neodymium isotopes and evolution of early - ETH E

Diss. ETH No. 21120
NEODYMIUM ISOTOPES AND EVOLUTION
OF EARLY TERRESTRIAL CRUST
A Dissertation Submitted to
ETH ZURICH
For the Degree of
Doctor of Sciences
Presented by
Antoine Simon Georges ROTH
MSc ETH in Earth Sciences
Born 01.10.1982
Citizen of Bière VD
Accepted on the Recommendation of:
Prof. Dr. Rainer Wieler
Prof. Dr. Bernard Bourdon
Prof. Dr. Maria Schönbächler
Prof. Dr. Bernard Marty
2013
Summary
The evolution of early terrestrial crust was investigated using the coupled 147,146 Sm143,142
Nd systems. With its short half-life of 68 Ma, the extinct 146 Sm-142 Nd system
is highly sensitive to early silicate Earth differentiation taking place prior to about
4100 Ma. Isotopic compositions of Nd and the concentrations of Sm and Nd in wholerock samples were measured by Thermal Ionisation Mass Spectrometry (TIMS) and
Multiple Collector - Inductively Coupled Plasma - Mass Spectrometry (MC-ICP-MS),
respectively. A dynamic acquisition scheme during TIMS analyses allowed gain biases
caused by the degradation of the Faraday detectors to be cancelled out and yielded
an external precision of ±4.3 ppm (2 SD; n = 50) with a mean 142 Nd/144 Nd value of
1.1418357 for the JNdi-1 Nd standard. Preparation of rock samples (wet chemistry)
involved the separation of Nd from its matrix and in particular from Sm and Ce to
lower isobaric interferences to negligible levels during analyses.
Our new 147,146 Sm-143,142 Nd data for the pre-3750 Ma Nuvvuagittuq Supracrustal
Belt (Canada) confirmed the 142 Nd deficits as low as -15 ppm reported by O’Neil
et al. (2008). Based on the 146 Sm-142 Nd system, these authors derived a Hadean age
of 4362 Ma, which was at odds with younger 147 Sm-143 Nd records and U-Pb zircon
geochronology. We reconciled this discrepancy by partial Nd isotope equilibration of
rocks associated with the emplacement of the belt at ca. 3750 Ma. The 146 Sm-142 Nd
systematics for Nuvvuagittuq thus represents the inheritance of an early-enriched crust
with Hadean model age of up to ca. 4500 Ma. New 176 Lu-176 Hf data acquired by
Dr M. Guitreau (ENS in Lyon) yielded a consistent Eoarchean age of 3864±70 Ma.
Combined Nd-Hf data defined a mixing hyperbola at ca. 3800 Ma with end-member
compositions representative of the compositional groups for the Nuvvuagittuq rocks.
Deficits in 142 Nd could have developed in response to the formation of enriched melts
with low Sm/Nd ratios in a fractionated mantle domain at ca. 4500 Ma.
Our new 147,146 Sm-143,142 Nd data for the ancient Acasta Gneiss Complex (Canada)
yielded a 143 Nd age of ca. 3400 Ma with initial 143 Nd of -5.6±2.1 and 142 Nd deficits
of -9.6±4.8 ppm (2 SD) for the oldest ca. 4000 Ma rocks. We reconciled the age
discrepancy between the Paleoarchean 147 Sm-143 Nd record and the Eoarchean U-Pb
zircon chronology by partial Nd isotope equilibration of rocks associated with a meta-
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Summary
morphic event at ca. 3400 Ma. A Hadean model age of ca. 4300 Ma was derived for
the early-crust from which Acasta rocks inherited low 143 Nd and 142 Nd compositions.
This early crust is 190 Ma younger than those reported in Nuvvuagittuq and Isua
and did not show the decoupled Nd-Hf pattern characteristics of the crystallization
of an early magma ocean. This suggests that formation and recycling of early crust
happened over short timescales.
Our new 147,146 Sm-143,142 Nd data for the 1.48 Ga Khariar alkaline rocks (India) did
not confirm the 142 Nd deficits as low as -13 ppm reported by Upadhyay et al. (2009).
Rapid sample fractionation during TIMS analyses has biased 142 Nd data toward negative values relative to the terrestrial standard in that study. After applying an approximate correction for this effect, only one of the samples retained a small negative
142
Nd anomaly. This, in conjunction with the new anomaly-free data measured at
low fractionation rates, led to the conclusion that the earlier reported anomalies are
analytical artifacts. The absence of negative 142 Nd anomalies in these rocks relaxes
the need for a mechanism (other than crust formation) that can isolate a Nd reservoir
from the convective mantle for billions of years.
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Résumé
L’évolution de la croûte terrestre précoce a été étudiée avec les systèmes couplés du
147,146
Sm-143,142 Nd. Avec une période radioactive courte de 68 Ma, le système éteint
du 146 Sm-142 Nd est très sensible à la différentiation silicatée de la terre précoce avant
environ 4100 Ma. La composition isotopique du Nd et les concentrations en Sm et Nd
des roches totales ont été mesurées par spectrométrie de masse TIMS (Thermal Ionisation Mass Spectrometry) et MC-ICP-MS (Multiple Collector - Inductively Coupled
Plasma - Mass Spectrometry), respectivement. Un schéma d’acquisition dynamique
durant les mesures TIMS a permis d’annuler le biais des gains causés par la dégradation
des détecteurs de Faraday. Une précision externe de ±4.3 ppm (2 SD; n = 50) et un rapport 142 Nd/144 Nd moyen de 1.1418357 ont été obtenus pour le standard de Nd JNdi-1.
La préparation des échantillons de roche (chimie en solution aqueuse) a nécessité la
séparation du Nd de la matrice, en particulier du Sm et du Ce, afin de réduire les
interférences isobares à des niveaux négligeables pendant les analyses.
Nos nouvelles données en 147,146 Sm-143,142 Nd pour la chaı̂ne de croûte supérieure de
Nuvvuagittuq (Canada) d’un âge minimum de 3750 Ma ont confirmé les déficits en
142
Nd de -15 ppm rapportés par O’Neil et al. (2008). Ces auteurs avaient conclu à
un âge Hadéen de 4362 Ma sur la base du système 146 Sm-142 Nd qui est en désaccord
avec les enregistrements plus jeunes du 147 Sm-143 Nd et de la chronologie U-Pb dans les
zircons. Nous avons réconcilié cette différence d’âge par une équilibration des isotopes
du Nd dans les roches de la chaı̂ne associée à son emplacement à ca. 3750 Ma. La
systématique du 146 Sm-142 Nd de Nuvvuagittuq représente ainsi un héritage de croûte
précoce enrichie d’un âge modèle Hadéen de ca. 4500 Ma. Les nouvelles données en
176
Lu-176 Hf acquises par Dr M. Guitreau (ENS de Lyon) donnent un âge Eoarchéen
cohérent de 3864±70 Ma. Les données combinées en Hf-Nd définissent une hyperbole
de mélange à ca. 3800 Ma avec des compositions extrêmes similaires à celles des roches
de Nuvvuagittuq. Les déficits en 142 Nd se sont certainement développés en réponse à
la formation de magmas enrichis avec des rapports Sm/Nd bas à partir d’une portion
fractionnée de manteau à ca. 4500 Ma.
Nos nouvelles données en 147,146 Sm-143,142 Nd pour le complexe gneissique d’Acasta
(Canada) donnent un âge 147 Sm-143 Nd de ca. 3400 Ma avec un initial 143 Nd de
ix
Résumé
-5.6±2.1 et des déficits en 142 Nd de -9.6±4.8 ppm (2 SD) pour les roches les plus
anciennes d’âge ca. 4000 Ma. Cette différence d’âge Paléoarchéen pour le 147 Sm143
Nd, et Eoarchéen pour la chronologie U-Pb dans les zircons, a été réconciliée par
une équilibration des isotopes du Nd dans les roches d’Acasta associée à un évènement
métamorphique à ca. 3400 Ma. Un âge modèle Hadéen de ca. 4300 Ma a été estimé
pour la croûte précoce enrichie qui a donné aux roches d’Acasta leurs compositions
basses en 143 Nd and 142 Nd. Cette croûte précoce est plus jeune de 190 Ma que celles
observées à Nuvvuagittuq et Isua et ne montre pas de signature découplée en Nd-Hf
caractéristique de la cristallisation d’un océan de magma précoce. Cela suggère que la
formation et le recyclage de la croûte précoce se sont produits à des échelles de temps
réduits.
Nos nouvelles données en 147,146 Sm-143,142 Nd pour les roches alkalines de Khariar
(Inde) d’un âge de 1.48 Ga n’ont pas confirmé les déficits en 142 Nd de -13 ppm rapportés par Upadhyay et al. (2009). Un fractionnement rapide des échantillons lors
des analyses TIMS avait biaisé leurs données en direction de valeurs anormalement
basses comparées à celle de leur standard terrestre. Après avoir corrigé de manière
approximative leurs données de cet effet, seulement un de leurs échantillons retient
une petite anomalie négative. Ceci, en conjonction avec les nouvelles données sans
anomalies mesurées à des taux de fractionnement suffisamment bas pour ne pas causer
de biais, conduit à la conclusion que les anomalies rapportées avaient été le produit
d’un artefact analytique. L’absence d’anomalies négatives en 142 Nd dans ces roches
affranchit du besoin d’un mécanisme (autre que celui de la formation de croûte) qui
peut isoler un réservoir de Nd du manteau convectif durant des milliards d’années.
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