Constraints on mantle melting from major and trace element systematics in residual abyssal peridotites

ZusammenfassungDie Bildung von mittelozeanischen Rückenbasalten (MORB) ist einer der wichtigsten Stoffflüsse der Erde. Jährlich wird entlang der 75.000 km langen mittelozeanischen Rücken mehr als 20 km3 neue magmatische Kruste gebildet, das sind etwa 90 Prozent der globalen Magmenproduktion. Obwohl ozeanische Rücken und MORB zu den am meisten untersuchten geologischen Themenbereichen gehören, existieren weiterhin einige Streit-fragen. Zu den wichtigsten zählt die Rolle von geodynamischen Rahmenbedingungen, wie etwa Divergenzrate oder die Nähe zu Hotspots oder Transformstörungen, sowie der absolute Aufschmelzgrad, oder die Tiefe, in der die Aufschmelzung unter den Rücken beginnt. Diese Dissertation widmet sich diesen Themen auf der Basis von Haupt- und Spurenelementzusammensetzungen in Mineralen ozeanischer Mantelgesteine.Geochemische Charakteristika von MORB deuten darauf hin, dass der ozeanische Mantel im Stabilitätsfeld von Granatperidotit zu schmelzen beginnt. Neuere Experimente zeigen jedoch, dass die schweren Seltenerdelemente (SEE) kompatibel im Klinopyroxen (Cpx) sind. Aufgrund dieser granatähnlichen Eigenschaft von Cpx wird Granat nicht mehr zur Erklärung der MORB Daten benötigt, wodurch sich der Beginn der Aufschmelzung zu geringeren Drucken verschiebt. Aus diesem Grund ist es wichtig zu überprüfen, ob diese Hypothese mit Daten von abyssalen Peridotiten in Einklang zu bringen ist. Diese am Ozeanboden aufgeschlossenen Mantelfragmente stellen die Residuen des Aufschmelz-prozesses dar, und ihr Mineralchemismus enthält Information über die Bildungs-bedingungen der Magmen. Haupt- und Spurenelementzusammensetzungen von Peridotit-proben des Zentralindischen Rückens (CIR) wurden mit Mikrosonde und Ionensonde bestimmt, und mit veröffentlichten Daten verglichen. Cpx der CIR Peridotite weisen niedrige Verhältnisse von mittleren zu schweren SEE und hohe absolute Konzentrationen der schweren SEE auf. Aufschmelzmodelle eines Spinellperidotits unter Anwendung von üblichen, inkompatiblen Verteilungskoeffizienten (Kd's) können die gemessenen Fraktionierungen von mittleren zu schweren SEE nicht reproduzieren. Die Anwendung der neuen Kd's, die kompatibles Verhalten der schweren SEE im Cpx vorhersagen, ergibt zwar bessere Resultate, kann jedoch nicht die am stärksten fraktionierten Proben erklären. Darüber hinaus werden sehr hohe Aufschmelzgrade benötigt, was nicht mit Hauptelementdaten in Einklang zu bringen ist. Niedrige (~3-5%) Aufschmelzgrade im Stabilitätsfeld von Granatperidotit, gefolgt von weiterer Aufschmelzung von Spinellperidotit kann jedoch die Beobachtungen weitgehend erklären. Aus diesem Grund muss Granat weiterhin als wichtige Phase bei der Genese von MORB betrachtet werden (Kapitel 1).Eine weitere Hürde zum quantitativen Verständnis von Aufschmelzprozessen unter mittelozeanischen Rücken ist die fehlende Korrelation zwischen Haupt- und Spuren-elementen in residuellen abyssalen Peridotiten. Das Cr/(Cr+Al) Verhältnis (Cr#) in Spinell wird im Allgemeinen als guter qualitativer Indikator für den Aufschmelzgrad betrachtet. Die Mineralchemie der CIR Peridotite und publizierte Daten von anderen abyssalen Peridotiten zeigen, dass die schweren SEE sehr gut (r2 ~ 0.9) mit Cr# der koexistierenden Spinelle korreliert. Die Auswertung dieser Korrelation ergibt einen quantitativen Aufschmelz-indikator für Residuen, welcher auf dem Spinellchemismus basiert. Damit kann der Schmelzgrad als Funktion von Cr# in Spinell ausgedrückt werden: F = 0.10×ln(Cr#) + 0.24 (Hellebrand et al., Nature, in review; Kapitel 2). Die Anwendung dieses Indikators auf Mantelproben, für die keine Ionensondendaten verfügbar sind, ermöglicht es, geochemische und geophysikalischen Daten zu verbinden. Aus geodynamischer Perspektive ist der Gakkel Rücken im Arktischen Ozean von großer Bedeutung für das Verständnis von Aufschmelzprozessen, da er weltweit die niedrigste Divergenzrate aufweist und große Transformstörungen fehlen. Publizierte Basaltdaten deuten auf einen extrem niedrigen Aufschmelzgrad hin, was mit globalen Korrelationen im Einklang steht. Stark alterierte Mantelperidotite einer Lokalität entlang des kaum beprobten Gakkel Rückens wurden deshalb auf Primärminerale untersucht. Nur in einer Probe sind oxidierte Spinellpseudomorphosen mit Spuren primärer Spinelle erhalten geblieben. Ihre Cr# ist signifikant höher als die einiger Peridotite von schneller divergierenden Rücken und ihr Schmelzgrad ist damit höher als aufgrund der Basaltzusammensetzungen vermutet. Der unter Anwendung des oben erwähnten Indikators ermittelte Schmelzgrad ermöglicht die Berechnung der Krustenmächtigkeit am Gakkel Rücken. Diese ist wesentlich größer als die aus Schweredaten ermittelte Mächtigkeit, oder die aus der globalen Korrelation zwischen Divergenzrate und mittels Seismik erhaltene Krustendicke. Dieses unerwartete Ergebnis kann möglicherweise auf kompositionelle Heterogenitäten bei niedrigen Schmelzgraden, oder auf eine insgesamt größere Verarmung des Mantels unter dem Gakkel Rücken zurückgeführt werden (Hellebrand et al., Chem.Geol., in review; Kapitel 3).Zusätzliche Informationen zur Modellierung und Analytik sind im Anhang A-C aufgeführt

Spektromikroskopische Analyse von Nukleationsdomänen in epitaktischen Diamantschichten auf Ir,SrTiO 3 und von präsolaren SiC-Meteoritenkörnern

Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Systeme untersucht, deren verbindende Gemeinsamkeit in den verwendeten ortsauflösenden, spektroskopischen Messmethoden der Oberflächenanalytik, wie z.B. abbildendes XPS, Röntgennahkanten-Photoemissionsmikroskopie (XANES-PEEM) und Augerspektroskopie (AES) liegt. Im ersten Teil der Arbeit wurden Diamant-Nukleationsdomänen auf Ir/SrTiO3 untersucht und mit vorherrschenden Modellen aus der Literatur verglichen. Die Nukleationsdomänen, wie sie im Mikrowellen-induzierten CVD Prozess unter Verwendung der BEN Prozedur (bias-enhanced nucleation) entstehen, bilden die „Startschicht“ für ein heteroepitaktisches Wachstum einer hoch orientierten Diamantschicht. Sie entwickeln sich aber unter Bedingungen, unter denen 3D-Diamant abgetragen und weggeätzt wird. Mittels XANES-PEEM Messungen konnte erstmals die lokale Bindungsumgebung des Kohlenstoffs in den Nukleationsdomänen ortsaufgelöst aufgezeigt werden und aus AES Messungen ließ sich die Schichtdicke der Nukleationsdomänen abschätzen. Es zeigte sich, dass die Nukleationsdomänen Bereiche mit etwa 1 nm Dicke darstellen, in denen der Übergang von eine sp2-koordinierte amorphen Kohlenstoff- zu einer Diamantschicht mit hohem sp3 Anteil abläuft. Zur Erklärung des Nukleationsprozesses wurde auf das „Clustermodell“ von Lifshitz et al. zurückgegriffen, welches um einen wesentlichen Aspekt erweitert wurde. Die Stabilität der Nukleationsdomänen gegen die Ätzwirkung des Nukleationsprozesses auf Volumendiamant wird durch eine starke Wechselwirkung zwischen dem Diamant und dem Iridiumsubstrat erklärt, wobei die Dicke von etwa 1 nm als Maß für die Ausdehnung dieses Wechselwirkungsbereichs angesehen wird. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung präsolarer SiC-Körner und darin eingeschlossener Spurenelemente. Neben den Hauptelementen Si und C wurden auch Spinelle wie Chromit (FeCr2O4), Korund (Al2O3) und auch verschiedene Spurenelemente (z. B. Al, Ba und Y) nachgewiesen. Ferner wurden XPS-Linien bei Energien nachgewiesen, welche sich den Seltenen Erden Erbium, Thulium und Dysprosium zuordnen lassen. Aufgrund von Abweichungen zur Literatur bzgl. der ausgeprägten Intensität der XPS-Linien, wurde als alternative Erklärungsmöglichkeit für verschiedene Signale der Nachweis von stark schwefelhaltigen Körnern (z.B. so genannte „Fremdlinge“) mit Aufladungen von mehreren Volt diskutiert. Es zeigt sich, dass abbildendes XPS und XANES-PEEM Methoden zur leistungsfähigen chemischen Charakterisierung von SiC-Körnern und anderer solarer und präsolarer Materie im Größenbereich bis herab zu 100 – 200 nm Durchmesser (z.B. als Grundlage für eine spätere massenspektrometrische Isotopenanalyse)darstellen.

Synthese und Charakterisierung von Oxidchalkogeniden und Bronzen für die Nanostrukturierung

Ausgehend von der Entdeckung der reversiblen Strukturierung mittels Rastersondenmethoden im Phasensystem Na2O/V2O5/P2O5 wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei Ansatzpunkte verfolgt. Einerseits sollten mittels der Schmelzflußelektrolyse einige bereits existierende niederdimensionale Molybdänbronzen mit bekannten elektronischen Übergängen in ausreichend großen Kristallen gezüchtet werden, um sie auf ihre Strukturierungseigenschaften hin zu untersuchen. Gleichzeitig sollte durch Variation versucht werden, neue, bisher unbekannte Bronzen oder reduzierte Oxide zu synthetisieren und charakterisieren. Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit lag in der Synthese und Charakterisierung von Oxidchalkogeniden, bestehend aus einem Seltenerdmetall und einem 3d-Metall von Titan bis hin zu den mittleren Übergangsmetallen. Diese Verbindungen können durch die Kombination der jeweiligen Eigenschaften der oxidischen und chalkogeniden Teilstrukturen völlig neue elektronische und/oder magnetische Eigenschaften aufweisen. Mögliche auftretende Phasenübergänge sind wiederum für Strukturierungsversuche interessant. Die zu den Oxidchalkogeniden durchgeführten Untersuchungen ergaben im Phasensystem Ln/Ti/S/O (Ln = Lanthanoide) insgesamt sechs Verbindungen. Zwei von ihnen, La8Ti9S24O4 und Nd20Ti11S44O6, besitzen als gemeinsames Strukturelement tetranukleare [Ti4(u4-S)2(u2-O)4]-Cluster, bestehend aus vier miteinander über gemeinsame Flächen kondensierte TiS4O2-Oktaeder. Die Titanpositionen innerhalb der Cluster sind mit Ti+3-Ionen besetzt. Beide Verbindungen weisen in einem Temperaturbereich zwischen 150 K und 250 K eine deutlich ausgeprägte Hysterese der magnetischen Suszeptibilität auf, die sich im Falle von La8Ti9S24O4 auf einen Jahn-Teller-Übergang zurückführen läßt. Daneben konnte erstmals eine Serie oxidisch/sulfidisch gemischter Ruddlesden-Popper-Verbindungen mit Ln2Ti2S2O5 (Ln = Pr, Nd, Sm) synthetisiert und charakterisiert werden. Titan liegt als vierwertiges Ion in aus TiSO5-Oktaedern gebildeten Perowskit-Doppelschichten vor. Die neunfach koordinierten Positionen sind mit den Seltenerdmetallionen gefüllt, die zwölffach koordinierten Lagen sind unbesetzt. Bei dem sechsten erhaltene Titanoxidsulfid, La4TiS6.5O1.5, handelt es sich um einen Halbleiter mit einer Bandlücke von etwa 2 eV. Weiterhin gelang es, die Serie Ln2M3S2O8 (Ln = La, Ce, Pr, Nd, Sm; M = Nb, Ta) zu synthetisieren und in ihren physikalischen Eigenschaften zu charakterisieren. Es handelt sich ausnahmslos um Halbleiter mit Bandlücken zwischen E=0.125 eV für La2Nb3S2O8 und E=0.222 eV für Pr2Ta3S2O8. Die Struktur der Oxidsulfide Ce2Ta3S2O8, Pr2Ta3S2O8, Nd2Nb3S2O8 sowie Sm2Ta3S2O8 weist im Gegensatz zu den anderen Verbindungen eine Fehlordnung eines der beiden kristallographisch unabhängigen Nb- bzw. Ta-Atome auf. Daraus resultiert eine Symmetrieerniedrigung von Pnma zu Pbam. Der Einsatz von Europium führte zu einer neuen Modifikation des bronzoiden Oxids EuTa2O6, in der das Europium als Eu+2 vorliegt, wie 151Eu-Mößbauer-Untersuchungen bestätigten. Vor der Durchführung der Kristallzüchtungen mittels der Schmelzflußelektrolysen mußten die benutzen Öfen und Elektrolysezellen geplant und angefertigt werden. Es konnten dann verschiedene blaue, rote und violette Moybdänbronzen (sowie La2Mo2O7) in Kristallen bis zu 25 mm Länge dargestellt werden. Ferner gelang die erste exakte Einkristalluntersuchung der roten Bronze Rb0.33MoO3. Sie verfügt über die höchste d-Elektronen-Lokalisierungsrate aller bekannten roten Bronzen. Die erhaltenen Bronzen wurden teilweise von der Arbeitsgruppe Fuchs, Physikalisches Institut der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster, auf ihre Nanostrukturierbarkeit hin untersucht. Dabei ergaben sich zwei verschiedene Strukturierungsmechanismen. Sind es im Fall der blauen Alkalimetall-Molybdänbronzen ausschließlich Lochstrukturen, die entstehen, handelt es sich bei La2Mo2O7 um Hügelstrukturen. Mittels der Schmelzflußelektrolyse konnte auch das gemischtvalente Alkalimetall-Eisenmolybdat NaFe2(MoO4)3 synthetisiert werden. Daneben gelang die Synthese dreier weiterer Alkalimetall-Eisenmolybdate: Cs2Fe2(MoO4)3, NaFe4(MoO4)5 und CsFe5(MoO4)7. Bis auf Cs2Fe2(MoO4)3, welches in der bekannten Langbeinit-Struktur kristallisiert, handelt es sich bei den übrigen Alkalimetall-Eisenmolybdaten um völlig neuartige Käfigverbindungen, bzw. bei CsFe5(MoO4)7 um eine Tunnelverbindung. Die Kristallstrukturen beinhalten kondensierte FeO6-Oktaeder. Im Fall von NaFe2(MoO4)3 lassen sich [Fe2O10]-Einheiten, für NaFe4(MoO4)5 [Fe2O10]- sowie [Fe3O14]-Einheiten, und für CsFe5(MoO4)7 [Fe4O18]-Baueinheiten beobachten. Die Positionen der Fe+2- und Fe+3-Atome in NaFe4(MoO4)5 wurden mit Hilfe einer 57Fe-Mößbauer-Untersuchung bestimmt.

Grundlegende Untersuchungen zum Verhalten ausgewählter Seltenerdelemente bei Explosionen und zur Anwendbarkeit spezieller Methoden zu deren Analyse

Bisher ist bei forensischen Untersuchungen von Explosionen die Rückverfolgung der verwendeten Sprengstoffe begrenzt, da das Material in aller Regel bei der Explosion zerstört wird. Die Rückverfolgung von Sprengstoffen soll mit Hilfe von Identifikations-Markierungssubstanzen erleichtert werden. Diese stellen einen einzigartigen Code dar, der auch nach einer Sprengung wiedergefunden und identifiziert werden kann. Die dem Code zugeordneten, eindeutigen Informationen können somit ausgelesen werden und liefern der Polizei bei der Aufklärung weitere Ansätze.rnZiel der vorliegenden Arbeit ist es, das Verhalten von ausgewählten Seltenerdelementen (SEE) bei Explosion zu untersuchen. Ein auf Lanthanoidphosphaten basierender Identifikations-Markierungsstoff bietet die Möglichkeit, verschiedene Lanthanoide innerhalb eines einzelnen Partikels zu kombinieren, wodurch eine Vielzahl von Codes generiert werden kann. Somit kann eine Veränderung der Ausgangszusammensetzung des Codes auch nach einer Explosion durch die Analyse eines einzelnen Partikels sehr gut nachvollzogen und somit die Eignung des Markierungsstoffes untersucht werden. Eine weitere Zielsetzung ist die Überprüfung der Anwendbarkeit der Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) und Partikelanalyse mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) für die Analyse der versprengten Identifikations-Markierungssubstanzen. rnDie Ergebnisbetrachtungen der ICP-MS-Analyse und REM-Partikelanalyse deuten zusammenfassend auf eine Fraktionierung der untersuchten Lanthanoide oder deren Umsetzungsprodukte nach Explosion in Abhängigkeit ihrer thermischen Belastbarkeit. Die Befunde zeigen eine Anreicherung der Lanthanoide mit höherer Temperaturbeständigkeit in größeren Partikeln, was eine Anreicherung von Lanthanoiden mit niedrigerer Temperaturbeständigkeit in kleineren Partikeln impliziert. Dies lässt sich in Ansätzen durch einen Fraktionierungsprozess in Abhängigkeit der Temperaturstabilität der Lanthanoide oder deren Umsetzungsprodukten erklären. Die der Fraktionierung zugrunde liegenden Mechanismen und deren gegenseitige Beeinflussung bei einer Explosion konnten im Rahmen dieser Arbeit nicht abschließend geklärt werden.rnDie generelle Anwendbarkeit und unter Umständen notwendige, komplementäre Verwendung der zwei Methoden ICP-MS und REM-Partikelanalyse wird in dieser Arbeit gezeigt. Die ICP-MS stellt mit großer untersuchter Probenfläche und hoher Genauigkeit eine gute Methode zur Charakterisierung der Konzentrationsverhältnisse der untersuchten Lanthanoide dar. Die REM-Partikelanalyse hingegen ermöglicht im Falle von Kontamination der Proben mit anderen Lanthanoid-haltigen Partikeln eine eindeutige Differenzierung der Elementvergesellschaftung pro Partikel. Sie kann somit im Gegensatz zur ICP-MS Aufschluss über die Art und Zusammensetzung der Kontamination geben. rnInnerhalb der vorgenommenen Untersuchungen stellte die bei der ICP-MS angewandte Probennahmetechnik eine ideale Art der Probennahme dar. Bei anderen Oberflächen könnte diese jedoch in Folge der in verschiedenen Partikelgrößen resultierenden Fraktionierung zu systematisch verfälschten Ergebnissen führen. Um die generelle Anwendbarkeit der ICP-MS im Hinblick auf die Analyse versprengter Lanthanoide zu gewährleisten, sollte eine Durchführung weiterer Sprengungen auf unterschiedlichen Probenoberflächen erfolgen und gegebenenfalls weitere Probennahme-, Aufschluss- und Anreicherungsverfahren evaluiert werden.rn

Change in dust variability in the Atlantic sector of Antarctica at the end of the last deglaciation

We present a Rare Earth Elements (REE) record determined on the EPICA ice core drilled at Dronning Maud Land (EDML) in the Atlantic sector of the East Antarctic Plateau. The record covers the transition from the last glacial stage (LGS) to the early Holocene (26 600–7500 yr BP) at decadal to centennial resolution. Additionally, samples from potential source areas (PSAs) for Antarctic dust were analyzed for their REE characteristics. The dust provenance is discussed by comparing the REE fingerprints in the ice core and the PSA samples. We find a shift in variability in REE composition at ~15 000 yr BP in the ice core samples. Before 15 000 yr BP, the dust composition is very uniform and its provenance was most certainly dominated by a South American source. After 15 000 yr BP, multiple sources such as Australia and New Zealand become relatively more important, although South America remains the major dust source. A similar change in the dust characteristics was observed in the EPICA Dome C ice core at around ~15 000 yr BP, accompanied by a shift in the REE composition, thus suggesting a change of atmospheric circulation in the Southern Hemisphere.

Provenance discrimination of Lower Cretaceous synrift sandstones (eastern Iberian Chain Spain) Constraints from detrital modes heavy minerals and geochemistry

Petrography, geochemical whole-rock composition, and chemical analyses of tourmaline were performed in order to determine the source areas of Lower Cretaceous Mora, El Castellar, and uppermost Camarillas Formation sandstones from the Iberian Chain, Spain. Sandstones were deposited in intraplate subbasins, which are bound by plutonic and volcanic rocks of Permian, Triassic, and Jurassic age, Paleozoic metamorphic rocks, and Triassic sedimentary rocks. Modal analyses together with petrographic and cathodoluminescence observations allowed us to define three quartz-feldspathic petrofacies and recognize diagenetic processes that modified the original framework composition. Results from average restored petrofacies are: Mora petrofacies = P/F >1 and Q(r)70 F(r)22 R(r)9; El Castellar petrofacies = P/F >1 and Q(r)57 F(r)25 R(r)18; and Camarillas petrofacies = P/F ∼ zero and Q(r)64 F(r)28 R(r)7 (P—plagioclase; F—feldspar; Q—quartz; R—rock fragments; r—restored composition). Trace-element and rare earth element abundances of whole-rock analyses discriminate well between the three petrofacies based on: (1) the Rb concentration, which is indicative of the K content and reflects the amount of K-feldspar modal abundance, and (2) the relative modal abundance of heavy minerals (tourmaline, zircon, titanite, and apatite), which is reproduced by the elements hosted in the observed heavy mineral assemblage (i.e., B and Li for tourmaline; Zr, Hf, and Ta for zircon; Ti, Ta, Nb, and their rare earth elements for titanite; and P, Y, and their rare earth elements for apatite). Tourmaline chemical composition for the three petrofacies ranges from Fe-tourmaline of granitic to Mg-tourmaline of metamorphic origin. The three defined petrofacies suggest a mixed provenance from plutonic and metamorphic source rocks. However, a progressively major influence of granitic source rocks was detected from the lowermost Mora petrofacies toward the uppermost Camarillas petrofacies. This provenance trend is consistent with the uplift and erosion of the Iberian Massif, which coincided with the development of the latest Berriasian synrift regional unconformity and affected all of the Iberian intraplate basins. The uplifting stage of Iberian Massif pluton caused a significant dilution of Paleozoic metamorphic source areas, which were dominant during the sedimentation of the lowermost Mora and El Castellar petrofacies. The association of petrographic data with whole-rock geochemical compositions and tourmaline chemical analysis has proved to be useful for determining source area characteristics, their predominance, and the evolution of source rock types during the deposition of quartz-feldspathic sandstones in intraplate basins. This approach ensures that provenance interpretation is consistent with the geological context.

Stable-Isotope and Trace Element Time Series from Fedchenko Glacier (Pamirs) Snow/Firn Cores

In summer 2005, two pilot snow/firn cores were obtained at 5365 and 5206 m a.s.l. on Fedchenko glacier, Pamirs, Tajikistan, the world's longest and deepest alpine glacier. The well-defined seasonal layering appearing in stable-isotope and trace element distribution identified the physical links controlling the climate and aerosol concentration signals. Air temperature and humidity/precipitation were the primary determinants of stable-isotope ratios. Most precipitation over the Pamirs originated in the Atlantic. In summer, water vapor was re-evaporated from semi-arid regions in central Eurasia. The semi-arid regions contribute to non-soluble aerosol loading in snow accumulated on Fedchenko glacier. In the Pamir core, concentrations of rare earth elements, major and other elements were less than those in the Tien Shan but greater than those in Antarctica, Greenland, the Alps and the Altai. The content of heavy metals in the Fedchenko cores is 2-14 times lower than in the Altai glaciers. Loess from Afghan-Tajik deposits is the predominant lithogenic material transported to the Pamirs. Trace elements generally showed that aerosol concentration tended to increase on the windward slopes during dust storms but tended to decrease with altitude under clear conditions. The trace element profile documented one of the most severe droughts in the 20th century.

Chevkinite-Group Minerals from Granulite-Facies Metamorphic Rocks and Associated Pegmatites of East Antarctica and South India

Electron microprobe data are presented for chevkinite-group minerals from granulite-facies rocks and associated pegmatities of the Napier Complex and Mawson Station charnockite in East Antarctica and from the Eastern Ghats, South India. Their compositions conform to the general formula for this group, viz. A(4)BC(2)D(2)Si(4)O(22) where, in the analysed specimens A = (rare-earth elements (REE), Ca, Y, Th), B = Fe(2+) Mg, C = (Al, Mg, Ti, Fe(2+), Fe(3+), Zr) and D = Ti and plot within the perrierite field oftlic total Fe (as FeO) (wt.%) vs. CaO (wt.%) discriminator diagram of Macdonald and Belkin (2002). In contrast to most chevkinite-group minerals, the A site shows unusual enrichment in the MREE and HREE relative to the LREE and Ca. In one sample from the Napier Complex, Y is the dominant cation among the total REE + Y in the A site, the first reported case of Y-dominance in the chevkinite group. The minerals include the most Al-rich yet reported in the chevkinite group (<= 9.15 wt.% Al(2)O(3)), sufficient to fill the C site in two samples. Conversely, the amount of Ti in these samples does not fill the D site. and, thus, some of the Al could be making up the deficiency at D, a situation not previously reported in the chevkinite group. Fe abudances are low, requiring Mg to occupy up to 45% of the B site. The chevkinite-group minerals analysed originated from three distinct parageneses: (1) pegmatites containing hornblende and orthopyroxene or garnet; (2) orthopyroxene-bearing gneiss and granulite; (3) highly aluminous paragneisses in which the associated minerals are relatively magnesian or aluminous. Chevkinite-group minerals from the first two parageneses have relatively high FeO content and low MgO and Al(2)O(3) contents; their compositions plot in the field for mafic and intermediate igneous rocks. In contrast, chevkinite-group minerals from the third paragenesis are notably more aluminous and have greater Mg/Fe ratios.

Tertiary Minette and Melanephelinite Dikes, Wasatch Plateau, Utah - Records of Mantle Heterogeneities and Changing Tectonics

A swarm of minette and melanephelinite dikes is exposed over 2500 km2 in and near the Wasatch Plateau, central Utah, along the western margin of the Colorado Plateaus in the transition zone with the Basin and Range province. To date, 110 vertical dikes in 25 dike sets have been recognized. Strikes shift from about N80-degrees-W for 24 Ma dikes, to about N60-degrees-W for 18 Ma, to due north for 8-7 m.y. These orientations are consistent with a shift from east-west Oligocene compression associated with subduction to east-west late Miocene crustal extension. Minettes are the most common rock type; mica-rich minette and mica-bearing melanephelinite occurs in 24 Ma dikes, whereas more ordinary minette is found in 8-7 Ma dikes. One melanephelinite dike is 18 Ma. These mafic alkaline rocks are transitional to one another in modal and major element composition but have distinctive trace element patterns and isotopic compositions; they appear to have crystallized from primitive magmas. Major, trace element, and Nd-Sr isotopic data indicate that melanephelinite, which has similarities to ocean island basalt, was derived from small degree melts of mantle with a chondritic Sm/Nd ratio probably located in the asthenosphere, but it is difficult to rule out a lithospheric source. In contrast, mica-bearing rocks (mica melanephelinite and both types of minette) are more potassic and have trace element patterns with strong Nb-Ta depletions and Sr-Nd isotopic compositions caused by involvement with a component from heterogeneously enriched lithospheric mantle with long-term enrichment of Rb or light rare earth elements (REE) (epsilon Nd as low as - 15 in minette). Light REE enrichment must have occurred anciently in the mid-Proterozoic when the lithosphere was formed and is not a result of Cenozoic subduction processes. After about 25 Ma, foundering of the subducting Farallon plate may have triggered upwelling of warm asthenospheric mantle to the base of the lithosphere. Melanephelinite magma may have separated from the asthenosphere and, while rising through the lithosphere, provided heat for lithospheric magma generation. Varying degrees of interaction between melanephelinite and small potassic melt fractions derived from the lithospheric mantle can explain the gradational character of the melanephelinite to minette suite.

Optimum Electron Temperature and Density for Short-Wavelength Plasma-Lasing from Nickel-like ions

Soft X-ray lasing across a Ni-like plasma gain-medium requires optimum electron temperature and density for attaining to the Ni-like ion stage and for population inversion in the View the MathML source3d94d1(J=0)→3d94p1(J=1) laser transition. Various scaling laws, function of operating parameters, were compared with respect to their predictions for optimum temperatures and densities. It is shown that the widely adopted local thermodynamic equilibrium (LTE) model underestimates the optimum plasma-lasing conditions. On the other hand, non-LTE models, especially when complemented with dielectronic recombination, provided accurate prediction of the optimum plasma-lasing conditions. It is further shown that, for targets with Z equal or greater than the rare-earth elements (e.g. Sm), the optimum electron density for plasma-lasing is not accessible for pump-pulses at View the MathML sourceλ=1ω=1μm. This observation explains a fundamental difficulty in saturating the wavelength of plasma-based X-ray lasers below 6.8 nm, unless using 2ω2ω pumping.

A rapid and efficient ion-exchange chromatography for Lu–Hf, Sm–Nd, and Rb–Sr geochronology and the routine isotope analysis of sub-ng amounts of Hf by MC-ICP-MS

The development and improvement of MC-ICP-MS instruments have fueled the growth of Lu–Hf geochronology over the last two decades, but some limitations remain. Here, we present improvements in chemical separation and mass spectrometry that allow accurate and precise measurements of 176Hf/177Hf and 176Lu/177Hf in high-Lu/Hf samples (e.g., garnet and apatite), as well as for samples containing sub-nanogram quantities of Hf. When such samples are spiked, correcting for the isobaric interference of 176Lu on 176Hf is not always possible if the separation of Lu and Hf is insufficient. To improve the purification of Hf, the high field strength elements (HFSE, including Hf) are first separated from the rare earth elements (REE, including Lu) on a first-stage cation column modified after Patchett and Tatsumoto (Contrib. Mineral. Petrol., 1980, 75, 263–267). Hafnium is further purified on an Ln-Spec column adapted from the procedures of Münker et al. (Geochem., Geophys., Geosyst., 2001, DOI: 10.1029/2001gc000183) and Wimpenny et al. (Anal. Chem., 2013, 85, 11258–11264) typically resulting in Lu/Hf < 0.0001, Zr/Hf < 1, and Ti/Hf < 0.1. In addition, Sm–Nd and Rb–Sr separations can easily be added to the described two-stage ion-exchange procedure for Lu–Hf. The isotopic compositions are measured on a Thermo Scientific Neptune Plus MC-ICP-MS equipped with three 1012 Ω resistors. Multiple 176Hf/177Hf measurements of international reference rocks yield a precision of 5–20 ppm for solutions containing 40 ppb of Hf, and 50–180 ppm for 1 ppb solutions (=0.5 ng sample Hf 0.5 in ml). The routine analysis of sub-ng amounts of Hf will facilitate Lu–Hf dating of low-concentration samples.

Variations of clinopyroxene/melt element partitioning during assimilation of olivine/peridotite by low-Mg diorite magma

The effects of crystal chemistry and melt composition on the control of clinopyroxene/melt element partitioning (D) during the assimilation of olivine/peridotite by felsic magma have been investigated in Mesozoic high-Mg diorites from North China. The assimilation resulted in significant increase of Mg, Cr and Ni and only slight (< 30%) decrease of incompatible elements of the magma, and the compositional variations have been mirrored by the normally and reversely zoned clinopyroxene microphenocrysts formed at the early stage of the magma evolution. The Mg# [100 × Mg / (Mg + Fe)] values of the reversely zoned clinopyroxenes increase from 65 to 75 in the core to 85–90 in the high-Mg midsection, and reduce back to 73–79 at the rim. Trace element profiles across all these clinopyroxene domains have been measured by LA-ICP-MS. The melt trace element composition has been constrained from bulk rock analyses of the fine-grained low- and high-Mg diorites. Clinopyroxene/melt partition coefficients for rare earth elements (REE) and Y in the high-Mg group zonings (Mg# > 73–79, DDy < 1.2) are positively correlated with tetrahedral IVAl and increase by a factor of 3–4 as tetrahedral IVAl increases from 0.01 to 0.1 per formula unit (pfu). These systematic variations are interpreted to be controlled by the clinopyroxene composition. In contrast, partition coefficients for low-Mg group zonings (Mg# < 75–79, DDy > 1.2) are elevated by up to an order of magnitude (for REE and Y) or more (for Zr and Hf) at similar IVAl, indicating dominant control of melt composition/structure. DZr and DHf show a larger sensitivity to the compositional change of crystal and melt than DREE. DTi values for the low- and high-Mg zonings show a uniform dependence on IVAl. DSr and DLi are insensitive to the compositional change of clinopyroxene and melt, resulting in Sr depletions in the clinopyroxene zonings with elevated REE without crystallization of plagioclase. Our observations show that crystal chemistry and melt composition/structure may alternatively control clinopyroxene/melt partitioning during the assimilation of peridotite by felsic magma, and may be useful for deciphering clinopyroxene compositions and related crust–mantle processes.

The Interplay between Melting, Refertilization and Carbonatite Metasomatism in Off-Cratonic Lithospheric Mantle under Zealandia: an Integrated Major, Trace and Platinum Group Element Study

It is widely accepted that stabilization of the continental crust requires the presence of sub-continental lithospheric mantle. However, the degree of melt depletion required to stabilize the lithosphere and whether widespread refertilization is a significant process remain unresolved. Here, major and trace element, including platinum group elements (PGE), characterization of 40 mantle xenoliths from 13 localities is used to constrain the melt depletion, refertilization and metasomatic history of lithospheric mantle underneath the micro-continent Zealandia. Our previously published Re–Os isotopic data for a subset of these xenoliths indicate Phanerozoic to Paleoproterozoic ages and, reinterpreted with the new major and trace element data presented here, demonstrate that a large volume (>2 million km3) of lithospheric mantle with an age of 1·99 ± 0·21 Ga is present below the much younger crust of Zealandia. A peritectic melting model using moderately incompatible trace elements (e.g. Yb) in bulk-rocks demonstrates that these peridotites experienced a significant range of degrees of partial melting, between 3 and 28%. During subsolidus equilibration clinopyroxene gains significant rare earth elements (REE), which then leads to the underestimation of the degree of partial melting by ≤12% in fertile xenoliths. A new approach taking into account the effects of subsolidus re-equilibration on clinopyroxene composition effectively removes discrepancies in the calculated degree of melting and provides consistent estimates of between 4 and 29%. The estimated amount of melting is independent of the Re–Os model ages of the samples. The PGE patterns record simple melt depletion histories and the retention of primary base metal sulfides in the majority of the xenoliths. A rapid decrease in Pt/IrN observed at c. 1·0 wt % Al2O3 is a direct result of the exhaustion of sulfide in the mantle residue at c. 20–25% partial melting and the inability of Pt to form a stable alloy phase. Major elements preserve evidence for refertilization by a basaltic component that resulted in the formation of secondary clinopyroxene and low-forsterite olivine. The majority of xenoliths show the effects of cryptic metasomatic overprinting, ranging from minor to strong light REE enrichments in bulk-rocks (La/YbN = 0·16–15·9). Metasomatism is heterogeneous, with samples varying from those with weak REE enrichment and notable positive Sr and U–Th anomalies and negative Nb–Ta anomalies in clinopyroxene to those that have extremely high concentrations of REE, Th–U and Nb. Chemical compositions are consistent with a carbonatitic component contributing to the metasomatism of the lithosphere under Zealandia. Notably, the intense metasomatism of the samples did not affect the PGE budget of the peridotites as this was controlled by residual sulfides.

Geochemistry of bulk samples and various minerals of sediment core CRP-1 from the Ross Sea, Antarctica

Thirty-nine medium and fine grained sandstones from between 19,26 and 147,23 mbsf in the Cape Roberts-l core (CRP-1) were analysed for 10 major and 16 trace elements. Using whole-lock compositions, 9 samples were selected for analyses of mineral and glass grains by energy dispersive electron microscope. Laser-Ablation Mass-Spectrometry was used to determine rare earth elements and 14 additional trace elements in glass shards, pyroxenes and feldspars in order to examine their contribution to the bulk rock chemistry. Geochemical data reveal the major contribution played by the Granite Harbour Intrusives to the whole rock composition, even if a significant input is supplied by McMurdo volcanics and Ferrar dolerite pyroxenes McMurdo volcanics were studied in detail; they appeal to derive from a variety of litologies, and a dominant role of wind transpoitation from exposures of volcanic rocks may be inferred from the contemporary occurrence of different compositions at all depths. Only at 116.55 mbsf was a thin layer of tephra found, linked to an explosive eruption McMurdo volcanic rocks exhibit larger abundances at depths above 62 mbsf, in correspondence with the onset of volcanic activity in the McMurdo Sound area. From 62 mbsf to the bottom of the core, McMurdo volcanics are less abundant and probably issued from some centres in the McMurdo Sound region. However, available data do not allow the exclusion of wind transport from some eruptive centres active in north Victoria Land at the beginning of the Miocene Epoch.