UV femtosecond laser ablation applied to Fe and Si isotope variations in Precambrian iron formations [Elektronische Ressource] / von Grit Steinhöfel

Grit Steinhöfel

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• Publié par: gottfried_wilhelm_leibniz_universitat_hannover
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 34
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 13 Mo

Extrait

UV femtosecond laser ablation applied to Fe and Si
isotope variations in Precambrian iron formations



Von der Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover

zur Erlangung des Grades

DOKTORIN DER NATURWISSENSCHAFTEN
Dr. rer. nat.




genehmigte Dissertation
von
Dipl.-Geol. Grit Steinhöfel
geboren am 30.09.1977 in München


2009

1




















Referent: Prof. Dr. Friedhelm von Blanckenburg (Leibniz Universität Hannover)
Koreferent: Prof. Dr. Kurt Konhauser (University of Alberta, Canada)

Mitglieder der Prüfungskommission:
Prof. Dr. Carla Vogt (Vorsitzende)
Prof. Dr. Friedhelm von Blanckenburg
PD Dr. Axel Schippers

Tag der Promotion: 13.02.2009
2





Erklärung zur Dissertation





Hierdurch erkläre ich, dass die Dissertation „UV femtosecond laser ablation applied to Fe and
Si isotope variations in Precambrian iron formations“ selbstständig verfasst und alle benutzten
Hilfsmittel sowie evtl. zur Hilfeleistung herangezogene Institutionen vollständig angegeben
wurden.

Die Dissertation wurde nicht schon als Diplom- oder ähnliche Prüfungsarbeit verwendet.

Hannover, den 18. Dezember 2008





Grit Steinhöfel
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Danksagung

An dieser Stelle möchte ich mich bei allen Leuten bedanken, die zum Gelingen dieser Arbeit
beigetragen haben. Insbesondere danke ich Ingo Horn und Friedhelm von Blanckenburg, die
dieses Projekt initiiert haben und mir ermöglicht haben, mich mit neuer faszinierender
Lasertechnik und alten geologischen Fragestellungen zu beschäftigen. Zahlreiche intensive
Diskussionen und Hilfe bei allen analytischen Schwierigkeiten haben maßgebend zum Gelingen
dieser Arbeit beitragen. Anregungen von Kurt Konhauser, Nic Beukes und Jens Gutzmer haben
geholfen die Genese gebänderter Eisenerze besser zu verstehen.
Probenmaterial wurde von Thomas Oberthür, Frank Melcher, Kurt Konhauser, Nic Beukes und
Igor Villa zur Verfügung gestellt. Paul Königer vom Leibniz Institut für Geowissenschaftliche
Gemeinschaftsaufgaben, Hannover, hat freundlicherweise die C Isotopenmessungen
durchgeführt. Mikrobeprobungen konnte ich an der Georg-August Universität Göttingen bei
Andreas Konz durchführen. Bei Otto Diedrich bedanke ich mich für die exzellente und schnelle
Probenpräparation. Die Mitarbeiter der Werkstatt, insbesondere Willi Hurkuck und Bettina
Aichinger, waren immer hilfreich bei technischen Belangen. Außerdem möchte ich mich bei
Wanja Dziony, Kirsten Möller und Alexandra Tangen für die Hilfe bei Laborarbeiten in letzter
Minute sehr bedanken. Kevin Norton und Jan Schüssler sei gedankt für das umsichtige
Durchlesen dieser Arbeit.
Meine Büromädels Monika Gülke und Sonja Zink haben dafür gesorgt, dass das Leben nicht auf
der Strecke bleibt. Sie haben mich auch immer auf dem Laufenden gehalten und kleine und
größere organisatorische Dinge für mich erledigt, wenn ich nicht in Hannover sein konnte –
besten Dank dafür!
Außerdem möchte ich mich bei der ganzen ehemaligen ‚Isotopen’ Gruppe der Uni Hannover
bedanken für die anregenden Diskussionen, analytischen Hilfestellungen und anderweitigen
Aktivitäten. Es hat mir immer großen Spaß gemacht, in Hannover zu arbeiten.
Zu Allerletzt möchte ich mich noch bei meiner Familie bedanken, die mich immer unterstützt
hat und gerne mal auf die kleine Helena aufgepasst hat.
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Contents

Danksagung ………………………………………………………….…….……. 5
Zusammenfassung ………………………………………………………………. 11
Abstract ………………………………………………………………….………. 14

1 Introduction 17
1.1. Overview and Fundamentals …………………………………………………..… 17
1.1.1. Theory of stable isotope fractionation ………………………………..…... 18
1.1.2. Natural Fe isotope variation …………………………………………..….. 24
1.1.3. Natural Si isotope variation ………………………………………………. 29
1.2. Laser Ablation …………………………………………………………………… 33
1.2.1. Comparison between femtosecond and nanosecond laser ablation ………. 34
1.2.2. Elemental and isotope fractionation during laser ablation ICP-MS ……… 41
1.2.3. Laser ablation instrumentation …………………………………………… 45
1.3. Precambrian Iron Formation …………………………………………………….. 51
1.3.1. Nature and depositional environment of iron formations ………………… 51
1.3.2. Geochemical Si cycle during iron formation deposition
and the Precambrian Si isotope record …………………………………… 52

1.3.3. Geochemical Fe cyation deposition ………………… 54
1.3.4. The Precambrian Fe isotope record ………………………………………. 58


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2 Matrix-independent stable Fe isotope ratio determination using
UV femtosecond laser ablation ICP-MS 65

2.1. Introduction ……………………………………………………………………... 66
2.2. Methods ……...………………………………………………………………….. 67
2.3. Results …………………………………………………………………………... 71
2.4. Discussion ………………………………………………………………………. 73
2.4.1. Isobaric Cr interference ………………………………………………….. 74
2.4.2. Variable mass load in the ICP-MS ………………………………………. 75
2.4.3. Precision and accuracy …………………………………………………... 75
2.5. Conclusions ……………………………………………………………………... 77

3 Micro-scale tracing of Fe and Si isotope signatures in banded iron formation using
femtosecond laser ablation 79

3.1. Introduction …………………………………………………………………….. 80
3.2. Investigated BIF ………………………………………………………………... 81
3.3. Methods ………...………………………………………………………………. 87
3.3.1. In situ LA-ICP-MS …………………………………………………….... 88
3.3.2. Solution ICP-MS ………………………………………………………... 91
3.4. Results …………………………………………………………………………... 92
3.4.1. Fe isotope composition ……………………………………………….…. 92
3.4.2. Si isotope composition ………………………………………………..…. 94
3.5. Discussion ……………………………………………………………………….. 98
3.5.1. Significance of bulk Fe and Si isotope composition in the
Old Wanderer Iron Formation …………………………………………… 98

3.5.2. Diagenesis and the formation of magnetite and iron carbonate …………. 103
3.5.3. The significance of zoned magnetite crystals ……………………………. 106
3.6. Conclusions ……………………………………………………………………… 107
8
4 Deciphering formation processes of banded iron formations from the Transvaal and
the Hamersley successions by combined Si and Fe isotope analysis using UV
femtosecond laser ablation 109

4.1. Introduction ……………………………………………………………………… 110
4.2. Geological Background ………………………………………………………….. 112
4.3. Sample Description ……………………………………………………………… 113
4.4. Methods ………………………………………………………………………….. 116
4.5. Results …………………………………………………………………………… 117
4.5.1. Fe isotope composition …………………………………………………... 117
4.5.2. Si isotope composition …………………………………………………… 119
4.5.3. C isotope composition ……………………………………………………. 119
4.6. Discussion ……………………………………………………………………...... 125
4.6.1. Seawater to sediment cycling of Si and Fe ……………………………… 125
4.6.2. Formation of Fe-bearing minerals ……………………………………….. 132
4.7. Conclusions ……………………………………………………………………… 136

References ………………………………………………………………………. 139
Curriculum Vitae………………………………………………………………… 167
Publications ……………...……………………………………………………… 169
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