4  Chemsiche Zusammensetzung

Teil 1: Chemische Zusammensetzung der Meteorite (4.1 - 4.7)
Aus der chemischen Zusammensetzung der Meteorite lernen wir etwas über die Entstehung und Entwicklung der protoplanetaren Scheibe, aus der unser Planetensystem entstand. Die Zusammensetzung der Meteorite ist das Ergebnis der Zusammensetzung der Meteoriten-Mutterkörper-Bildungsbereiche, sowie anschließender Prozesse, die primär auf den Meteoriten-Mutterkörpern stattfanden. Meteorite werden unter anderem aufgrund ihrer Zusammensetzung klassifiziert, die damit Information über deren Bildungsbereiche enthalten. Lerne über die chemische Zusammensetzung der Meteorite, und was wir daraus über deren Bildung und Entwicklung lernen.
Lernziele
Erkläre die zentrale Bedeutung der CI-Chondrite für die Kosmo- aber auch Geochemie. Erinnere Dich, was ›kosmische Häufigkeit der Elemente‹ bedeutet, und beschreibe diese. Nenne die 10 häufigsten Elemente, deren relative Häufigkeiten, sowie kosmochemischen Charakter (-> muss bekannt sein). Illustriere in groben Zügen die Element-Zusammensetzungen in den verschiedenen Meteoriten-Gruppen. Setzte die Meteoriten-Zusammensetzungen in Bezug zu deren Bildung. Beschreibe die Volatil-Verarmung in Meteoriten, und nenne Gründe, wie diese entstand.

Teil 2: Chemische Fraktionierungstrends in Meteoriten, Erde, ISM und der Galaxie (4.8 - 4.11)
Die chemische Zusammensetzung der Meteorite, Erde, etc. sind von deren Anfangszusammensetzung, sowie den unterschiedlichen Prozessen deren Bildung und weiterer Evolution abhängig. Deren Zusammensetzungen wird dabei auf großem Maßstab – die ganze Erde, Meteorite allgemein, das ISM, etc. –, aber auch im kleinen Maßstab verändert, z.B. die Zusammensetzung einzelner Minerale. Lerne über die Zusammensetzung von Meteoriten, Erde, ISM und der Galaxie auf großem Maßstab. Informiere Dich über deren Fraktionierungstrends, und weshalb sich diese in der beobachteten Weise gebildet haben.
Lernziele
Erkläre weshalb Erde und Meteorite unterschiedliche Mg/Si- und Al/Si-Verhältnisse habe. Nenne Gründe für diese Unterschiede. Erkläre, weshalb die hochsiderophilen Elemente (HSE) im Erdmantel höher sind als erwartet. Argumentiere, weshalb die refraktären Elemente im ISM-Gas verarmt sind. Gib Belege, weshalb das Mg/Si-Verhältnis unserer Sonnensystems typisch ist. Erkläre, weshalb das Mg/Si-Verhältnis anderer Sterne ein Beleg ist für fraktionierte Kondensation (-> muss bekannt sein) in anderen und wohl auch der protoplanetaren Scheibe am Beginn unseres Sonnensystems. Beschreibe, wie sich die chemische Zusammensetzung unserer Galaxie als gesamtes entwickelt, und nenne Gründe dafür.

Bonus 1: Darstellung der Elemente und deren Zusammensetzungen (4.12 - 4.13)
Die Element-Zusammensetzung von Meteoriten und der Komponenten wird auf unterschiedliche Weise dargestellt und bestimmt. Lerne und verstehe, wie zwei der häufigsten Techniken funktionieren: Normierung und Modale Rekombination.
Lernziele
Wende die Normierung von sicher an, um zB die Element-Zusammensetzungen von Gesamt-Meteoriten in Kategorien-Diagrammen darzustellen. Wende die modale Rekombination sicher an, um zB die Gesamt-Element-Zusammensetzung von Chondren zu berechnen.

Bonus 2: Darstellung der Isotope und deren Zusammensetzungen (4.14 - 4.17)
Die Isotopen-Zusammensetzung eines Meteoriten, Minerals, etc. wird anders angegeben als deren chemische Element-Zusammensetzung. Das hängt unter anderem damit zusammen, dass das Verhältnis zweier Isotope unabhängig ist von der Häufigkeit möglicher weiterer Isotope desselben Elements (aus demselben Grund wird die Elementzusammensetzung normiert). Es gibt dafür aber auch eine analytische Notwendigkeit. Lerne und erkläre wie Isotope notiert werden und warum diese Art der Notation gewählt wurde.
Lernziele
Explain why isotopes are presented as ratios and not absolute values. Give arguments why isotope ratios are presented relative to a standard. Confident usage and explanation of the various stable and radioactive isotope notations. Explain the approximation a-1 = Ln(a).

Bonus 3: Isotopen-Zusammensetzungen der Chondren (4.18)
Die Chondren haben unterschiedliche Isotopen-Gesamtzusammensetzungen. Die Unterschiede dieser Isotopen-Gesamtzusammensetzungen können für verschiedene Elemente sehr unterschiedlich sein. Das hängt in der Regel damit zusammen, welcher Prozess die Isotope fraktioniert hat. Die Isotopen-Gesamtzusammensetzungen der Chondren in einem Chondrit zeigen oftmals eine bestimmte Verteilung. Schaue Dir die Isotopen-Zusammensetzung von Chondren und deren Verteilung in einem Chondriten an, und was daraus über die Bildungsbedingungen und -regionen der Chondren abgeleitet werden kann.
Lernziele
Nenne Intervalle von Gesamt-Chondren Isotopen-Zusammensetzung wichtiger Elemente. Setze die Breite der Isotopen-Intervalle in Bezug zum Mechanismus der Isotopen-Fraktionierungsprozesse. Beschreibe die Verteilung der Gesamt-Chondren Isotopenzusammensetzungen der Chondren-Population eines Chondrites. Belege anhand der Isotopen-Zusammensetzung der Chondren deren Bildung aus einem gemeinsamen Reservoir.

4.1 Die fundamentale Element-Korrelation Solare Photosphäre vs. CI Chondrite

Dieser wohl fundamentalste Plot zeigt, weshalb die Meteoritenforschung von zentraler Bedeutung ist. Meteorite, und speziell die CI Chondrite, haben weitgehend dieselbe Zusammensetzung wie die Sonne, außer für H, He und eine Reihe volatiler Elemente. Da die Sonne fast 99.9% der Gesamtmasse unseres Sonnensystems enthält, ist ihre Zusammensetzung sehr wahrscheinlich repräsentativ für das gesamte Sonnensystem. Weil CI Chondrite nun gleich zusammen gesetzt sind wie die Sonne, sollten auch diese eine für unser gesamtes Sonnensystem repräsentative Zusammensetzung haben. Daher können wir die Zusammensetzung des Sonnensystem sehr genau im Labor bestimmen in dem wir CI Chondrite untersuchen. CI Chondriten sind deshalb auch die Standard-Referenz um geochemische Prozesse zu studieren.

Volatil und/oder inerte Elemente: H, He, N, C, O, Edelgase.

Sie haben die nahezu identische Zusammensetzung wie die Sonne. Da die Sonne mehr als 99.9% der Masse des Sonnensystems auf sich vereinigt, sollte die Zusammensetzung der Sonne repräsentativ für das Sonnensystem sein – und damit auch die CI Chondrite.

✗… es in der Sonne produziert wird, und daher scheinbar in Meteoriten verarmt ist

✗… es in der Sonne verbraucht wird, und daher scheinbar in Meteoriten verarmt ist

✗… es in der Sonne produziert wird, und daher scheinbar in Meteoriten angereichert ist

✓… es in der Sonne verbraucht wird, und daher scheinbar in Meteoriten angereichert ist

✓Wahr

✗Falsch

✗Die Chromosphäre

✓Die Photosphäre

✗Die Protuberanzen

✗Die Korona

4.2 Häufigkeit der Elemente in CI Chondriten

Das häufigste Element ist O. Danach folgen die 3 etwa gleich häufigen Elemente Mg, Si und Fe, gefolgt von S. Eine Größenordnung darunter liegen Al, Ca und Ni. Darum sind auch CAIs selten. Etwas weniger häufig als diese sind Na, Cr und Mn. All diese Elemente korrespondieren mit den den häufigen Silikaten, Metall, Sulfid und eben den CAI-Mineralen. 6 Größenordnungen unter den Hauptelementen Mg, Si und Fe liegen die REE, die deshalb auch in ppm angegeben sind.

O, Mg, Si, Fe, S. Etwa eine Größenordnung unter Mg/Si/Fe: Al, Ca, Ni. Danach z.B. Na, Cr, N. Seltener genannt, jedoch nur etwas seltener als S ist H.

P, Cl, K, Ti, Mn, Co, Zn, Cu.

✗Aufgrund der Normierung auf Mg und CV Chondrite.

✓Da Elemente mit gerader Ordnungszahl stabiler sind.

✗Die Unterschied fallen nur aufgrund der log-Skalierung auf.

✗Da nur Elemente mit ungeraden Neutronenzahlen dargestellt sind

✓Etwa 6 Größenordnungen

✓Etwa 10(-6)

✗Etwa 10(-6) Größenordnungen

✗Etwa 10(6) Größenordnungen

✗Da sie nur bei sehr hohen Temperaturen kondensieren.

✓Da Ca,Al etwa eine Größenordnung seltener sind als Mg/Si/Fe.

✗Da Ca,Al etwa zwei Größenordnungen seltener sind als Mg/Si/Fe.

✗Da Ca,Al etwa gleich häufig sind wie Mg/Si/Fe, aber sehr viel Ca,Al in der Chondren-Mesostasis steckt.

4.3 Mittlere Element-Zusammensetzung der verschiedenen Chondrit-Gruppen

Ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal zwischen den Chondrit-Gruppen ist der Gesamt-Zusammensetzung. Ein kompletter Satz von Gesamt-Zusammensetzungen aller Chondrit-Gruppen ist enorm hilfreich.

Element-Konzentrationen werden häufig normalisiert dargestellt. Dazu werden Werte durcheinander geteilt. Werden Konzentrationen, die in unterschiedlichen Hilfsmaßeinheiten (also %, ppm, mg/g, etc) angegeben sind durcheinander geteilt, können diese nicht mehr direkt miteinander verglichen werden. Daher sind in der Tabelle alle in derselben Hilfsmaßeinheit dargestellt. Überhaupt ist es so problemlos möglich mathematische Operationen mit den verschiedenen Konzentrationen auszuführen, z.B. Addition (bei Analyse-Summen) oder Multiplikation (für Modale Rekombination).

✗In Gew% (wt%)

✓In µg/g

✓In Gew-ppm (wt-ppm)

✗In Gew-ppm% (wt-ppm%)

✓Wahr

✗Falsch

4.4 Eisen-Meteorit Abkühlraten aus Insel-Breiten

Es existieren unterschiedliche Methoden um die Abkühlrate von Eisen-Meteoriten zu bestimmen. Bei einer Methode wird die Mikro-Struktur von Taenit (Ni-reiches Metall) angeschaut. Dieser Taenit entmischt auf µm-Ebene in unterschiedliche, Ni-reiche Metalle. Dabei entsteht eine wolkige Struktur mit Inseln im der Mitte einer Waben-Struktur. Die Größe dieser Inseln korreliert negativ mit der Abkühlrate, d.h. kleinere Inseln entstehen bei hohen Abkühlraten, und größere Inseln bei langsamen Abkühlraten. Diese Methode kann auch auf andere Meteoriten-Gruppen angewendet werden die Metall enthalten.

Wir können etwas über die Entwicklung der Mutter-Körper lernen, z.B. deren Größe und Abkühlzeit.

0.5 bis 500 K/Ma.

✓10-500 nm

✗10-500 µm

✗10-500 mm

✗Wahr

✓Falsch

4.5 Klassifikation und Vergleich der Gesamtzusammensetzung der Chondrite

Chondrit-Gesamtzusammensetzungen sind ein Merkmal um Chondrite zu klassifizieren. Die Gesamtzusammensetzungen erlauben außerdem Rückschlüsse darauf, wie die Reservoire, in denen die Chondrite entstanden, zusammen gesetzt waren und welche Prozesse darin abgelaufen sind.

Klasse: Enstatit-Chondrite; Gruppe: EH. R haben ebenso sehr hohe Mg/Si-Verhältnisse. Alle genannten haben in etwa 1.3-1.4 mal CI chondritische Mg/Si Verhältnisse.

In den kohligen Chondriten sind die refraktären Elemente wie Ca und Al in der Regel angereichert zwischen etwa 1.1 und 1.4 mal CI chondritsch. In allen anderen – also OC, EC, R und K – sind die refraktären meist leicht (ca. 0.9 mal CI chondritisch) verarmt.

✗Auf CI und Mg

✓Auf CI und irgendein Element

✗Auf CI

✗Auf Mg

✗Auf irgendein Element

✓Wahr

✗Falsch

✓CC

✗OC

✗EC

✓K

✗R

4.6 Volatil-Verarmung in Kohligen Chondriten

Kohlige Chondrite sind zu unterschiedlichen Graden monoton an volatilen Elementen verarmt. Dieser monotone Trend stoppt jedoch bei den hoch-volatilen Elementen und wird flach. Die monotone Verarmung kann möglicherweise durch unvollständige Kondensation erklärt werden, und die flachen hoch-volatilen Elemente durch Zumischung von CI Material.

Die volatilen Elemente sind monoton verarmt. Die höher volatile Elemente haben flache, plateau ähnliche Muster, d.h., diese sind zu gleichen Teilen relativ zu CI verarmt.

Entweder durch unvollständige Kondensation oder Evaporation von einem ursprünglich CI chondritischem Reservoir, und späterer Zumischung von etwas CI-ähnlichem Material.

✗Wahr

✓Falsch

✗Wahr

✓Falsch

✓Wahr

✗Falsch

4.7 Das Urey-Craig Diagramm

Die verschiedenen Chondrit-Gruppen sind zu variablen Graden oxidiert, bzw. reduziert, und repräsentieren damit unterschiedliche O-Fugazitäten in ihren jeweiligen Bildungsregionen. Änderungen entlang der x-Achse stellen diese unterschiedlichen O-Fugazitäten dar, während entlang der y-Achse unterschiedliche Metall-Gehalte dargestellt sind. Enstatit-Chondrite sind am stärksten reduziert, während CM und CI Chondrite am meisten oxidiert sind, und außerdem Metall-arm. Insgesamt sind die kohligen Chondrite eher reduziert und Metall-arm. In den gewöhnlichen Chondriten sind die Metall-Gehalte und der Fe-Gehalt in Silikaten anti-korreliert, d.h., die Silikate in LL-Chondriten enthalten das meiste Fe, obwohl die LL-Chondrite die geringsten Gesamt Fe-Konzentrationen haben – und umgekehrt in H-Chondriten.

4.8 Kosmochemischer Fraktionierungstrend und Terrestrisches Feld

Eine auffallende Kombination zweier Trends gibt es im Diagramm Al/Si vs. Mg/Si. Terrestrische Gesteine fallen größtenteils entlang eines Trends mit negativer Steigung. Dieser erklärt sich durch fraktionierte Kristallisation: Schmelzen sind reicher an Si und Al, und liegen damit bei geringen Mg/Si und hohen Al/Si Verhältnissen, während restitische Gesteine bei komplementären Element-Verhältnissen liegen. Diese negative Korrelation wird als ›terrestrisches Array‹ bezeichnet. Die Gesamtzusammensetzung von Chondriten fällt dagegen auf eine positive Korrelation, d.h. Mg und Al steigen/fallen gemeinsam ab/an. Diese Korrelation wird ›kosmochemischer Fraktionierungstrend‹ gennant. Die CI Chondrite und die Sonne liegen nahe beieinander und auf dem kosmochemischen Fraktionierungstrend. Die Gesamt-Erde (bulk silicate Earth – BSE) fällt interessanterweise fast genau auf dem Schnittpunkt von terrestrischem Array und kosmochemischen Fraktionierungstrend. Allerdings ist BSE relativ zur Sonne an Si verarmt. Das wird manchmal mit einem signifikanten Anteil von Si (bis zu mehreren Gew%) im Erdkern erklärt. Kohlige Chondrite (CC) haben gleiche Mg/Si Verhältnisse, variieren jedoch in Al/Si. Vermutlich aufgrund variabler Mengen Ca,Al-reicher Einschlüsse, die erst später den CC zugemischt wurden. Generell scheint der kosmochemische Fraktionierungstrend variable Si-Konzentrationen in den verschiedenen planetaren Körpern anzuzeigen, auch wenn der Grund für diese Variationen bislang noch unklar ist.

Immer: Mg/Si, Al/Si. Sonne: 0.91, 0.09; BSE: 1.09, 0.11; Spinel-Peridotite: 1.1 bis 1.4, 0.02 bis 0.1 Differenzierte Gesteine: 0 bis 0.2; 0.2 bis 0.45; Chondrite: 0.55 bis 0.9, 0.45 bis 0.1.

Die BSE hat höhere Mg/Si Verhältnisse als die Sonne, d.h., die BSE ist an Si relativ zur Sonne verarmt. Die derzeit populärste Erklärung dafür sind einige Gew% Si im Erdkern, d.h., die Erde hatte ursprünglich wahrscheinlich dasselbe Mg/Si Verhältnis wie die Sonne, jedoch wurde während die Erde differenzierte ein signifikanter Anteil Si in den Erdkern eingebaut.

✗… den Entzug von Forsterit

✗… die Zugabe von Forsterit

✗… Entzug von CAIs

✓… Zugabe von CAIs

✓höhere

✗in etwa gleiche

✗niedrigere

✗EC – OC – CC

✗CC – EC – OC

✗EC – CC – OC

✗OC – CC – EC

✓CC – OC – EC

✗OC – EC – CC

4.9 Gesamtzusammensetzung und Verarmung der Gesamt-Silikaterde

Die Gesamt-Silikaterde (BSE – bulk silicate Earth) bezeichnet die Zusammensetzung der Erde ohne den metallischen Erdkern. Lithophil refraktäre Elemente bis ca. Mg haben in etwa CI chondritische, Konzentrationen. Elemente mit geringeren T50% Kondensationstemperaturen als Mg sind in der BSE zunehmend verarmt. Siderophil refraktäre, sowie Haupt-Elemente sind gegenüber CI (und Mg) verarmt. Der Grad der Verarmung hängt vom Verteilungskoeffizienten der Elemente zwischen Kern und Mantel, d.h. zwischen Metall und Silikat ab. Diese Verteilung hängt wiederum von Druck, O-Fugazität und unterschiedlichen Valens-Zuständen manche Elemente ab – die ihrerseits natürlich auch von den Umgebungsbedingungen wie Druck oder O-Fugazität abhängen. Alle hoch-siderophilen Elemente (HSE) werden ausschließlich im Kern erwartet, d.h. deren normalisierten Häufigkeiten sollen praktisch 0 sein. Das ist nicht der Fall, und auch wenn die normalisierten Häufigkeiten der HSE in der BSE sehr gering sind, können diese nicht nach der Kern-Mantel Differentiation dort verblieben sein. Es wird daher gerne vorgeschlagen, dass ein später, großer Meteoriten-Einschlag (genannt ›late veneer‹) mit CI-Zusammensetzung im Mantel aufgelöst wurde. Die mitgelieferten HSE im Meteoriten haben dabei den Mantel an HSE angereichert. Der Verarmungstrend der volatilen Elemente ist generell unabhängig vom litho-/sidero-/chalco-/atmophilen Charakter eines Elements. Das kann durch eine generelle Volatil-Verarmung im Reservoir erklärt werden, aus dem die Erde entstand. Allerdings weichen einzelnen Elemente (z.B. Pb) oder Element-Gruppen (z.B. S/Se/Te) vom generelle Trend der Volatil-Verarmung ab. Diese Abweichung sind bis heute nicht ganz verstanden, aber wahrscheinlich auch das Ergebnis der Umgebungsbedingungen, bzw. Elementzustände wie Druck, O-Fugazität oder Valenz.

Die hoch-sideorphilen Elemente sind in der BSE weniger verarmt, als man von deren Verteilungs-Koeffizienten erwarten sollte. Diese sagen voraus, dass die HSE praktisch vollständig im Erdkern konzentriert sein sollten. Es wird daher vorgeschlagen, dass ein großer Asteroid die Erde getroffen hat nachdem diese in Kern und Mantel differenzierte. Dieser Asteroid enthielt solare siderophile Element-Konzentrationen, die im Erdmantel verteilt wurden und dabei die Element-Konzentrationen im Erdmantel erhöhte. Diese späte Asteroiden-Kollision und deren Konsequenzen werden das ›late veneer‹ Ereignis genannt.

Die Erde bildete sich wahrscheinlich aus Material, das sich in einem Reservoir mit höherer Umgebungs-Temperatur gebildet hat. In diesem Fall verbleiben die volatilen Elemente zum Teil in der Gasphase – abhängig von deren 50% Kondensations-Temperaturen. Das bedeutet, in der Region in der sich die Bausteine der Erde gebildet haben war die Gas-Phase sehr wahrscheinlich an volatilen Elementen angereichert.

✓Wahr

✗Falsch

✗Nach den refraktären Elementen

✓Etwa in der Mitte der Haupt-Elemente

✗Nach den Haupt-Elementen

✗Kurz nach den volatilen Elementen

✓Wahr

✗Falsch

4.10 Elementzusammensetzung des ISM Gas

Das ISM Gas is angereichert an volatilen und verarmt an refraktären Elementen. Die refraktären Elementen befinden sich wahrscheinlich in auskondensierten Körnern. Dieser Prozess kann die Volatil-armen und Refraktär-reichen Element-Konzentrationen der Chondrite, aber auch der Chondren erklären, welches eine Hoch-Temperatur Komponente in Meteoriten ist.

Die Gasphase des ISM ist reich an volatile Elementen und verarmt an refraktären Elementen. Das liegt vermutlich an einer unvollständigen Element-Kondensation. Unvollständige Kondensation scheint daher eine sinnvolle Erklärung für die Volatil-Verarmungsmuster der Gesamt-Chondrite zu sein.

Gar nicht. Gerade deren Ähnlichkeit ist ein starkes Argument für unvollständige Kondensation. Ansonsten könnte auch fraktionierte Kondensation bestimmter Mineralphasen etwaige Verarmungsmuster erklären.

✗… dasselbe Element-Muster wie das ISM.

✓… das komplementäre Element-Muster wie das ISM.

✓… refraktären Elementen

✗… volatilen Elementen

✗Wahr

✓Falsch

4.11 Mg-Si Verhältnis von Sternen in der Umgebung

Mg und Si sind zwei Haupt-Elemente unseres Sonnensystems. Die Mg/Si-Verhältnisse von Sternen in der Umgebung unseres Sonnensystems sind sehr ähnlich dem der Sonne, das etwa 1.05 beträgt (Atom-Verhältnis). Komponenten wie Chondren, die in der protoplanetaren Scheibe entstanden, sollten daher nur Olivin und Pyroxen enthalten. Wenn diese Minerale außerdem etwas Fe enthalten, sollte das Olivin/Pyroxen Verhältnis weiter steigen. Kein SiO2 ist zu erwarten. Das beobachtete SiO2 in Chondren muss daher das Ergebnis eines Fraktionierungsprozesses sein. In anderen protoplanetaren Scheiben wurde nun auch SiO2 beobachtet. Da deren Mg/Si Verhältnis ähnlich wie das unseres Sonnensystems ist, kann die analoge Argumentation verwendet werden, d.h. dieses beobachtete SiO2 muss das Ergebnis eines Fraktionierungsprozesses sein. Damit scheinen die ersten Festphasen in protoplanetaren Scheiben – inklusive unserer – unter denselben dieselben Prozesse entstanden zu sein.

Die meisten Sterne haben Mg/Sie Verhältnisse zwischen etwa 0.8 und 1.2, recht ähnlich wie unsere Sonnensystem.

Die meisten Sterne haben Mg/Sie Verhältnisse zwischen etwa 0.8 und 1.2, recht ähnlich wie unsere Sonnensystem.

✗… ein Indikator für seine Größe.

✓… ein Indikator für sein Alter.

✗… ein Indikator für seine Helligkeit.

✗… ein Maß für das log(Mg/H) Verhältnis des Sterns relativ zum log(Mg/H) der Sonne

✓… ein Maß für das log(Fe/H) Verhältnis des Sterns relativ zum log(Fe/H) der Sonne

✗… ein Maß für das log(Si/H) Verhältnis des Sterns relativ zum log(Si/H) der Sonne

✗1.5

✓1.05

✗0.5

✗2

✗0.05

✗… Gleichgewichts-Kondensation

✓… fraktionierte Kondensation

✗… thermische Kondensation

4.12 Element-Normierung

Normierung heißt, dass eine Verhältnis gebildet wird von Mess-Daten, die durch Standard-Daten geteilt werden, z.B. die CI Chondrit-Zusammensetzung. As ist eine einfache Normierung. In einer doppelten Normierung werden zwei Verhältnisse berechnet: begonnen wird mit einer einfache Normierung. Dann wird das Ergebnis durch z.B. ein Element geteilt, d.h. durch das normierte Ergebnis für dieses Element aus dem ersten Schritt. Typische doppelte Normierung sind: ›normiert auf CI und Mg‹, aber auch ›Ca/Al Verhältnisse normiert auf Mg‹, bzw. ›Ca/Al/Mg‹. Es ist zwingend anzugeben, was für Einheiten die Daten hatten, welche für die Normierung verwendet wurden, z.B. Gew% oder Atom%. Da die Normierung immer ein Verhältnis ist, wird also angegeben z.B. Massen-Verhältnis oder Atom-Verhältnis.

Es ist die einfache Division der Element-Konzentration(en) in einer Probe durch die Element-Konzentration(en) in einem Standard (z.B. CI Chondrite).

Das sind zwei einfache Divisionen. Zunächst wird/werden die Element-Konzentration(en) in einer Probe durch die Element-Konzentration(en) in einem Standard (z.B. CI Chondrite) geteilt. Als nächsten werden alle Element-Konzentration(en) in der Probe, aber auch im Standard durch die Element-Konzentration eines Elements (z.B. Mg) der Probe, bzw. des Standards geteilt. Der erste und zweite Schritt können vertauscht werden.

✓Probe normalisiert auf CI und Mg (mass-ratio)

✓Probe/CI/Mg (mass-ratio)

✗CI/Probe/Mg (mass-ratio)

✗Wahr

✓Falsch

✗Wahr

✓Falsch

4.13 Modale Rekombination mit Dichte-Korrektur

Werden in einem Meteoriten-Schliff die Anteile der einzelnen Phasen, sowie deren Zusammensetzung gemessen, kann daraus über modale Rekombination die Element- oder Isotopen-Gesamtzusammensetzung z.B. einer bestimmten Komponente – etwa von Chodnren oder CAIs – bestimmt werden. Dazu muss auch die Dichte der unterschiedlichen Phasen berücksichtigt werden, d.h. es muss für die unterschiedlichen Dichten der verschiedenen Phasen korrigiert werden. Diese Methode wird auch für Massen-Bilanzen verwendet

Die absolute oder relative Menge eines Minerals in z.B. einer Chondre oder in einem Dünnschliff. Die absolute Menge könnte z.B. die Anzahl der Pixel sein die eine Mineral abdeckt. Die relative Menge ist die absolute Menge eines Minerals dividiert durch die gesamte Menge, z.B. all Pixel.

Dichte bedeutet die Anzahl von Atomen in einem bestimmten Volumen. Ein Mineral mit einer höheren Dichte bedeutet daher mehr Atome pro Volumen. Die Element-Konzentration eines Minerals sagt nur wie der Anteil eines Elements im Mineral ist. Z.B. könnten zwei Mineral dieselbe Menge an Mg von z.B. 20 Gew% enthalten. Das ist aber nur eine relative, und kein absolute Aussage. Ist das eine Mineral doppelte so dicht wie das andere, heißt das, es enthält die doppelte Menge an Atomen pro Volumen. Deshalb trägt diese Mineral die doppelte Menge an z.B. Mg bei als das andere Mineral. Dafür muss korrigiert werden, wenn eine Gesamtzusammensetzung berechnet wird, und das ist es, was Dichte-Korrektur meint.

✓Wahr

✗Falsch

✓Wahr

✗Falsch

✗c_Element = Summe((c * d * X)/(d * X))

✗c_Element = Summe(c * d * X)/(d * X)

✓c_Element = Summe(c * d * X)/Summe(d * X)

4.14 Isotopen Notation

Isotope werden in Verhältnissen angegeben, um sie vergleichen zu können. Die verbreitetste Notation lautet: delta=((Rsmp/Rstd)-1)*1000, mit Rsmp als ein Isotopen-Verhältnis in einer Probe und Rstd als ein Isotopen-Verhältnis im Standard.

Isotope werden nicht als Verhältnisse gemessen. Vielmehr wird jedes Isotope einzeln gemessen, und das Verhältnis anschließend berechnet. Isotope werden als Verhältnisse dargestellt, da Absolutkonzentration äußerst unpraktisch sind, und nicht direkt vergleichbar. Die absolute Isotopen-Konzentration einer Probe hängt nicht nur von den relativen Konzentrationen der verschiedenen Isotope eines Elements ab. Die absolute Isotopen-Konzentration einer Probe hängt auch von der Konzentration des dazugehörigen Elements ab. Für einen sinnvollen Vergleich absoluter Isotopen-Konzentration müsste man daher auch die Konzentration des dazugehörigen Elements wissen. Und selbst wenn das der Fall wäre, würde diese einen zusätzlichen Fehler der Element-Konzentrationsmessung mit sich bringen. Im Kontrast dazu ist das Isotopen-Verhältnis einer Probe unabhängig von der dazugehörigen Element-Konzentration. Daher macht es Sinn Isotopen-Zusammensetzung als Verhältnisse anzugeben.

Wenn Probe und Standard identische Zusammensetzungen haben und durcheinander geteilt werden, ist das Ergebnis 1. Wenn wir jedoch intuitiv Dinge vergleichen zwischen denen es keinen Unterschied gibt, denken wir so etwas wie ›es gibt Null Unterschied zwischen dem was ich vergleiche‹. Um das widerzuspiegeln wird 1 abgezogen, d.h., wenn Probe und Standard identisch sind, ist die Isotopen-Zusammensetzung der Probe 0.

Groß-Delta bezeichnet letztlich den y-Achsenabschnitt einer parallel zu einer Referenz-Fraktionierungslinie (z.B. der TFL).

Das schwerere Isotope. Im Sauerstoff 3-Isotopen-Plot ist z.B. deltaO18/16 entlang der x- und deltaO17/16 entlang der y-Achse dargestellt.

✓+1.34 ‰

✗2.21 ‰

✓+0.47

✓-3.76 ‰

✓-1.34 ppm

✗5.19 ‰

✓Wahr

✗Falsch

✗delta56Fe

✓delta88/86Sr

✗epsilon54Cr

✗Wahr

✓Falsch

✓positives

✗negatives

4.15 Die Näherung a-1 = Ln(a)

Diese Näherung kann verwendet werden, wenn die Werte nahe 0 oder 1 sind, je nachdem wie die Näherung formuliert wird. Diese Näherung wird im Zusammenhang mit z.B. Isotopen-Variationen oder Fraktionierungsfaktoren verwendet, die jeweils Werte sehr Nahe entweder 0 oder 1 haben.

4.16 Isotopen Notation – Groß Delta

Groß-Delta bezeichnet den Abstand einer Probe von einer Referenz-Fraktionierungslinie in einem 3-Isotopenplot, z.B. von der terrestrischen Fraktionierungslinie. Mehrere Proben mit demselben Groß-Delta plotten dann entlang einer Linie parallel zu einer Referenz-Fraktionierungslinie – die eben den Abstand groß-Delta von der Referenz-Fraktionierungslinie hat.

Groß-Delta bezeichnet letztlich den y-Achsenabschnitt einer parallel zu einer Referenz-Fraktionierungslinie (z.B. der TFL).

Das schwerere Isotope. Im Sauerstoff 3-Isotopen-Plot ist z.B. deltaO18/16 entlang der x- und deltaO17/16 entlang der y-Achse dargestellt.

✗Wahr

✓Falsch

✓positives

✗negatives

✗capitalDelta = deltaO18/16 + 0.522 deltaO17/16

✗capitalDelta = deltaO17/16 - 0.522 deltaO17/16

✓capitalDelta = deltaO17/16 - 0.522 deltaO18/16

4.17 Isotopen Notation Radioaktiver Isotope

Isotopen-Zusammensetzungen werden relativ zu einer Referenz Isotopen-Zusammensetzung angegeben. Als Referenz werden of die Erde oder CI Chondrite verwendet. Wenn das betrachtete Isotop Teil eines radioaktiven Zerfallssystem ist, bleibt dessen Zusammensetzung nicht konstant, sondern verändert sich über die Zeit. Das ist unproblematisch für gemessene Proben, deren Zusammensetzung schlicht relativ zur heutigen Zusammensetzung des Referenz-Isotops berechnet werden. Diese Veränderung muss jedoch betrachtet werden, wenn die Entwicklung eines Reservoirs modelliert wird. In diesem Fall wird die Isotopen-Zusammensetzung der Probe immer relativ zur Isotopen-Zusammensetzung des Referenz-Isotops zu einer bestimmten Zeit berechnet. Diese Notation radioaktiver Isotope ist auch der Grund, weshalb der Wert des Referenz-Referenz-Isotops selbst immer 0 ist.

Das radiogene Isotopen-Verhältnis einer Probe besteht aus dem radiogenen Isotop (isoRadio) geteilt durch ein stabiles Isotop (isoStab). Beide Isotope gehören zum selben Element. Dieses untersuchte Isotopen-Verhältnis wird durch einen Standard geteilt der aus demselben isoRadio und isoStab besteht. Das heißt, dieses Standard Isotopen-Verhältnis verändert sich auch über die Zeit. Um die Isotopen-Notation auszurechnen wird nun das Isotopen-Verhältnis der Probe durch das Isotopen-Verhältnis des Standards zur der Zeit berechnet, an der die Probe entstand. Das bedeutet, das Alter der Probe muss bekannt sein, und dieses Alter wird dan verwendet, um das Isotopen-Verhältnis des Standards zu berechnen. Für diese Rechnung wird das initiale, solar Isotopen-Verhältnis verwendet, und dann berechnet, wie viel noch hinzukommt, bis das Alter der untersuchten Probe erreicht ist.

Schlicht da die Isotopen-Notation eines Standards immer 0 ist, da dabei der Standard durch den Standard geteilt wird. In einem radioaktiven System nimmt das radiogene Isotopen-Verhältnis mit der Zeit zu, jedoch wird zu jeder Zeit das weiter erhöhte Isotopen-Verhältnis durch genau das weiter erhöhte Isotopen-Verhältnis geteilt, sodass sich immer 0 für die Isotopen-Notation ergibt.

✗Mutter

✓Tochter

✓Wahr

✗Falsch

✗Wahr

✓Falsch

4.18 Stabile Isotopen-Zusammensetzungen von Gesamt-Chondren

Die Isotopen-Zusammensetzungen sind in den Chondren-Populationen der verschiedenen Chondrite unterschiedlich. Die leichten Isotope bis 18O – und mit 41K – haben relative Abweichungen vom jeweiligen Isotopen-Standard zwischen etwa -25 to +20‰, und im Falle von 15N zwischen -134 to +164‰. Für alle anderen stabilen Isotopensysteme sind die Abweichungen sehr viel geringer, typischerweise zwischen -2 and +1‰. Nur zwei Chondren haben höhere Abweichungen von fast -4‰ (88Sr und 114Cd). Liegen die Isotope-Daten auf Massen-Fraktionierungslinien, sind diese Isotopen-Abweichungen entsprechend sehr wahrscheinlich das Ergebnis massen-abhängiger Prozesse. Liegen die Isotope-Daten dagegen auf nicht Massen-Fraktionierungslinien, sind diese Abweichungen in dem meisten Fällen (außer z.B. O-Isotope) das Ergebnis von Mischungsprozessen. Dabei wurden z.B. nukleosynthetische Komponenten den Chondren zugemischt (-> ›massen-unabhängige Fraktionierung‹).

Meist nur wenige ±Promill. Leichte Elemente können im Bereich von ±Prozent liegen, bis – sehr selten – Zehner ±Prozent.

Massen-abhängige und massen-unabhängige Prozesse.

✓Kinetisch

✗Mischung

✓Gleichgewicht

✓Masse

✗Größe

✗Zugabe präsolarer Körner

✗Masse

✗Größe

✗Volatilität

✗Llithophil/Siderophil

✗Kinetisch

✓Mischung

✗Gleichgewicht

✗Masse

✗Größe

✓Zugabe präsolarer Körner

✓Geringe Masse

✗Kleine Größe

✓Volatil

✗Llithophil