28. mai 2008 b. bourdon, a. stracke / institute of isotope geochemistry and mineral resources ein...

28. Mai 2008 B. Bourdon, A. Stracke / Institute of Isotope Geochemistry and Mineral Resources

Ein geochemisches Quiz als Vorbereitung zur Prüfung

Bernard Bourdon Andreas Stracke


Frage 1 (Wert: 10 CHF)

Woher wissen wir, wann der Erdkern entstand?

(1) Wir haben keine Ahnung!

(2) Wir können Sm-Nd Isotope verwenden

(3) Wir können Hf-W Isotope verwenden


Man kann das Alter des Erdkerns mit Hf-W Isotopen bestimmen.

-4

-2

0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120 140

Zeit in Ma

Series1Series2Series3Series4Series510

20

3050 Chondrite

mantle

182

W

Erdmantle


Frage 2 (Wert 100 CHF)

Warum ist Eisen das häufigste Element in der Erde?

(1) Eisen ist seit dem Urknall anwesend

(2) Eisen hat die höchste Bindungsenergie

(3) Eisen ist sehr nützlich für die Menschheit


Eisen hat die höchste Bindungsenergie pro Nukleon. Im Sonnensystem ist Fe häufig als Folge der stellaren Nukleosynthese.

A

56Fe


Eisen ist refraktär während der Akkretion: es entweicht nicht.


Frage 3 (Wert: 1000 CHF) Warum ist Wasserstoff das häufigste Element in

Jupiter?

(1) Weil Wasserstoff refraktär ist.

(2) Weil Jupiter im kalten Gebiet liegt

(3) Weil Jupiter gross ist

(4) Weil Wasserstoff ein häufiges Element in der Sonne ist


Jupiter ist H-reich, weil seine Dichte niedrig ist.


Jupiter liegt in einem Gebiet, wo die Temperatur während der Akkretion kalt war.

Mercury

Venus

EarthMars

Jupiter

Saturn

Aufgrund der Eis-Kondensation enstehen

die Gasplaneten



Was ist das 'Tal der Stabilität?

(1) Eines ruhiges Tal im Wallis

(2) Eine Zone auf der Nuklidkarte

(3) Eine Nuklidgruppe, die eine kleine Bindungsenergie hat.


Die NuklidkarteProton

enan

zahl

Z=N

β+ or EC

β-

α

Isobar A=100

Isobar A=150

Neutronenanzahl


Frage 5 (1000 CHF)

Welche Hauptprozesse steuern die Zusammensetzung des Meerwassers?


Ion Fluss Atm Evap Ton Karb Opal Sulfide MOR

Cl 5.8 1.1 4.7

Na 8.3 0.9 4.7 0.8

Mg 5.0 0.1 0.6 4.9

SO4 3.2 1.2 1.2

Ca 11.9 1.2 -0.5 17 -4.8 (input)

HCO3 30.6 34 -2.4

Si 5.8 7.0 -1.1 (input)

Globale Quellen und Senken für Hauptelemente im Meerwasser (in 1012 mol/yr)

Rot=Senke, Ton: Kationenaustausch in Estuaren, Evap: Evaporite, MOR: Mittelozeansiche Rücken (hydrothermale Aktivität), Atm: Luft-Wasser Austausch, Karb: Karbonate.


Frage 7 (CHF 10)

Warum sind die Ozeane salzig?

(1) Weil die Ozeane sehr alt sind. (2) Weil Salz löslich ist. (3) Weil Salz in den Ozeanen akkumuliert wird.


Antwort: Die Ozeane sind salzig, weil die gelösten

Bestandteile aus der Verwitterung mit Flüssen ins Meer transportiert werden. Die Salinität nimmt mit zunehmender Verdunstung zu und mit Regen und Schmelze des Eis nimmt ab. Die Hauptquellen der Elemente sind die ozeanische (hydrothermale Zirkulation) und kontinentale Kruste (Flüsse).


Frage 6 (10'000 CHF)

Was erklärt die Veränderung des 13C/12C Verhaltnis, während des Karbons?

(1) Eine grössere Einlagerung von organischem Kohlenstoff

(2) Der grössere O2 Partialdruck der Atmosphäre

(3) Die schnellere Verwitterung der Kruste


Antwort Es gab eine grössere Einlagerung von

organischem Kohlenstoff, wodurch auch weniger O2 durch Photosynthese verbraucht wird.



Warum ist die Häufigkeit des Eisens so niedrig im Flusswasser?


Die Solubilität des Eisens in Lösungen ist tief.

Im pH-Bereich von Flusswasser ist die Fe-Solubilität sehr tief.


Frage 9 (CHF 10'000 CHF)

Welche Argumente sprechen für die sog. Late Veneer Hypothese?


Die Hypothese des Late Veneers basiert auf der Häufigkeit der siderophilen Elementen

Drake, 2000

Die Häufigkeit des HSE kann nicht mit Silikat-Metall Gleichgewicht erklären werden.

Die HSE sind nach der Kerntrennung angekommen!



Warum enden die Fusionreaktionen in Riesen-Sternen?


Während der stellaren Nukleosynthese werden schwere Elemente in grossen Sternen produziert.


Für schwere Elemente ist die Coulombbarriere zu hoch!

Die Energie W, die benötigt wird um zwei Ladungen, die anfangs undendlich weit auseinander sind zusammenzu- bringen beträgt:

Die elektrostatische Abstossung zwischen positiven Ladungen im Kern (Coulombbarriere) muss überwunden werden, um Kerne zu fusionieren. Die elektrische Abstossungskraft dominiert bei grossen Entfernungen zwischen den Nukleonen, während die starke Kernkraft bei kurzen Abständen überwiegt.


Frage 11 (Wert 10'000 CHF)

Wie kann man zeigen, dass U und Th nicht durch den s-prozess gebildet werden?

(1) Es gibt keinen stabilen Nuklide bis U und Th im Tal der Stabilität.

(2) U und Th sind radioaktiv

(3) Die Bindungsenergie von U und Th ist nicht ausreichend.


Es gibt keine stabile Nuklide nach 209Bi. s-process findet nur statt wenn stabile Nuklide vorhanden sind, deshalb ist der r-process die einzige Möglichkeit um U und Th zu produzieren.

Die Nuklidkarte

http://en.wikipedia.org/wiki/Table_of_nuclides_%28segmented%2C_narrow%29


Frage 12

Warum ist der obere Mantel an inkompatiblen Elementen verarmt?


Antwort Durch partielles Schmelzen verarmt der obere Erdmantel an inkompatiblen

Elementen, welche letztendlich in der kontinentalen Kruste eingelagert werden.


Frage 13

Warum sind Ca2+ und HCO3- die Hauptbestandteile in

Flusswasser?


AntwortDie Häufigkeit von Ca2+ und HCO3

- in Flusswasser ist eine Folge des grossen Einflusses der Karbonatverwitterung, die durch die Häufigkeit von Karbonatgesteinen an der Oberfläche und deren Verwitterungsanfälligkeit bedingt ist.


Frage 14

Warum hat die Verbrennung von fossilen Brennstoffen zu einem Ungleichgewicht im Kohlenstoffkreislauf geführt?


AntwortDie Verbrennung von fossilen Brennstoffen führt zu einer schnellen Freisetzung von organischem Kohlenstoff C der in einem langzeitigen Kohlenstoffreservoir gespeichert ist.


Frage 15

Die Verteilung von Elementen zwischen der Kruste und dem Mantle ist abhängig von der Zusammensetzung und dem Druck und der Temperatur . Warum ist das der Fall?


Antwort:

Die Verteilung von Elementen ist ein thermodynamischer

Prozess, der durch die Elementverteilungskoeffizienten

gesteuert wird, welche abhängig sind von der

Zusammensetzung des Systems und dem Druck und der

Temperatur.


Frage 16

Aufgrund seines Ionenradiuses und seiner Ladung sollte W in Wasser schwer löslich sein. Warum ist W trotzdem ein sehr häufiges Element in Flusswasser?


Antwort

W hat eine hohe Polarisierbarkeit (log Z2/r >1.3), was dazu

führt das es eine leicht löslichen WO4 2-Komplex bildet.


Frage 17:

Wie sind kompatible und inkompatible Elemente definiert?


Antwort 17:

Xsolid und Xmelt = Konzentration von Element I in Schmelze und Mineral.

Dim-n

xisolid

ximelt exp( G0

m n

RT)


Frage 18:

Warum enthält die kontinentale Kruste etwa 40% der gesamten Alkali Element der Erde obwohl sie nur etwa 0.4% der Erdmasse ausmacht?


Antwort :

Die kontinentale Kruste ist an inkompatiblen Elementen angereichert, da sie durch Schmelzen des Erdmantels entstand. Dabei gelangen die inkompatibelsten Elemente, wie z.B. die Alkalimetalle bevorzugt in die Schmelze.


Frage 19: Welche Aussage lässt sich anhand der Spurenelement-zusammensetzung über

den Aufschmelzgrad und die Aufschmelztiefe der beiden Basalte machen?

Tipp: Man kann die vereinfachte Annahme machen, dass beide Gesteine aus derselben Quelle stammen


Antwort 19:

Der Ozeaninselbasalt (ocean island basalt) hat einen niedrigeren Aufschmelzgrad, da er stärker an inkompatiblen Elementen angereichert ist und hat eine grössere Aufschmelztiefe (Fraktionierung der schweren seltenen Erd Elemente deutet auf Bildung im Granatstabilitätsfeld hin).


Frage 20:

Welches Mineral verwittert am leichtesten bzw. schnellsten, Olivin (Mg2SiO4), Pyroxen (MgSiO3) oder Quartz (SiO2)?


Antwort 20:

Das Verhältnis von Si zu O ist ein Mass für den Grad der Polymerisierung, d.h. die Vernetzung der SiO4 Tretraeder der Schmelze.

Olivin verwittert am leichtesten (Si:O = 1:4), Quartz am schwersten (Si:O = 1:2).


Frage 21:

Wie kommen die wichtigsten Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung der gasreichen Planeten wie Jupiter und den terrestrischen Planeten zustande?


Antwort 21: Die gasreiche Planeten bilden

sich jenseits der sog. „snow-

line“ wo Gase und volatile

Bestandteile kondensieren

können.

Für die terrestrischen

Planeten ist das nicht der Fall

(höhere T näher am Zentrum

des solaren Urnebels).


Frage 22 Kennzeichnen Sie in der folgenden Tabelle die Nuklide die nur durch

den r- bzw. s-Prozess gebildet werden und solche die durch beide

Prozesse gebildet werden.

76 184Os0.018%

186Os1.6%

187Os1.6%

188Os13.3%

189Os26.4%

75 185Re37.4%

187Re62.6%

74 182W26.3%

183W14.3%

184W30.7%

186W28.6%

73 180Ta0.012%

181Ta99.98%

Z/N 117 118 119 120 121 122 123


Antwort: s-Prozess Nuklide76 184Os

0.018%186Os1.6%

187Os1.6%

188Os13.3%

189Os26.4%

75 185Re37.4%

187Re62.6%

74 182W26.3%

183W14.3%

184W30.7%

186W28.6%

73 180Ta0.012%

181Ta99.98%

Z/N 117 118 119 120 121 122 123


Antwort: r-Prozess Nuklide76 184Os

0.018%186Os1.6%

187Os1.6%

188Os13.3%

189Os26.4%

75 185Re37.4%

187Re62.6%

74 182W26.3%

183W14.3%

184W30.7%

186W28.6%

73 180Ta0.012%

181Ta99.98%

Z/N 117 118 119 120 121 122 123


Frage 23 (100'000 CHF)

Wie kann man Vanadium als ein Mass für die O2-Fugazität des Erdmantels verwenden?


Antwort: die Begründung eines 'Vanadium-Oxybarometers': Man kann das V/Sc Verhältnis in der

Schmelze beobachten.

Die Verteilungskoeffizienten von V und Sc

sind fast gleich aber V hängt von den Redox

Bedingungen ab.

V ist inkompatibler bei hohem fO2 , weil V4+

häufiger ist, d.h. V/Sc ist bei niedrigen F

(Mengenanteil der Schmelze) am höchsten.


Frage 24 (Wert 1'000'000 CHF)

Warum hat Venus viel CO2 und wenig H2O in seiner Atmosphäre?


Antwort

Venus hat wahrscheinlich genauso viel Wasser wie die Erde am Anfang.

Die Temperatur an der Venusoberfläche war nie kalt genug, um Wasser zu kondensieren.

Weil die Temperatur hoch war, blieb das Wasser in der Atmosphäre und konnte nicht entweichen.


Tut mir leid...


Gewonnen!


Auf ein Neues!


Sorry!

28. mai 2008 b. bourdon, a. stracke / institute of isotope geochemistry and mineral resources ein...

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