Hoorcollege 1, 14-11-2022
Voor de vorming van elementen is altijd een ster nodig.
Alles boven element 26 heb je hele hoge druk nodig dus een supernova o.i.d.
Cosmochemistry, early solar system:
- Vorming van de elementen (nucleosynthesis)
- Accretionary disk
Aannames relevant voor de aarde:
- CI carbonaat chondrieten kunnen de BSE compositie schatten.
Recente bepaling à ~75% enstatite chondrite, 25% CI.
- De accretionary disk laat verschillen in compositie zijn langs de T-gradiënt. Vluchtige
elementen nemen naar buiten in de grafiek toe.
Afkortingen voor mineralen en hun endmembers:
- Olivijn (OL): forsterite (magnesium, Fo) à fayalite (ijzer, Fa)
- Orthopyroxeen (opx): enstatite (magnesium, En) à ferrosiliet (ijzer, Fr)
- Clinopyroxeen (Cpx): diopsiet (magnesium, Di) à hedenfergiet (ijzer, Hd)
Kalium is een vluchtig (volatile) element en er is hier relatief weinig van op aarde.
De kern-mantel differentiatie van de aarde heeft plaatsgevonden binnen de eerste 50-150 miljoen
jaar. Er zijn hier geen gesteenten of mineralen van te vinden op aarde, hiervoor wordt er naar
meteorieten gekeken.
Er waren eerst gesmolten planetaire lichamen waarvan het dichte Fe-Ni metaal naar het midden van
het lichaam zinkt. De minder dichte silicaten zijn buoyant en drijven dus aan het oppervlak, dit was
de primitieve mantel (PM). Sterke fractionering van siderophile en chalcophile vs. litophile
elementen.
Lithophile elements: voorkeur om in silicaten te zitten in plaats van een mengsel met metalen te zijn
(litho: rock, phile: houden van) en zijn daarom ook niet aanwezig in de aardkern.
Siderophile elements: elementen die ervan houden om een mengsel met ijzer te zijn, zoals Pt, Pd, Ir,
Os, Ru, Au en Ni.
Chalcophile elements: houdt ervan om in de sulfide fase te zijn.
De aardkern is siderophile (houdt van ijzer): Fe, Ni, Co, PGE (platinum groep elementen, Au).
Primitieve mantel: voornamelijk Mg, Si en Fe. Maar ook Ca, Na, K, Ti, Cr, …
CI splitst op in de kern en bulk silicate earth (BSE) = primitive mantle (PM).
Ontstaan maan:
Maan waarschijnlijk ontstaan toen kern-mantel differentiatie nog niet helemaal klaar was, dus
binnen de eerste 50-150 miljoen jaar. Tijdens of na de kern-mantel differentiatie is de maan van de
aarde afgesplitst met de samenstelling ongeveer gelijk aan de mantel van de aarde.
Hadean (4.567 – 4.0 Ga)
Oudste zirconen: 4.4 Ga
Oudste gesteente: 4.0 Ga
Zirconen groeien vooral in felsische magma’s (niet echt in basalten).
,Archaean (4.0-2.5 Ga)
- Waarschijnlijk gedomineerd door mantelpluimen.
- Greenstone belts, TTG (tonalite, trondhjemite, granodiorite) domains, banded Iron
Formations (BIFs).
- Dikke lithosfeer met diamantformatie in de bovenste mantel lithosfeer.
- Plaattektoniek is waarschijnlijk in het Neo-Archaean ontstaan.
Aarde was in het begin veel warmer omdat er toen nog meer radioactief verval van kalium, uranium
en thorium was wat voor warmte zorgde.
Proterozoic (2.5 – 0.54 Ga)
Begin is er bijna geen zuurstof in de lucht maar dankzij Great Oxygenation Event (GOE) wel.
- Major impact op erts afzettingen (fe, U, Au).
- Erste grote ijstijd, waarschijnlijk door versnelde methaanconsumptie.
- Formatie en opbreken van supercontinenten.
- Ophiolites en eclogites met MORB samenstelling.
- Van prokaryoten naar eukaryoten.
- Meer UHP metamorfose richting het einde.
Phanerozoic (540 Ma – nu)
- Meercellig leven
- Ultra-high pressure (UHP) metamorphism common in subduction zones.
- Kimberlites en carbonatieten nemen toe.
Hoofdreservoirs:
Kern:
- Bulk silicate earth = primitive mantle.
- Depleted upper mantle (DUM)
Oceanische korst:
- Midoceanische-rug basalt (MORB, N-MORB, E-
MORB)
- Oceaan eiland basalt (OIB)
Continentale korst:
- Moet subductie zijn geweest om te vormen.
Reservoirs bestuderen:
Meestal spoorelementen normaliseren naar de CI-
chondriet.
BSE relatief tot CI en andere chondrieten groepen:
- Smelten van iherzolites à sterke Al en matige Si afname. Mg/Si toename.
- Intersectie van cosmochemical en aardse trends à primiteve mantel.
50% condension T (temperatuur waarbij 50% van het element gecondenseerd is en dus mineralen
vormen).
Refractory elements (Al, PGE, REE) hebben relatief hoge condensatietemperaturen. De ratio’s
hiertussen zijn ongeveer afhankelijk van de meteorietklasse.
, Summary of mass transfer by melting:
- Partial melting:
- Spoorelementen à processen; bronsamenstelling P, T, fO2. H2O.
- Isotoop ratio’s à timing, extra
informatie bij bron. .
- Smelt migratie:
- Viscositeit à drempel.
- Dichtheidscontrast à
upwelling via magmakamer
en/of uitbarstingen.
- Rates
- Fractionele kristallisatie:
- Major elementen à
fractioneren mineralen.
- Herverdeling van de
spoorelementen.
- Mixen, assimilatie
- Andere processen die massa overdragen zijn erosie, subductie en delaminatie.
Chemische geodynamica gaat over het volgen van sources en het begrijpen van fluxen tussen
verschillende reservoirs in de loop van tijd.
De toolbox wordt steeds meer uitgebreid met nieuwe isotopische tracers, verbeterde analytische
methoden en een beter begrip van het gedrag van zeldzame sporenelementen.
Er zijn verschillende scenario’s die voor het smelten zorgen. Solidus is afhankelijk van de druk.
Wanneer de geotherm snijdt met de solidus krijg je opsmelting. Verhitting vindt meer plaats in de
mantelpluim. Het toevoegen van water zorgt voor opsmelting in de mantel wig.
Wanneer een smelt kristalliseert ontstaat er een cumulaat.
Typen smelt:
- Congruente smelt: de vaste en vloeibare vorm hebben beide dezelfde samenstelling.
Smeltsamenstelling is hetzelfde als het uitgangsgesteente.
- Incongruente smelt: wanneer de vaste vorm smelt ontstaat er een vloeibare vorm met een
andere samenstelling. Smeltsamenstelling is niet hetzelfde als het uitgangsgesteente.
Voor de vorming van elementen is altijd een ster nodig.
Alles boven element 26 heb je hele hoge druk nodig dus een supernova o.i.d.
Cosmochemistry, early solar system:
- Vorming van de elementen (nucleosynthesis)
- Accretionary disk
Aannames relevant voor de aarde:
- CI carbonaat chondrieten kunnen de BSE compositie schatten.
Recente bepaling à ~75% enstatite chondrite, 25% CI.
- De accretionary disk laat verschillen in compositie zijn langs de T-gradiënt. Vluchtige
elementen nemen naar buiten in de grafiek toe.
Afkortingen voor mineralen en hun endmembers:
- Olivijn (OL): forsterite (magnesium, Fo) à fayalite (ijzer, Fa)
- Orthopyroxeen (opx): enstatite (magnesium, En) à ferrosiliet (ijzer, Fr)
- Clinopyroxeen (Cpx): diopsiet (magnesium, Di) à hedenfergiet (ijzer, Hd)
Kalium is een vluchtig (volatile) element en er is hier relatief weinig van op aarde.
De kern-mantel differentiatie van de aarde heeft plaatsgevonden binnen de eerste 50-150 miljoen
jaar. Er zijn hier geen gesteenten of mineralen van te vinden op aarde, hiervoor wordt er naar
meteorieten gekeken.
Er waren eerst gesmolten planetaire lichamen waarvan het dichte Fe-Ni metaal naar het midden van
het lichaam zinkt. De minder dichte silicaten zijn buoyant en drijven dus aan het oppervlak, dit was
de primitieve mantel (PM). Sterke fractionering van siderophile en chalcophile vs. litophile
elementen.
Lithophile elements: voorkeur om in silicaten te zitten in plaats van een mengsel met metalen te zijn
(litho: rock, phile: houden van) en zijn daarom ook niet aanwezig in de aardkern.
Siderophile elements: elementen die ervan houden om een mengsel met ijzer te zijn, zoals Pt, Pd, Ir,
Os, Ru, Au en Ni.
Chalcophile elements: houdt ervan om in de sulfide fase te zijn.
De aardkern is siderophile (houdt van ijzer): Fe, Ni, Co, PGE (platinum groep elementen, Au).
Primitieve mantel: voornamelijk Mg, Si en Fe. Maar ook Ca, Na, K, Ti, Cr, …
CI splitst op in de kern en bulk silicate earth (BSE) = primitive mantle (PM).
Ontstaan maan:
Maan waarschijnlijk ontstaan toen kern-mantel differentiatie nog niet helemaal klaar was, dus
binnen de eerste 50-150 miljoen jaar. Tijdens of na de kern-mantel differentiatie is de maan van de
aarde afgesplitst met de samenstelling ongeveer gelijk aan de mantel van de aarde.
Hadean (4.567 – 4.0 Ga)
Oudste zirconen: 4.4 Ga
Oudste gesteente: 4.0 Ga
Zirconen groeien vooral in felsische magma’s (niet echt in basalten).
,Archaean (4.0-2.5 Ga)
- Waarschijnlijk gedomineerd door mantelpluimen.
- Greenstone belts, TTG (tonalite, trondhjemite, granodiorite) domains, banded Iron
Formations (BIFs).
- Dikke lithosfeer met diamantformatie in de bovenste mantel lithosfeer.
- Plaattektoniek is waarschijnlijk in het Neo-Archaean ontstaan.
Aarde was in het begin veel warmer omdat er toen nog meer radioactief verval van kalium, uranium
en thorium was wat voor warmte zorgde.
Proterozoic (2.5 – 0.54 Ga)
Begin is er bijna geen zuurstof in de lucht maar dankzij Great Oxygenation Event (GOE) wel.
- Major impact op erts afzettingen (fe, U, Au).
- Erste grote ijstijd, waarschijnlijk door versnelde methaanconsumptie.
- Formatie en opbreken van supercontinenten.
- Ophiolites en eclogites met MORB samenstelling.
- Van prokaryoten naar eukaryoten.
- Meer UHP metamorfose richting het einde.
Phanerozoic (540 Ma – nu)
- Meercellig leven
- Ultra-high pressure (UHP) metamorphism common in subduction zones.
- Kimberlites en carbonatieten nemen toe.
Hoofdreservoirs:
Kern:
- Bulk silicate earth = primitive mantle.
- Depleted upper mantle (DUM)
Oceanische korst:
- Midoceanische-rug basalt (MORB, N-MORB, E-
MORB)
- Oceaan eiland basalt (OIB)
Continentale korst:
- Moet subductie zijn geweest om te vormen.
Reservoirs bestuderen:
Meestal spoorelementen normaliseren naar de CI-
chondriet.
BSE relatief tot CI en andere chondrieten groepen:
- Smelten van iherzolites à sterke Al en matige Si afname. Mg/Si toename.
- Intersectie van cosmochemical en aardse trends à primiteve mantel.
50% condension T (temperatuur waarbij 50% van het element gecondenseerd is en dus mineralen
vormen).
Refractory elements (Al, PGE, REE) hebben relatief hoge condensatietemperaturen. De ratio’s
hiertussen zijn ongeveer afhankelijk van de meteorietklasse.
, Summary of mass transfer by melting:
- Partial melting:
- Spoorelementen à processen; bronsamenstelling P, T, fO2. H2O.
- Isotoop ratio’s à timing, extra
informatie bij bron. .
- Smelt migratie:
- Viscositeit à drempel.
- Dichtheidscontrast à
upwelling via magmakamer
en/of uitbarstingen.
- Rates
- Fractionele kristallisatie:
- Major elementen à
fractioneren mineralen.
- Herverdeling van de
spoorelementen.
- Mixen, assimilatie
- Andere processen die massa overdragen zijn erosie, subductie en delaminatie.
Chemische geodynamica gaat over het volgen van sources en het begrijpen van fluxen tussen
verschillende reservoirs in de loop van tijd.
De toolbox wordt steeds meer uitgebreid met nieuwe isotopische tracers, verbeterde analytische
methoden en een beter begrip van het gedrag van zeldzame sporenelementen.
Er zijn verschillende scenario’s die voor het smelten zorgen. Solidus is afhankelijk van de druk.
Wanneer de geotherm snijdt met de solidus krijg je opsmelting. Verhitting vindt meer plaats in de
mantelpluim. Het toevoegen van water zorgt voor opsmelting in de mantel wig.
Wanneer een smelt kristalliseert ontstaat er een cumulaat.
Typen smelt:
- Congruente smelt: de vaste en vloeibare vorm hebben beide dezelfde samenstelling.
Smeltsamenstelling is hetzelfde als het uitgangsgesteente.
- Incongruente smelt: wanneer de vaste vorm smelt ontstaat er een vloeibare vorm met een
andere samenstelling. Smeltsamenstelling is niet hetzelfde als het uitgangsgesteente.
