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Pre-irradiation of chondrules in the Early Solar System

Beyersdorf-Kuis, Uta

German Title: Vorbestrahlung von Chondren im frühen Sonnensystem

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Noble gases in meteorites contain a “cosmogenic” component which is due to their exposure to cosmic rays. Cosmogenic noble gases (like radionuclides) are generally produced during the time a meteoroid travels from its parent body to encounter with earth and define its cosmic ray exposure (CRE) age. However, cosmogenic noble gases may also be produced at an earlier stage (“pre-irradiation”). Noble gases in chondrules, in particular, may provide information about the energetic particle environment and the lifetime of chondrules as free-floating objects in the early solar system in case they were pre-irradiated in the solar nebula and about surface processes on asteroids in the case of a pre-irradiation in the parent body regolith. Therefore, in this study noble gases were determined to search for possible pre-irradiation effects in chondrules and matrix samples from nine carbonaceous chondrites, including the CR2 chondrites Renazzo, El Djouf 001 and NWA 852, the CR3 chondrites MET 00426 and QUE 99177, the CV3 chondrites Allende, Vigarano and Acfer 082 as well as ungrouped Acfer 094. After the separation of chondrules from the bulk meteorites using a freeze-thaw technique, abundances of important target elements were determined using instrumental neutron activation analysis (INAA). Noble gas measurements (He, Ne, Ar) were performed on the same sample material, which eliminates problems of sample inhomogeneity which were a problem in other earlier studies. CRE ages were calculated with 21Nec production rates calculated following Eugster (1988). In addition, mineralogical analyses of chondrules using a scanning electron microscope (SEM) were performed, and 40K-40Ar ages of chondrules and matrix samples were determined. In this study so-called “nominal” CRE ages with the shielding parameter (22Ne/21Ne)c = 1.11 were used. Although this “nominal” CRE ages are not accurate, this approach is most reliable for the comparison of the ages of different samples from the same location because uncertainties involved in the shielding correction were avoided. Ages were calculated using cosmogenic 21Ne. T21 CRE ages are most reliable because He is easily affected by gas loss and Ar is mostly influenced by trapped components in primitive meteorites. CRE ages for Ne with “normal” shielding are indicated as T21-1.11 CRE ages. Strong evidence for pre-irradiation effects was found in all chondrules from El Djouf 001 and NWA 852, which have elevated T21-1.11 CRE ages relative to the matrix. While the age difference of El Djouf 001 chondrules ranges between 0.4 and 1.9 Ma relative to the matrix, the two analyzed NWA 852 chondrules have nominal CRE ages that are 27.1 and 32.9 Ma longer than the respective matrix age, which is comparable with values for Murchison (CM2) chondrules reported in the literature. However, only 20% of Murchison chondrules show pre-irradiation effects (Roth et al. 2011, Huber et al. 2012). The differences concerning the percentage of pre-irradiation and duration of pre-irradiation may suggest different processes in the respective parent body regoliths. However, while El Djouf 001 is clearly different, the situation for NWA 852 may be similar to Murchison based on the large T21-1.11 CRE differences. Although pre-irradiation was observed in all chondrules from NWA 852, no reliable conclusion can be drawn concerning the percentage of pre-irradiated chondrules because only a small number (2) was analyzed. Some of the chondrules from MET 00426, QUE 99177, and Acfer 082 show apparent pre-irradiation effects since they have elevated T21-1.11 CRE ages relative to the matrix. Remarkably, however, since the MET 00426 and QUE 99177 matrices have elevated T21-1.11 CRE ages compared to at least one chondrule, not only chondrules, but also the matrix from MET 00426 and QUE 99177 appear to have been pre-irradiated. The indication for pre-irradiation of matrix material is an important new finding of this work in terms of analyzing pre-irradiation effects in primitive meteorites. Chondrules from Allende and Vigarano show no evidence for pre-irradiation since their T21-1.11 CRE ages are indistinguishable from the matrix. In the case of Allende chondrules this is in accordance with the results from previous studies. For Renazzo and Acfer 094 no reliable conclusion concerning pre-irradiation can be reached, because only a small number of chondrules were analyzed, which show T21-1.11 CRE ages indistinguishable from the corresponding matrix. General reasons why a pre-irradiation of chondrules (as a whole) are difficult to discern include i) no discernibility of pre-irradiation effects in meteorites with long CRE ages, ii) the dependency of the production rate of cosmogenic noble gas nuclides on chemistry and shielding, iii) lower CRE ages of the matrix due to recoil losses, iv) noble gas loss from the bulk meteorite/matrix due to thermal metamorphism or the lower retentivity for cosmogenic gases, and vi) the superimposition on pre-irradiation records in chondrules or in the matrix by records from single grains or clasts. In addition, pre-irradiation effects in chondrules might not be expected based on the following arguments: i) the impossibility of pre-irradiation of chondrules in the early solar system due to high dust densities, ii) the limited lifetime of small objects in the inner solar system, and iii) the impossibility of pre-irradiation of chondrules on parent body surfaces (regolith). All these general difficulties and arguments could be neutralized by methodical approaches (e.g., selection of meteorites with i) short CRE ages and iv) limited thermal metamorphism; ii) use of T21-1.11 “nominal” CRE ages without shielding correction) and/or theoretical considerations (e.g., i) redistribution of chondrules to the outer edges of the protoplanetary disk with lower dust densities, where an irradiation should have been possible; iii) possibility of size sorting in a granular medium due to the Brazil-nut effect). On the other hand, the observations clearly show that chondrules were pre-irradiated. These observations include i) elevated nominal CRE ages of some chondrules relative to the matrix in previous studies as well as in this study, which cannot be explained by different abundances of target elements or shielding; this pre-irradiation of chondrules is recorded by an excess of 21Nec; ii) different CRE ages of chondrules within a single meteorite, which suggests either different irradiation environments or identical irradiation and subsequent gas loss affecting some chondrules. In addition, iii) locally different regions of chondrule formation and different irradiation histories can explain these observations. Overall, pre-irradiation of all chondrules from NWA 852 and El Djouf 001 as well as some chondrules from MET 00426, QUE 99177, and Acfer 082 is indicated. In addition, the matrices of MET 00426 and QUE 99177 show also evidence for pre-irradiation. This study, like previous studies analyzing pre-irradiation effects in chondrules, is limited since the setting of pre-irradiation cannot be determined with certainty. Parameters like the shielding parameter (22Ne/21Ne)c, which may help to decide where the chondrules were pre-irradiated (in the regolith on the meteorite parent body vs. solar nebula setting), are not unequivocal. In case of NWA 852 and El Djouf 001 with dominant solar wind components in the matrices pre-irradiation in the parent body regolith is indicated. The considerably longer pre-irradiation and in most cases higher concentration of trapped (solar) gases of NWA 852 chondrules compared to El Djouf 001 chondrules may imply that NWA 852 chondrules resided in a near-surface position (up to 1 or 2 m depth) on the CR meteorite parent body, whereas El Djouf 001 chondrules were shielded from cosmic radiation in much deeper regions and spent less time in a near-surface position. On the other hand, the highly varying T21-1.11 CRE ages of MET 00426 and QUE 99177 chondrules may imply pre-irradiation as free-floating objects in the solar nebula. Especially for QUE 99177, which lacks solar wind gases, a pre-irradiation in the solar nebula appears highly likely.

Translation of abstract (German)

Edelgase in Meteoriten enthalten eine „kosmogene“ Komponente, die auf die Exposition gegenüber kosmischer Bestrahlung zurückzuführen ist. Kosmogene Edelgase (wie auch Radionuklide) werden generell in der Zeit produziert, die der Meteoroid benötigt, um von seinem Mutterkörper bis zur Erde zu gelangen. Diese Zeitspanne wird als Bestrahlungsalter (CRE-Alter) definiert. Kosmogene Edelgase können jedoch auch in einer früheren Phase („Vorbestrahlung“) produziert werden. Edelgase in Chondren können insbesondere Aufschluss über die Merkmale der energetischen Partikel und die Lebensdauer der Chondren als freifliegende Objekte im frühen Sonnensystem im Fall einer Vorbestrahlung im solaren Nebel als auch über Oberflächenprozesse auf Asteroiden im Fall einer Vorbestrahlung im Mutterkörperregolith geben. Daher werden in dieser Studie Edelgase untersucht, um mögliche Vorbestrahlungseffekte in Chondren- und Matrixproben von neun kohligen Chondriten zu analysieren. Die untersuchten Proben schließen die CR2-Chondrite Renazzo, El Djouf 001 und NWA 852, die CR3-Chondrite MET 00426 und QUE 99177, die CV3-Chondrite Allende, Vigarano und Acfer 082 sowie den ungruppierten Acfer 094 ein. Nach der Separation der Chondren vom Gesamtmeteorit mit Hilfe von Frost-Tau-Zyklen wurden die Konzentrationen wichtiger Targetelemente mittels Instrumenteller Neutronenaktivierungsanalyse (INAA) bestimmt. Das identische Probenmaterial wurde für Edelgasmessungen (He, Ne, Ar) verwendet, was Probleme der Probeninhomogenität beseitigt, die in früheren Studien auftraten. Die Bestrahlungsalter wurden mit der Produktionsrate von 21Nec berechnet, wofür wiederum die Formel nach Eugster (1988) verwendet wurde. Zusätzlich wurden die Chondren mineralogisch mit dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) analysiert, und 40K-40Ar-Alter von Chondren und Matrix wurden bestimmt. In dieser Studie werden sogenannte „nominale“ Bestrahlungsalter mit einem Abschirmungsparameter (22Ne/21Ne)c = 1.11 verwendet. Obwohl diese „nominalen“ Bestrahlungsalter nicht exakt sind, ist dieser Ansatz für den Vergleich von Altern unterschiedlicher Proben aus gleicher Position am zuverlässigsten, da Unsicherheiten, die mit der Abschirmungskorrektur verbunden sind, vermieden werden. Die Alter wurden mit Hilfe des kosmogenem 21Ne berechnet (T21). Die T21-Alter sind am zuverlässigsten, da Helium leicht durch Gasverlust beeinflusst werden kann und Argon in den meisten primitiven Meteoriten durch primordiale (solare oder “planetare”) Komponenten dominiert ist. Die Bestrahlungsalter für Ne mit „normaler“ Abschirmung sind als T21-1.11 bezeichnet. Überzeugende Belege für Vorbestrahlungseffekte wurde in allen Chondren von El Djouf 001 und NWA 852 gefunden, die erhöhte T21-1.11 CRE-Alter relativ zur Matrix aufweisen. Während der Altersunterschied der El Djouf 001-Chondren zwischen 0,4 und 1,9 Ma relativ zur Matrix liegt, sind die nominalen CRE-Alter der beiden NWA 852-Chondren 27,1 und 32,9 Ma höher als die der Matrix, was mit den Werten für Murchison-Chondren (CM2) aus der Literatur vergleichbar ist. Allerdings zeigen nur 20% der Murchison-Chondren Vorbestrahlungseffekte (Roth et al. 2011, Huber et al. 2012). Die Unterschiede bezüglich des Anteils der vorbestrahlten Chondren und der Dauer der Vorbestrahlung kann auf verschiedene Prozesse in den jeweiligen Mutterkörperregolithen hinweisen. Während die Situation für NWA 852 ähnlich der von Murchison sein kann ausgehend von den großen Unterschieden der T21-1.11 CRE-Alter, weicht El Djouf 001 eindeutig ab. Obwohl in allen Chondren von NWA 852 eine Vorbestrahlung bestimmt wurde, kann aufgrund der geringen Anzahl (2) keine zuverlässige Schlussfolgerung bezüglich des Anteils der vorbestrahlten Chondren gezogen werden. Einige Chondren von MET 00426, QUE 99177 und Acfer 082 zeigen offensichtliche Vorbestrahlungseffekte, da ihre T21-1.11 CRE-Alter gegenüber dem der Matrix erhöht sind. Bemerkenswert ist außerdem, dass die Matrixproben von MET 00426 und QUE 99177 erhöhte T21-1.11 CRE-Alter aufweisen gegenüber mindestens einer Chondre. Demnach scheinen nicht nur einige Chondren, sondern auch die Matrix von MET 00426 und QUE 99177 vorbestrahlt worden zu sein. Der Hinweis auf die Vorbestrahlung von Matrixmaterial stellt eine wichtige neue Erkenntnis dieser Arbeit im Bezug auf die Analyse von Vorbestrahlungseffekten in primitiven Meteoriten dar. Chondren von Allende und Vigarano zeigen keine Hinweise auf Vorbestrahlung, da sich ihre T21-1.11 CRE-Alter nicht von denen der Matrix unterscheiden. Im Fall der Allende-Chondren stimmt dies mit den Ergebnissen früherer Studien überein. Für Renazzo und Acfer 094 konnten keine zuverlässigen Schlussfolgerungen bezüglich der Vorbestrahlung gezogen werden, da nur eine kleine Anzahl von Chondren untersucht wurde, deren T21-1.11 CRE-Alter nicht von denen der Matrix zu unterscheiden ist. Allgemeine Gründe, weswegen eine Vorbestrahlung von Chondren (als Ganzes) schwer messbar ist, sind: i) die schlechte Messbarkeit von Vorbestrahlungseffekten in Meteoriten mit langen CRE-Altern, ii) die Abhängigkeit der Produktionsrate der kosmogenen Edelgasnuklide von der Chemie und Abschirmung, iii) geringere CRE-Alter der Matrix aufgrund von Rückstoßverlusten aus der Matrix, iv) Edelgasverlust vom Gesamtmeteorit/der Matrix aufgrund von thermischem Metamorphismus oder einer geringeren Retentivität der Matrix gegenüber kosmogenen Gasen sowie v) die Überlagerung von Vorbestrahlungseffekten in Chondren oder der Matrix durch Vorbestrahlungseffekte in Einzelkörnern oder Klasten. Zudem könnte eine Vorbestrahlung von Chondren aufgrund folgender Argumente nicht zu erwarten sein: i) die Unmöglichkeit der Vorbestrahlung von Chondren im frühen Sonnensystem aufgrund von hohen Staubdichten, ii) die begrenzte Lebenszeit von kleinen Objekten im inneren Sonnensystem sowie iii) die Unmöglichkeit der Vorbestrahlung von Chondren auf Oberflächen von Mutterkörpern (Regolith). Alle diese Schwierigkeiten und Argumente können auf Grundlage von methodischen Ansätzen (wie etwa der Auswahl von Meteoriten mit i) kurzen CRE-Altern und iv) schwachem thermalen Metamorphismus; ii) der Verwendung von T21-1.11 nominaler CRE-Alter ohne Abschirmungskorrektur) und/oder theoretischen Überlegungen (wie etwa i) die Umverteilung der Chondren zu den äußeren Rändern der protoplanetaren Scheibe mit geringeren Staubdichten, wo eine Bestrahlung denkbar war; iii) Möglichkeit der Korngrößensortierung in einem granularen Medium aufgrund des Paranuss-Effektes) entkräftet werden. Andererseits gibt es Beobachtungen, die eindeutig eine Vorbestrahlung von Chondren belegen. Diese Beobachtungen umfassen i) erhöhte nominale CRE-Alter von Chondren relativ zur Matrix in früheren Studien und in dieser Studie, die nicht durch unterschiedliche Konzentrationen der Targetelemente oder unterschiedliche Abschirmung erklärt werden können; diese Vorbestrahlung der Chondren ist in einem Überschuss an 21Nec gespeichert; ii) verschiedene CRE-Alter von Chondren in einem einzigen Meteorit deuten entweder auf verschiedene Bestrahlungsbedingungen oder identische Bestrahlung und anschließenden Gasverlust von einigen Chondren hin. Zudem können iii) lokal unterschiedliche Regionen der Chondrenbildung und eine unterschiedliche Bestrahlungsgeschichte diese Beobachtungen erklären. Insgesamt zeigt sich eine Vorbestrahlung aller Chondren von NWA 852 und El Djouf 001 sowie einiger Chondren von MET 00426, QUE 99177 und Acfer 082. Zusätzlich zeigen die Matrixproben von MET 00426 und QUE 99177 ebenfalls Hinweise auf Vorbestrahlung. Diese Studie ist jedoch begrenzt, ähnlich wie frühere Studien zur Analyse von Vorbestrahlungseffekten in Chondren, da der Ort der Vorbestrahlung nicht mit Sicherheit bestimmt werden kann. Parameter, wie etwa der Abschirmungsparameter (22Ne/21Ne)c, können helfen bei der Entscheidung, wo die Vorbestrahlung stattfand, sind jedoch nicht eindeutig. Bei NWA 852 und El Djouf 001 lässt dominanter Sonnenwind in der Matrix auf eine Vorbestrahlung im Mutterkörperregolith schließen. Die erheblich längere Vorbestrahlung und die meist höheren Konzentrationen an implantierten (solaren) Gasen in NWA 852-Chondren im Vergleich zu El Djouf 001-Chondren können darauf schließen, dass sich die NWA 852-Chondren in einer oberflächennahen Position (bis zu 1 oder 2 m tief) im CR-Meteoritenmutterkörper befunden haben, während die El Djouf 001-Chondren wesentlich tiefer vor kosmischer Bestrahlung abgeschirmt waren und nur eine kürzere Zeit in einer oberflächennahen Position verbrachten. Dahingegen können die stark variierenden T21-1.11 CRE-Alter der MET 00426- und QUE 99177-Chondren auf eine Vorbestrahlung als freifliegende Objekte im solaren Nebel hindeuten. Besonders für QUE 99177, dem Sonnenwind-implantierte Edelgase fehlen, erscheint eine Vorbestrahlung im solaren Nebel als sehr wahrscheinlich.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Trieloff, Prof. Dr. Mario
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 25 July 2014
Date Deposited: 26 Sep 2014 10:48
Date: 2014
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
Controlled Keywords: Meteorit, Chondren, Edelgase, Bestrahlung, Bestrahlungsgeschichte, Vorbestrahlung, Meteoritenmutterkörper
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