Titan ist ein relativ häufiges Nebenelement. Während einige Silikate größere Mengen an Titan enthalten können (Titanit, Ca-reiche Amphibole), so sind die häufigsten Ti-reichen Phasen die Ti-Oxide, wie Ilmenit und Rutil. Als in den meisten Silikatmineralen inkompatibles Element wird Ti während der fraktionierten Kristallisation eines Magmas in der Schmelze angereichert. Der stetig steigende Titangehalt in der Schmelze führt dazu, dass ab einem gewissen Ti-Gehalt Titanoxide aus der Schmelze auskristallisieren. Die niedrigere räumliche Koordination von Ti relativ zur höheren Koordination im Kristallgitter der Oxide führt zu einem bevorzugten Einbau der leichten Ti-Isotope in das Kristallgitter der Oxide. Folglich wird während der Kristallisation die zurückbleibende Schmelze stetig an schwereren Ti-Isotopen angereichet, wodurch es möglich wird, anhand von Ti-Isotopen die Entwicklung eines magmatischen Systems nachzuvollziehen.
Hochpräzise Messungen von Ti-Isotopenzusammensetzungen werden mit der sogenannten Doppelspike-Methode durchgeführt. Ein Doppelspike ist eine künstlich hergestellte Lösung, in der die Häufigkeiten zweier Ti-Isotope stark erhöht sind, wohingegen die Häufigkeiten der übrigen Ti-Isotope stark verarmt sind. Sobald diese Isotopenverhältnisse in der Lösung sehr genau bekannt ist, wird sie zu einer unbekannten Probe hinzugegeben und nach chemischer Abtrennung störender Elemente und massenspektrometrischer Bestimmung der Mischung, kann daraus durch iterative Berechnungen die Ti-Isotopenzusammensetzung der unbekannten Probe relativ zu einem Referenzmaterial sehr genau und präzise bestimmt werden.
Diese Monographie beschreibt die Implementierung der Ti-Doppelspike-Isotopenverdünnungsmethode in der Arbeitsgruppe Geo- und Kosmochemie der Universität zu Köln (KAPITEL 2). Neben dem Doppelspike wird zusätzlich ein weiteres Referenzmaterial, welches dem etablierten „Origins Lab“-Ti-Standard ähnelt, kalibriert. Weiterhin werden die chemischen Trennverfahren und massenspektrometrischen Protokolle entwickelt und angepasst, um die höchstmögliche Präzision der Methode an dem Neptune Plus Multi-Kollektor-Plasmaquellen-Massenspektrometer sicherzustellen. Nach der erfolgreichen Kalibrierung der Chemikalien und der Messprotokolle werden diese angewendet, um die Ti-Isotopenzusammensetzung von Mondgesteinen sowie terrestrischen Gesteinen zu bestimmen.
Die in KAPITEL 3 vorgestellten Ergebnisse erweitern die vorhandenen Ti-Isotopendaten für Mondgesteine und erlauben das genauere Bestimmen der Ti-Isotopenzusammensetzung der postulierten urKREEP-Komponente, der letzten Flüssigphase vor Erstarren des lunaren Magmaozeans (angereichert an inkompatiblen Elementen wie K, den Seltenen Erden, sowie P). Zusätzlich zu den Analysen wird die Ti-Isotopenzusammensetzung der urKREEP-Komponente durch Modellrechnungen bestimmt. Diese sind im Rahmen der Unsicherheiten identisch mit den hier gemessenen Daten und vorangegangenen Arbeiten. Titan-Isotopenzusammen-setzungen der „low-Ti“ und „high-Ti“ Mare Basalte zeigen deutliche Variationen, welche wahrscheinlich durch den petrogenetischen Entstehungsprozess der Gesteine entstanden sind. Während die vermutete „low-Ti“ Mare-Basalt-Magmenquelle der mafische Mantel des Mondes ist, benötigen die „high-Ti“ Mare-Basalte für ihre Entstehung die Gegenwart einer Ti-reichen Phase in der Magmenquelle, wie Ilmenit. Damit ist die Quellregion höchstwahrscheinlich eine Mischung aus dem mafischen Mantel und den Ilmenit-reichen Kumulaten. Die beobachteten Variationen in Ti-Isotopenzusammensetzungen in „high-Ti“ Mare-Basalten sind, gekoppelt mit „High Field Strength Element (Elemente mit hoher Valenz und kleinem Ionenradius)“ Daten, auf das partielle Schmelzen eines Ilmenit-reichen Kumulats zurückzuführen. Die Ti-Isotopenvariationen innerhalb der „low-Ti“ Mare-Basalt Gruppen sind auf fraktionierte Kristallisation von Ilmenit vor der Eruption des Magmas oder das Ausbleiben dieses Prozesses zurückzuführen. Mittels Verteilungskoeffizienten sowie möglichen Zusammensetzungen der „high-Ti“ Quellregionen, welche wiederum auf verschiedenen Magmaozean-Kristallisations-modellen basieren, wird das partielle Schmelzen des mafischen Mantels (ohne Ilmenit) oder der Ilmenit-reichen Kumulate modelliert. Die berechneten Trends stimmen mit den hier gemachten Beobachtungen überein und unterstreichen, dass die Variationen in „high-Ti“ und „low-Ti“ Mare-Basalten auf das partielle Schmelzen eines Ilmenit-reichen Kumulats und fraktionierte Kristallisation von Ilmenit zurückzuführen sind. Weiterhin kann, basierend auf den Ergebnissen dieser Studie, eine Petrogenese der „high.Ti“ Mare-Basalte durch Assimilation einer Ilmenit-reichen Komponente in ein „low-Ti“ Magma ausgeschlossen werden.
In Kapitel 4 wurden Proben verschiedener Subduktionszonen, sowie dazugehörige Boninite und Sedimentproben gemessen. Titan-Isotopenzusammensetzungen mit zusätzlichen Spurenelement- und High Field Strength Element-Daten zeigen, das wasserreiche Schmelzen des subduzierten Sediments keinen Einfluss auf die Ti-Isotopenzusammensetzung haben. Vielmehr liegt der Grund für die beobachteten Variationen wahrscheinlich in der An- beziehungsweise Abwesenheit von Ti-reichen Oxiden während des partiellen Schmelzens des subduzierten Materials. Weiterhin zeigen die systematisch schwereren Ti-Isotopen-zusammensetzungen der boninitischen Proben relativ zu den dazugehörigen Tholeiiten, dass das partielle Schmelzen des verarmten Mantelkeils in der Gegenwart von Cr-reichem Spinell zu Ti-Isotopenfraktionierung führt. Anders als frühere Studien deuten die Ergebnisse in dieser Arbeit auch darauf hin, dass Amphibole Ti-Isotope fraktionieren können, was bisher nicht beobachtet wurde.
Diese Monographie stellt heraus, dass die Kombination von High Field Strength Element-Daten mit Ti-Isotopendaten weitreichende Einblicke in die petrogenetischen Prozesse von Mondgesteinen und terrestrischen Gesteinen erlauben. Zusätzlich deuten terrestrische Ti-Isotopenvariationen in einer Lokalität darauf hin, dass neben Ti-reichen Oxiden auch einige silikatische Minerale, genauer Amphibole, Ti-Isotope fraktionieren können. Dies unterstreicht nur noch mehr die Notwendigkeit, Ti-Isotopenfraktionierungsfaktoren für silikatische Minerale zu bestimmen
