerale ist geprägt von der 50% Kondensationstemperatur der Elemente: zunächste Ca,Al-Oxide, dann Silikate, schließlich OH-haltige Minerale.

Bei welchen Temperaturen kondensieren die Minerale. Gib die Temperaturen entsprechend der Einteilung der refraktären, Haupt, volatilen und hoch-volatile Elemente an.

Refraktär: >1400 K; Haupt: 1400 K; Volatil: 1230 K; Hoch-Volatil: 640 K

Welche Mineral bilden die Komponenten der Chondrite?

CAI & AOA: Korund, Hibonit, Perowskit, Spinell, Mellilith, Diopsid; Chondren: Forsterit, Enstatit, Feldpsat, Metall; Matrix: Olivin, Pyroxen, Metall, Sulfid.

Wie lautet die chemische Formel von Diopsid?

✓CaMgSi2O6

✗CaMgSiO4

✓(Mg,Ca)SiO3

✗CaMgSi3O6

Wie lautet die chemische Formel von Magnetit?

✓Fe(2+)Fe(3+)2O4

✗Fe(2+)Fe(3+)O3

✗Fe(3+)Fe(2+)O4

✗Mg(2+)Fe(3+)2O4

Mit abnehmender Temperatur kondensieren folgende Minerale (Zwischenschritte können fehlen?

✓Spinell – Forsterite – Enstatit – Troilite

✓Forsterit – Metall – Albit – Serpentin

✗Spinell – Korund – Enstatit – Phyllosilikat

✓Perovskit – Enstatit – Troilit – Metall – Phyllosilikat

✗Enstatit – Metall – Forsterit – Troilit

3.4 Kosmochemisches Periodensystem der Elemente

Ein spezielles Periodensystem für die Kosmochemie ist äußert hilfreich um schnell grundlegende Informationen wie Häufigkeit, Kondensationstemperatur, Isotopen-Daten, etc. nachzuschauen.

Nenne mindestens 5 Element-Eigenschaften die im kosmochemischen PSE dargestellt sind.

Z.B. CI Häufigkeit, 50% Kondensationstemperatur, Oxid-Element Umrechnungsfaktor, kondensierende Phase, Anzahl stabiler Isotope, wichtigstes radioaktives Isotop.

Was stellen die Farben und die (fehlende) Schraffur im kosmochemischen PSE dar?

Farbe: kosmochemische Eigenschaft – refraktär, Haupt, volatil, hoch-volatil. Schraffur: litophil, sidero-/chalkophil.

Actinide und Lathanide sind …

✗… lithophil volatil

✗… siderophil volatil

✓… lithophil refraktär

✗… siderophil refraktär

Bis zu welcher 50% Kondensations-Temperatur werden Elemente als refraktär klassifiziert?

3.5 Kosmochemische Element-Eigenschaften

Die chemischen Elemente werden ganz allgemein nach ihrem ›kosmochemischen Charakter‹ eingeteilt. Dieser besteht aus zwei Eigenschaften: (i) der 50% Kondensationstemperatur (T50%), und (ii) ob ein Element lithophil oder siderophil/chalkophil ist. Elemente mit T50% über 1400 K werden ›refraktäre‹ Elemente genannt. Die wichtigsten lithophil Refraktoren Elemente sind Al, Ca, Ti und die REE. Zu den wichtigeren siderophil refraktären Elementen gehören W, Ir und Pt. Elemente mit T50% zwischen 1250 und 1400 K werden ›Haupt-‹Element genannt, da die 3 Hauptelemente Mg, Si und Fe in diesem Intervall kondensieren. Ein weiteres wichtiges lithophiles Haupt-Element ist Cr. Weitere wichtige siderophile Haupt-Element sind Ni und Co. Element mit T50% zwischen 640 und 1250 K werden ›volatile‹ Element genannt. Die wichtigsten lithophilen volatilen Element sind Mn, Na und P. Die wichtigsten siderophilen volatilen Elemente sind S und Cu. Elemente mit T50% unterhalb 640 K werden ›hoch-volatile‹ Element genannt. Die wichtigsten lithophilen hoch-volatile Element sind are H, O, C, sowie die Edel-Gase. Das wichtigste siderophile hoch-volatile Element ist Pb. Es ist interessant, dass O – obwohl es ein hoch-volatiles Element ist – schon als erstes Element gemeinsam mit Al in der refraktärsten Phase Korund kondensiert. Das zeigt wie wichtig die Phase ist, in die ein Element kondensiert, und nicht einfach nur dessen T50% is important.

Nach welchen Eigenschaften werden die Elemente für die Kosmochemie klassifiziert?

Kosmochemischer Charakter: Refraktär – Haupt – Volatil – Hoch-Volatil; Geochemischer Charakter: Lithophil – Sider- & Chalkophil.

Nenne wichtige Elemente für jede der kosmochemischen und geochemischen Gruppe.

Zum Beispiel: Refraktär Lithophil: Ca, Al, Ti, SEE; Refraktär Sidero-/Chalkophil: Ir, W; Haupt Lithophil: Mg, Si, Cr; Haupt Sidero-/Chalkophil: Fe, Ni, Co; Volatil Lithophil: Na, Mn; Volatil Sidero-/Chalkophil: S, Cu, Au; Hoch-Volatil Lithophil: O, C, Cl, Edel-Gase; Hoch-Volatil Sidero-/Chalkophil: Pb, Hg.

Die 50% Kondensationstemperaturen werden in der Regel bei Drücken von etwa … angegeben:

Über welchen Temperatur-Bereich – ca. – kondensieren die Hauptelement?

3.6 Generelle Eigenschaften der Chondrite

Zu den grundlegenden Charakteristika der Chondrite gehört der Modalbestand der Komponenten wie Chondren (inkl. deren mittleren Chondren-Größen), Matrix, Ca,Al-reiche Einschlüsse (CAIs) und Metall, sowie auch Sulfide. Zwischen den letzten beiden wird häufig nicht unterschieden. Es ist außerdem interessant zu wissen nach welchenm Typ-Meteorit eine Chondrit-Gruppe benannt ist, bzw. welches andere Kriterium verwendet wird, um eine Chondrit-Gruppe zu benennen.

Welche Chondrit-Gruppen haben in etwa ausgeglichene Häufigkeiten von Chondren und Matrix?

Kohlige Chondrite, außer CI. Auch CK haben vermutlich aufgrund ihres oftmals höheren petrologischen Typs weniger Chondren, die während der Metamorphose rekristallisieren und dabei ihre ursprüngliche Textur verlieren. Dazu noch R und K Chondrite.

Wie funktioniert die Namensgebung der Chondrite?

Kohlige Chondrite (8 Gruppen) haben zunächst ein ›C‹, gefolgt vom ersten Buchstaben des Typ-Meteorits für die Gruppe. Eine Ausnahme sind die CH Chondrite, hier steht das H für ›high iron‹. Gewöhnliche Chondrite (3 Gruppen) werden nach ihrem Eisen- und Metall-Gehalt unterschieden in H für ›high iron‹, L für ›low iron‹ und LL für ›low iron, low metal‹. Die beiden Enstatit Chondrit-Gruppen bekommen zunächst ein ›E‹, gefolgt von ›H‹ bz. ›L‹, welche dieselbe Bedeutung haben wie bei den gewöhnlichen Chondriten. Die Einzelgruppen R und K sind nach deren Typ-Meteorit benannt.

Wie groß ist der max., durchschnittliche Chondren-Durchmesser?

✗<0.1 mm

✓<1 mm_x000B_<10 mm

Was ist die max. CAI Häufigkeit?

✗ca. 3 vol% in CR Chondriten

✗ca. 4 vol% in CR Chondriten

✗ca. 4 vol% in CK Chondriten

✓ca. 3 vol% in CV Chondriten

✗ca. 4 vol% in CV Chondriten