Extraterrestrial and terrestrial outdoor applications of Mössbauer spectroscopy

„Extraterrestrische und terrestrische Anwendungen eines miniaturisierten Mössbauer-Spektrometers“ Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Anwendungen eines miniaturisierten Mössbauer- Spektrometers (MIMOS II), dessen Entwicklung in den frühen neunziger Jahren am Institut für Kernphysik der Technischen Universität Darmstadt unter Professor Egbert Kankeleit und seinen Mitarbeitern begann. Seit 1998 sind die Entwicklungsarbeiten im Arbeitskreis von Prof. Gütlich am Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Johannes Gutenberg- Universität Mainz von Dr. Göstar Klingelhöfer und Mitarbeitern fortgesetzt worden. Vorrangiges Ziel war dabei der geplante Einsatz des Spektrometers zu mineralogischen Untersuchungen im Weltall. Entsprechend ist das Projekt mit erheblichen finanziellen Mitteln des Forschungsinstituts der Deutschen Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn unterstützt worden. Bei den beiden Missionen, die im Jahre 2003 von der NASA zum Mars gesandt wurden und im Januar dieses Jahres die beiden „Mars Exploration Rover“ (MER) "Spirit" und "Opportunity" erfolgreich auf der Marsoberfläche abgesetzt haben, ist jeweils ein MIMOS II-Gerät zur Charakterisierung eisenhaltiger Minerale und Böden während der laufenden Mission im Einsatz. Einige Ergebnisse von MIMOS II an Gestein und Böden der Marsoberfläche werden in der vorliegenden Arbeit präsentiert und diskutiert. Diese Ergebnisse wurden vom MIMOS II-Consortium unter Führung von Dr. Göstar Klingelhöfer, mit Unterstützung des Ingenieurs- und Wissenschaftsteams von MER am Jet Propulsion Laboratory in Kalifornien, erlangt. Erste Spektren, die von Proben im Gusev-Krater (Landestelle von „Spirit“) aufgenommen wurden und in dieser Arbeit vorgestellt werden, weisen auf das Vorkommen von forsteritischem Olivin, Pyroxen, Magnetit hin; daneben zeigt sich ein von Eisen(III) herrührendes Quadrupoldublett, das (noch) nicht eindeutig zugeordnet werden konnte. Aus den gewonnenen Daten wurde geschlossen, dass physikalische Verwitterung der vorherrschende Veränderungsprozess in den Ebenen des Gusev-Kraters ist. Um die Fähigkeiten von MIMOS II in der Charakteriserung extraterrestrischen Materials vor dem Start zum Mars zu demonstrieren, wurde eine Auswahl von chondritischen, Eisenund Marsmeteoriten gemessen. Ein Datenanalysepaket, basierend auf künstlichen neuronalen Netzwerken, genetischen Algorithmen und "fuzzy" Logik, wurde erstellt, erfolgreich getestet und während der Echtzeit-Operation der MER benutzt. Eine Datenbasis von Mössbauer-Parametern und Referenzen von veröffentlichten Studien über den Temperaturbereich des Mars wurde zusammengestellt. Die Werkzeuge zur Datenanalyse eröffnen neue Einsatzmöglichkeiten des miniaturisierten Mössbauer-Spektrometers in vielen Bereichen ausserhalb des Physikllabors. Einige davon werden in dieser Arbeit vorgestellt, wie z.B.die Pigmentcharakterisierung, die Echtheit archäologischer Artefakte oder in-situ Luftverschmutzungsmessungen. Datum: 20.07.2004 1. Betreuer: Professor Dr. P. Gütlich Paulo A. de Souza Jr. GAFEP/GETEP Departamento de Pelotização - DIPE Companhia Vale do Rio Doce - CVRD Tel.: (27) 3333-4609 - Carrier (835)

Nature and origin of ultramafic lamprophyres and carbonatites from the borders of the Labrador Sea

Die Ränder des Labrador Meeres wurden während des späten Neoproterozoikums intensiv von karbonatreichen silikatischen Schmelzen durchsetzt. Diese Schmelzen bildeted sich bei Drucken zwischen ca. 4-6 GPa (ca. 120-180 km Tiefe) an der Basis der kontinentalen Mantel-Lithosphäre. Diese Magmengenerierung steht in zeitlichem und räumlichem Zusammenhang mit kontinentalen Extensionsprozessen, welche zu beiden Seiten des sich öffnenden Iapetus-Ozeans auftraten.

Petrogenesis of dunite, wehrlite and websterite xenoliths from Kimberley, South Africa: Origin as mantle peridotites of cumulates

Dunite, wehrlite and websterite xenoliths occur amongst a large abundance of mantle xenoliths in kimberlites of the Kimberley cluster in South Africa. Up to know they have mostly been neglected. On the basis of texture, major and trace elements, oxygen isotopes as well as Re-Os isotope characteristics, they can be subdivided into two groups. A coarse-grained mantle peridotite group, comprising dunite, wehrlite and websterite xenoliths, that are similar to fertile peridotites and represent upper mantle assemblages that are differently influenced by mantle metasomatism. And a cumulate group, containing fine-grained Fe-rich dunite xenoliths that represent cumulates of flood basalt magmatism related to ~183 Ma Karoo and ~2.7 Ga Ventersdorp events in southern Africa. Dunite, wehrlite and websterite xenoliths have preserved a complex history of melt depletion and metasomatic re-enrichment events, which gives information about the different re-enrichment stages of the subcratonic lithospheric mantle and the spatial differences within the Kaapvaal craton upper mantle. Websterite xenoliths comprise orthopyroxene (40-85 Vol. %), clinopyroxene (5-42 Vol. %), garnet (4-10 Vol. %) and subordinately olivine, while dunite and wehrlite xenoliths contain predominantly olivine (65-100 Vol %) and subordinately orthopyroxene, clinopyroxene and garnet. High melt depletion and a dunitic to harzburgitic protolith composition are reflected by high forsterite (Fo90-92) and high olivine NiO contents (2800-5000 ppm) and high orthopyroxene Mg# (Mg/(Mg+Fe)) of 0.91-0.93. Re-depletion ages of predominantly 2.9 Ga reflect a minimum age of melt depletion. Melt depletion ceased in conjunction with collision of the Kimberley block with the Witwatersrand block ~2.9 Ga ago. Subduction related re-fertilisation of the previously depleted mantle xenoliths is documented by i) amoeboid textured orthopyroxene, clinopyroxene and garnet, which crystallized in schlieren along olivine grain boundaries, ii) high whole-rock SiO2, Al2O3, CaO, TiO2, FeO contents, iii) low oxygen isotope ratios in clinopyroxene and garnet of 4.8-5.4 ‰ and 4.7-5.3 ‰, respectively and iv) trace element compositions of wehrlitic clinopyroxene and garnet in equilibrium with high-pressure partial melts of eclogite. Trace element disequilibrium of orthopyroxene with clinopyroxene and garnet indicates a separate origin for orthopyroxene, on one side as primary mantle orthopyroxene in dunite and wehrlite xenoliths and on the other side as reaction product with Si-rich melts produced by partial melting of eclogite. This reaction triggered replacement of olivine by orthopyroxene in the surrounding mantle and produced the typical Si-rich composition of Kaapvaal mantle peridotites. Partial melting of eclogite at higher temperatures produced a second metasomatic melt with lower SiO2, but higher Al2O3, CaO, FeO, Ti, Zr, Hf and a low oxygen isotope ratio. This melt triggered clinopyroxene and locally garnet and rutile crystallization in percolation veins, replacing olivine and orthopyroxene in the Kaapvaal upper mantle. Additionally, websterite xenoliths have experienced late stage cryptic metasomatism by the host kimberlite melt, changing the trace element composition of clinopyroxene, orthopyroxene and garnet to different extent. Hence websterite and most fertile lherzolite xenoliths have experienced three metasomatic events: i) reaction with high-Si melt, ii) percolation of subduction related silica melt with lower SiO2 content and iii) cryptic metasomatism by kimberlite. In contrast, dunite and wehrlite xenoliths have only experienced the second metasomatic event. They represent mantle lithologies further away from metasomatising agents. The Fe-rich dunites comprise olivine neoblasts with subordinate olivine porphyroclasts and parallel-orientated needles of ilmenite, which may enclose spinel. The lower forsterite and NiO contents of olivine in Fe-rich dunites compared to mantle peridotite xenoliths (Fo87-89 vs. Fo93-95 and 1300-2800ppm vs. 2200-3900 ppm, respectively), rules out a restitic origin. Cr-rich spinels are remnants of the original cumulate mineralogy that survived a late stage metasomatic overprint related to the production of the host kimberlite, producing ilmenite and phlogopite in some samples. Olivine porphyroclasts and neoblasts have different trace element compositions, the latter having high Ti, V, Cr and Ni and low Zn, Zr and Nb contents, indicating contrasting origins for neoblasts and porphyroclasts. The dunites have high 187Os/188Os ratios (0.11-0.15) indicating young (Phanerozoic) model ages for most samples, whereas three samples show isotopic mixtures between Phanerozoic neoblasts and ancient porphyroclastic material. Most Fe-rich dunite xenoliths can be interpreted as cumulates of fractional crystallization of Karoo magmatism, whereas the porphyroclasts are interpreted to be remnants from the much earlier Archaean Ventersdorp magmatism.

Diversity of lithologic components at Meridiani Planum, Mars: Insights from Mössbauer spectroscopic investigations

The two Mars Exploration Rovers (MER), Spirit and Opportunity, landed on the Martian surface in January 2004 and have since collected a wealth of information about their landing sites. As part of their payload, the miniaturised Mössbauer spectrometer MIMOS II contributes to the success of the mission by identifying Iron-bearing minerals and by determining Iron oxidation states in them. The basis of this work is the data set obtained at Opportunity’s landing site at Meridiani Planum. A portion of this data set is evaluated with different methods, with the aim to thoroughly characterize lithologic components at Meridiani Planum and possible relations between them.rnMIMOS II is able to measure Mössbauer spectra at different energies simultaneously, bearing information from different sampling depths of the investigated target. The ability of depth-selective Mössbauer spectroscopy to characterize weathered surface layers is illustrated through its application to two suitable rock targets that were investigated on Mars. In both cases, an enhanced concentration of Iron oxides at the rock surface was detected, pointing to a low degree of aqueous alteration. rnThe mineral hematite (α-Fe2O3) is present in the matrix of outcrop rocks and in spherules weathering from the outcrop. Simultaneous fitting of Mössbauer spectra was applied to data sets obtained on both target types to characterize the hematite component in detail. This approach reveals that two hematite populations are present, both in the outcrop matrix as well as in spherules. The hematite component with a comparably high degree of crystallinity and/or chemical purity is present in the outcrop matrix. The investigation of hematite at Meridiani Planum has shown that simultaneous fitting is a suitable and useful method to evaluate a large, correlated set of Mössbauer spectra.rnOpportunity encountered loose, cm-sized rocks along its traverse. Based on their composition and texture, these “cobbles” can be divided into three different groups. Outcrop fragments are impact-derived ejecta from local outcrop rocks. Cobbles of meteoritic origin contain the minerals kamacite (Fe,Ni) and troilite (FeS) and exhibit high Ni contents. Melt-bearing impact breccias bear similarities to local outcrop rocks and basaltic soil, with a phase composition and texture consistent with a formation scenario involving partial melting and inclusion of small, bright outcrop clasts. rnIron meteorites on the Martian surface experience weathering through the presence of even trace amounts of water due to their metallic nature. Opportunity encountered and investigated four Iron meteorites, which exhibit evidence for physical and chemical weathering. Discontinuous coatings contain Iron oxides, pointing to the influence of limited amounts of water. rnA terrestrial analogue site for Meridiani Planum is the Rio Tinto basin in south-west Spain. With its deposits of sulfate- and iron-oxide-bearing minerals, the region provides an adequate test bed for instrumentation for future Mars missions. In-situ investigations at Rio Tinto were carried out with a special focus on the combined use of Mössbauer spectroscopy with MIMOS II and Raman spectroscopy with a field-portable instrument. The results demonstrate that the two instruments provide complementary information about investigated samples.

Die Bedeutung von molekularem Sauerstoff für die Evolution des genetischen Codes

Die Entstehung und Evolution des genetischen Codes, der die Nukleotidsequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz der Proteine übersetzt, zählen zu den größten Rätseln der Biologie. Die ersten Organismen, die vor etwa 3,8 Milliarden Jahren auf der Erde auftraten, nutzten einen ursprünglichen genetischen Code, der vermutlich ausschließlich abiotisch verfügbare Aminosäuren terrestrischer oder extraterrestrischer Herkunft umfasste. Neue Aminosäuren wurden sukzessive biosynthetisiert und selektiv in den Code aufgenommen, welcher in der modernen Form aus bis zu 22 Aminosäuren besteht. Die Ursachen für die Selektion und die Chronologie ihrer Aufnahme sind bis heute unbekannt und sollten im Rahmen der vorliegenden Arbeit erforscht werden. Auf Grundlage quanten-chemischer Berechnungen konnte in dieser Arbeit zunächst ein Zusammenhang zwischen der HOMO-LUMO-Energiedifferenz (H-L-Distanz), die ein inverses quanten-chemisches Korrelat für allgemeine chemische Reaktivität darstellt, und der chronologischen Aufnahme der Aminosäuren in den genetischen Code aufgezeigt werden. Demnach sind ursprüngliche Aminosäuren durch große H-L-Distanzen und neue Aminosäuren durch kleine H-L-Distanzen gekennzeichnet. Bei einer Analyse des Metabolismus von Tyrosin und Tryptophan, bei denen es sich um die beiden jüngsten Standard-Aminosäuren handelt, wurde ihre Bedeutung als Vorläufer von Strukturen ersichtlich, die sich durch eine hohe Redox-Aktivität auszeichnen und deren Synthese gleichzeitig molekularen Sauerstoff erfordert. Aus diesem Grund wurden die Redox-Aktivitäten der 20 Standard-Aminosäuren gegenüber Peroxylradikalen und weiteren Radikalen getestet. Die Untersuchungen ergaben eine Korrelation zwischen evolutionärem Auftreten und chemischer Reaktivität der jeweiligen Aminosäure, die sich insbesondere in der effizienten Reaktion zwischen Tryptophan bzw. Tyrosin und Peroxylradikalen widerspiegelte. Dies indizierte eine potentielle Bedeutung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) bei der Konstituierung des genetischen Codes. Signifikante Mengen an ROS wurden erst zu Beginn der Oxygenierung der Geobiosphäre, die als Great Oxidation Event (GOE) bezeichnet wird und vor circa 2,3 Milliarden Jahren begann, gebildet und müssen zur oxidativen Schädigung vulnerabler, zellulärer Strukturen geführt haben. Aus diesem Grund wurde das antioxidative Potential von Aminosäuren beim Prozess der Lipidperoxidation untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass lipophile Derivate von Tryptophan und Tyrosin befähigt sind, die Peroxidation von Rattenhirnmembranen zu verhindern und humane Fibroblasten vor oxidativem Zelltod zu schützen. Daraus gründete sich das in dieser Arbeit aufgestellte Postulat eines Selektionsvorteils primordialer Organismen während des GOEs, die Tryptophan und Tyrosin als redox-aktive Aminosäuren in Membranproteine einbauen konnten und somit vor Oxidationsprozessen geschützt waren. Demzufolge wurde die biochemische Reaktivität als Selektionsparameter sowie oxidativer Stress als prägender Faktor der Evolution des genetischen Codes identifiziert.

Origin of the spin Seebeck effect

Der Spin Seebeck Effekt repräsentiert einen neuartigen Spin kalorischen Effekt mit vorteilhaften und aussichtsreichen Eigenschaften für Anwendungen in den Gebieten der Spintronik und Thermoelektrik.rnIn dieser Arbeit präsentieren wir eine umfangreiche Untersuchung des Spin Seebeck Effekts in isolierenden, magnetischen Granaten und geben Antworten zum kontrovers diskutierten Ursprung des Effekts. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir die Abhängigkeit des Spin Seebeck Effekts von der Dicke des Ferromagneten, der Temperatur, der Stärke des magnetisches Feldes, der Grenzflächen und des Detektormaterials, sowie Kombinationen dieser Parameter gemessen. Im Zuge dessen haben wir das Wachstum der untersuchten magnetischen Granate optimiert und eine umfassende Analyse der strukturellen und magnetischen Parameter durchgeführt, um Einflüsse der Probenqualität auszuschließen. Des Weiteren zeigte eine Untersuchung des magnetoresistiven Effekts, welcher als mögliche Ursache des Effekts galt, in Kombination mit einer Studie des Messaufbaus, dass parasitäre Einflüsse auf das Messergebnis ausgeschlossen werden können. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Spin Seebeck Effekt mit zunehmender Dicke des Ferromagneten eine Sättigung des Signals aufweist. Diese hängt zudem von der Temperatur ab, da mit abnehmender Temperatur die Sättigung erst bei dickeren Filmen auftritt. Außerdem fanden unsere Messungen ein Maximum des Spin Seebeck Effekts für Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur, welcher sowohl von der Dicke des Materials als auch der Magnetfeldstärke und dem Detektormaterial beeinflusst wird. In Messungen bei hohen magnetischen Feldstärken beobachteten wir eine Unterdrückung des Messsignals, dessen Ursache mithilfe von Simulationen auf den magnonischen Ursprung des Spin Seebeck Effekts zurückgeführt werden kann. Dies unterstreicht, dass der Effekt auf vom Ferromagneten emittierten Magnonen basiert. Im letzten Abschnitt dieser Arbeit präsentieren wir Messungen in einem bislang nicht untersuchten ferrimagnetischen Material, welche zwei Vorzeichenwechsel des Spin Seebeck Effekts als Funktion der Temperatur aufzeigen. Dieses bisher unbekannte Signalverhalten betont, dass der Effekt aus einem komplexen Zusammenspiel der magnonischen Moden resultiert und zusätzlich vom Detektormaterial abhängt.rnSomit tragen unsere Ergebnisse und Beobachtungen im hohen Maße zur Beantwortung der Frage nach dem Ursprungs des Spin Seebeck Effekts bei und zeigen neuartige bisher nicht beobachtete Effekte, welche ein neues Kapitel für das Gebiet der Spin Kaloritronik eröffnen.