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Tracking planet formation, differentiation and the moon-forming giant impact: an integrated approach using non-traditional stable isotopes

English title Tracking planet formation, differentiation and the moon-forming giant impact: an integrated approach using non-traditional stable isotopes
Applicant Schönbächler Maria
Number 179129
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Geochemie und Petrologie ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Geochemistry
Start/End 01.04.2018 - 31.03.2022
Approved amount 880'000.00
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Keywords (6)

stable isotopes; volatile elements; Moon formation; isotope fractionation; meteorites; crustal evolution

Lay Summary (German)

Lead
Vor 4.5 Milliarden Jahren bildete sich die Erde durch die Kollision von kleineren planetaren Körpern und Trümmerteilen, wie wir sie auch heute noch im Asteroidengürtel finden können. Der letzte grosse Wachstumsschritt der Erde war eine riesige Kollision der frühen Erde mit einem Körper von der Grösse des Mars, welche zur Entstehung des Mondes führte. Es ist von fundamentaler Bedeutung, die frühe Wachstumsgeschichte der Erde und die chemische Zusammensetzung der Bausteine der Erde zu kennen, um verstehen zu können, wie ein bewohnbarer Planet entstehen kann und wie wir nach bewohnbaren Exoplaneten ausserhalb unseres Sonnensystem suchen können.
Lay summary

Dieses Forschungsprojekt hat drei Teile. Im ersten Teil ist das Ziel mit Hilfe von Isotopenanalysen zu bestimmen, wie und wann moderat flüchtige Elemente auf die Erde kamen. Dies erlaubt Rückschlüsse, wann Wasser auf die Erde kam – eine Grundvoraussetzung für die Entwicklung von Leben. Zweitens werden wir irdische und Mondgesteine analysieren, um das Ursprungsmaterial von Erde und Mond zu bestimmen mit Hilfe von sogenannten nukleosynthetischen Isotopenanomalien. Im dritten Teil, werden wir hochpräzise Titanisotopenanalysen durchführen, um die Entstehung der Kruste der Erde und von Asteroiden besser zu verstehen.

Dieses Projekt erlaubt ein vertieftes Verständnis über den Zeitpunkt an dem flüchtige Elemente auf die Erde gekommen sind. Es wird unser Wissen über die wichtigen chemischen und physikalischen Prozesse erweitern, die während der Bildung der Erde und der nachfolgenden Entwicklung von Mantel und Kruste vorherrschten.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.11.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
169177 Determining the Earth’s heterogeneous accretion history and the survival of mantle heterogeneities using Cr isotopes 01.10.2016 Project funding (Div. I-III)
149282 Probing the origin of the Moon with non-traditional stable isotopes 01.04.2014 Project funding (Div. I-III)

Abstract

This proposal addresses fundamental questions related to planet formation. They are divided in three subprojects.(i) Volatile depletion of planets: Rocky planets and asteroids are depleted in volatile elements relative to CI chondrites and the Sun. It is a long-standing question, when and how these volatile budgets were established, because volatiles significantly influence the physicochemical conditions for magmatism or core formation and thus the evolution of a planet. Stable isotopes of moderately volatile elements (MVE) are powerful tools to shed light on this issue because they can be fractionated as a function of mass by the evaporation and condensation processes that modified the volatile budget. Recently a relationship was proposed between volatile content and Zn isotope composition with escape velocity (=size) of a body. Small bodies (e.g. the Moon) could not retain their atmospheres during the magma ocean stage due to low gravity and lost MVE through degassing, while larger bodies (e.g. Earth) mainly retained their hot atmospheres. To test this idea, we will analyse isotopes of MVE in samples from Earth, Mars and Vesta (eucrites). The results will yield important insights into the mechanism of volatile depletion of rocky bodies. (ii) The origin of the giant impactor Theia: Distinct nucleosynthetic anomalies are inherent to each meteorite parent body, Mars and the Earth. They can be used for provenance studies of planetary building blocks. The two bodies with identical composition are Earth and Moon. The Earth’s Moon formed through a collision of protoEarth with a body called Theia. In the past, we used nucleosynthetic Zr isotope data to trace the origin of Theia. Our study showed that Theia likely originated from close to the Earth. Here, we extend the study to other elements, which carry nucleosynthetic anomalies, to further constrain source material and mixing processes during the giant impact.(iii) Mechanisms of magmatic Ti isotope fractionation on terrestrial planets and asteroids: Recent studies show that Ti isotopes fractionate during magmatic differentiation. Thus Ti isotopes may be a powerful tool to track such processes on rocky bodies. The effects were attributed to preferential incorporation of light Ti isotopes in Ti-oxides during fractional crystallization. Our new Ti data on Ti-oxides confirm this idea, but also show that oxides cannot account for the total observed fractionation. Here, we will carry out a systematic Ti isotope study on mineral separates from lunar basalts and terrestrial peridotites. This will serve to determine fractionation factors between minerals. We will also assess the effects of melt percolation and diffusion on mantle rocks. The results will provide improved constraints on magmatic differentiation processes.
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