Implikationer for oprindelsen af rene anorthositter fundet i de feldspatiske månemeteoritter, Dhofar 489-gruppen

Dhofar 489 har det laveste Th-indhold og det højeste Mg# blandt de feldspatiske månemeteoritter (Korotev et al. 2006; Takeda et al. 2006). Takeda et al. (2006) rapporterede, at det globale kort over Th- og Fe-fordelinger (f.eks. Jolliff et al. 2000) tyder på, at Dhofar 489 kan stamme fra månens fjernside på grund af dens meget lave Th- og Fe-indhold. Korotev et al. (2006) har tværtimod foreslået, at dens lave koncentrationer af uforenelige grundstoffer afspejler dybden og ikke nødvendigvis afstanden fra Procellarum KREEP Terranen (PKT) (Jolliff et al. 2000) på nærsiden. ‘KREEP’-materialer er beriget med elementer som kalium (K), sjældne jordarter (REE) og fosfor (P) (f.eks. Taylor et al. 1991). De seneste Kaguya-data (Kobayashi et al. 2012; Ohtake et al. 2012) afslørede, at det centrale farside-højland har et mere primitivt aspekt på grund af det lavere Th-indhold og højere Mg#. Ohtake et al. (2009) rapporterede om tilstedeværelsen af ren anorthosit fra observationer med multiband imager (MI)-data om bord på Kaguya, hvor den rumlige opløsning er 20 m VIS og 62 m NIR pr. pixel i en nominel højde på 100 km. Som vist af Kobayashi et al. (2012) er den rumlige opløsning af Th-kortet 450 km, som blev forringet for at forbedre præcisionen af Th-indholdet, og den relative fejl er inden for flere procentpoint. Den rumlige opløsning af Mg#-kortet var 1° × 1° (=30 × 30 km i det ækvatoriale område), og den relative fejl er inden for flere procentpoint (Ohtake et al. 2012). Den rumlige opløsning af telemålingens data kunne oprindeligt være større end de repræsentative skalaer for de kemiske sammensætninger af månens stenprøver. I dette tilfælde kunne telemålingens data give den gennemsnitlige sammensætning af hvert fodaftryk. Selv om præcisionen af telemålingens data ikke er helt så høj som af prøvedataene, kan den globale tendens for Th-indholdet og Mg# over Månen bekræftes af positionsoplysningerne, fordi variationerne af Th og Mg# er betydeligt større end deres fejl. Med henvisning til deres observation ved hjælp af teledetektionsdata diskuterer vi den globale anorthositskorpelitologi ved at sammenligne prøverne fra månens højland.

Mineralogi og petrologi af de rene anorthositklumper i feldspatiske månemeteoritter, Dhofar 489-gruppen

I dette afsnit vil mineralogien og petrologien af de fem store rene anorthositklumper, der er indlejret i Dhofar 489 og Dhofar 911, blive behandlet. Deres teksturer er klassificeret i tre grupper; de fleste af forskellene mellem teksturerne kan være forbundet med stødvirkninger. Deres chokteksturer ved meteoritnedslag er almindeligvis forstyrret af netværk af forvitrede produkter såsom calcit produceret ved den varme ørken i Oman (Korotev 2012).

Gruppe I omfatter PA1 og PA5. Euhedrale til subhedrale plagioklaskorn er grove op til ca. 2 mm i denne gruppe. Betydeligt mindre mafiske mineraler findes i korngrænserne mellem magmatiske plagioklaskorn med albit tvillingteksturer. BSE-billeder af mafiske mineraler i PA1 er vist i figur 8. Der er observeret kantede oliviner mellem store magmatiske plagioklas-korn. Disse kantede teksturer af mafiske mineraler adskiller sig fra de generelt afrundede mafiske mineraler i granulit. Vi kan genkende en magmatisk krystallinsk tekstur med albit-tvillinger inden for hver enkelt oprindelig krystal (figur 2b). Derfor kan vi konkludere, at PA1 er en del af en grovkornet, magmatisk anorthosit. Hvis chokproducerede tvillinglameller blev udglødet efter metamorfe hændelser for at producere granulitter, ville en sådan lameltekstur være forsvundet (Takeda et al. 2006). Store euedriske til subhedriske plagioklaskrystaller af PA1, der omslutter de små kantede mafiske mineraler, kan tyde på, at en tidlig plagioklas krystalliserede ved en høj temperatur i magmaen og akkumulerede; i den fase fangede plagioklaskornene små mængder af væske i korngrænserne. Under temperaturfaldet blev små mafiske mineralkorn udkrystalliseret fra de indfangede væsker. En alternativ hypotese kan dog overvejes, således at disse klumper blev brecciated og omkrystalliseret fra fragmenter af store enkeltkrystaller af plagioklas ved deformation og chokhændelser.

Billeder af mafiske mineraler i PA1 (a, b) med tilbage spredte elektroner (BSE). Plg, plagioklas; Ol, olivin. Skalaen er 0,05 mm i størrelse. (a) Viser forstørret BSE-billede af figur 2b.

Gruppe II omfatter PA2 og PA4, som er sammensat af plagioklaskrystaller af varierende størrelse (figur 3), der tilsyneladende er finere end dem i PA1. Disse brecciated anorthositter kan have været udsat for chokhændelser og er derefter blevet metamorfoseret fra grovkornet magmatisk anorthosit som PA1 eller større enkeltkrystaller af plagioklas. Sammensætningen af mineralerne i hver klump er homogen og omfatter plagioklas (An94-97) og spor af lav-Ca-pyroxen (Mg# 71 til 72) i PA2 og plagioklas (An94-96), olivin (Fo64-68) og lav-Ca-pyroxen (Mg# 70) i PA4.

Gruppe III omfatter PA3, som er en stærkt chokeret brecciated anorthosit, der består af finkornet plagioklas (An95-97) svarende til dem i gruppe II. De kemiske sammensætninger af de mafiske mineraler i d4-klumpen er heterogene (Mg# 30 til 70) og omfatter olivin (Fo57), lav-Ca-pyroxen (Mg# 69 til 71) og augit (Mg# 29, 72). Selv om tekstur ligner den for gruppe II, kunne denne klump være en mekanisk blandet breccia af differentierede rene anorthosit-lithologier, som indikeret af den store sammensætningsvariation i de mafiske mineraler.

Plagioklas-sammensætningerne i de fire rene anorthosit-klaster i Dhofar 489 ligger inden for et meget snævert sammensætningsområde (An94-97). De mafiske mineralsammensætninger i PA1 (Fo61-63 af olivin; Mg# 60 til 66 af Opx), PA2 (Mg# 71 til 72 af lav-Ca-pyroxen) og PA4 (Fo64-68 af olivin; Mg# 70 af lav-Ca-pyroxen) er ensartede i hver enkelt klump. Tidligere undersøgelser af Dhofar 489 (Takeda et al. 2006) viste, at olivinen (Fo78) i AN1 er mere magnesisk end de mafiske mineraler i andre rene anorthositter i Dhofar 489 (PA1 til PA4). Plagioklas-sammensætningerne i PA5 i Dhofar 911 ligger inden for et meget snævert interval (An95-96) svarende til de rene anorthositter i Dhofar 489 (PA1 til PA4). Olivinsammensætningerne i PA5 (Fo75-85) er mere magnesianske end de mafiske mineraler i de rene anorthositter i Dhofar 489. Disse rene anorthositklumper i Dhofar 489-gruppen viser kemiske variationer i de mafiske mineralers Mg#.

Den kemiske sammensætning af PA1 (d2) i bulk blev rapporteret i tidligere arbejder (Karouji et al. 2004; Takeda et al. 2006). Tekstureringen af PA1 er delvist forstyrret af netværk af forvitringsprodukter (f.eks. calcit) ved den varme ørken i Oman (figur 2c). Derfor kan bulksammensætningen af PA1 (Takeda et al. 2006) omfatte terrestriske forvitrede produkter (Korotev 2012). Siderofile elementhyppigheder i PA1 er Co på 1,6 ppm, Ni på <18 ppm, og Ir på <3 ppb. Bulk Ni-indholdet i PA1-klumpen er under detektionsgrænsen og giver således et lavt bulk Ni/Co forhold på <11 (Karouji et al. 2004; Takeda et al. 2006). Disse data understøtter teorien om, at denne clast er et uberørt klippefragment, der næppe er påvirket af meteoritforurening.

Mineralogi og petrologi af Apollo FAN 60015 sammenlignet med andre Apollo FAN-prøver

Anorthositter af Apollo-prøverne, der omtales som FAN på grund af deres ferroiske sammensætninger, blev produceret i det mere udviklede magmaocean (f.eks. Warren 1985, 1990). Ifølge de modale og mineralogiske data for FAN kunne denne suite opdeles i flere undergrupper, herunder anorthositisk ferroan (AF), mafisk magnesisk (MM), anorthositisk sodisk (AS) og mafisk ferroan (MF), som forklaret af James et al. (1989, 2002) og Floss et al. (1998).

Pyroxener er meget vigtige mineraler som optegnere af den evolutionære historie af bjergarter i magmahavet. Figur 9a opsummerer pyroxensammensætningerne af 60015, herunder vores data og yderligere resultaterne med resultaterne af andre FAN-prøver, herunder 60025, 62255 og 65315 (Figur 9b,c,d), som er anerkendt som uberørte bjergarter (f.eks. Warren 1993). Den samlede masse af 60015 er 5,57 kg, hvilket gør den til den største sten blandt Apollo FAN-prøverne. Orthopyroxen-sammensætningerne i 60015 er homogene (En62 til En67) i sammenligning med sammensætningerne i andre FAN-prøver. Desuden er 60015 homogen med hensyn til den modale overflod af plagioklas (>98 %). Selv om 60015 kan kategoriseres som AF efter James et al.’s (1989) kriterier, tyder vores mineralogiske data og resultaterne af tidligere arbejder (f.eks. Dixon og Papike 1975) yderligere på, at 60015 er en uberørt ren anorthosit af FAN-typen på grund af homogeniteten af dens mineralsammensætninger og renhed. FAN-prøve 60025 er heterogen med hensyn til den modale overflod af plagioklas i nogle sektioner (70 % til 99 %: Dixon og Papike 1975; James et al. 1991; Warren og Wasson 1977), der indeholder AF- og MM-anorthositter (f.eks. Floss et al. 1998). Store sammensætningsvariationer af ortopyroxener (En48 til En70) i de forskellige dele af 60025 (Figur 9b) kan tilskrives en blanding af forskellige lithologityper (f.eks, Floss et al. 1998; James et al. 1991; Ryder 1982; Takeda et al. 1976).

Pyroxensammensætninger i Apollo ferroan anorthositter: (a) 60015, (b) 60025, (c) 62255 og (d) 65315. Data for 60015 pyroxenerne er fra dette arbejde (røde cirkler) ud over Dixon og Papike (1975) og McGee (1993). Data for 60025-pyroxener stammer fra Dixon og Papike (1975), James et al. (1991), McGee (1993), Takeda et al. (1976) og Walker et al. (1973). Pyroxen data i anorthositten i 62255 er afledt fra McGee (1993), Ryder og Norman (1979) og Schaal et al. (1976). Data for pyroxener i 65315 er afledt fra Dixon og Papike (1975) og McGee (1993).

Implikation for model for månens anorthositskorpe på studiet af månens anorthositprøver

Den oprindelige LMO-model på baggrund af Apollo-prøverne antog, at flotation af plagioklas blev produceret ved endimensionel konvektion på magmaoverfladen. Imidlertid afslørede gammastrålespektrometeret og spektralprofileren på Kaguya sammensætningsmæssige dikotomiske fordelinger i højlandet af Th-indholdet (Kobayashi et al. 2012) og Mg# (Ohtake et al. 2012), hvor det centrale farsidehøjland viste det laveste Th-indhold og det højeste Mg# blandt feltspathiske højlandsregioner.

Studier af Apollo/Luna-prøver og månens meteoritter har afsløret, at næsten alle feldspatiske højlandsprøver er polymiktiske bjergarter, der er stærkt brecciated af talrige nedslag og metamorfoseret ved chokopvarmning (f.eks, Cahill et al. 2004; Cohen et al. 2005; Joy et al. 2010; Korotev 2005; Lindstrom og Lindstrom 1986; Nagaoka et al. 2013; Warren et al. 2005; Yamaguchi et al. 2010).

Prøverne fra Dhofar 489-gruppen er anorthositiske breccias med krystallinsk matrix, der er sammensat af forskellige blandinger af lithiske eller glasagtige klumper, herunder nedslagsmeltebreccias og granulitiske breccias (Takeda et al. 2006, 2007, 2008; Treiman et al. 2010). Selv om magnesianske anorthositter (MA1, MA2; Takeda et al. 2006) og den magnesianske anorthosit med granulitisk brecciatekstur (figur 5) er mindre metamorfoseret end de månens magnesianske granulitiske breccias i Dhofar 489-gruppen (f.eks. Takeda et al. 2006, 2007, 2008; Treiman et al. 2010), tyder deres teksturer, herunder aggregater af olivin med afrundede former, på, at de kan være blevet termisk metamorfoseret. Sådanne magnesianske klumper fundet i feldspatiske månemeteoritter antages at være forskellige fra Mg-suite sten, der er returneret fra den centrale nærside af Apollo-missionerne på grund af mangel på inkompatible elementer såsom REE’er (f.eks. Takeda et al. 2006; Treiman et al. 2010). Oprindelsen af disse magnesianske bjergarter uden KREEP-signaturer antages ikke at være en direkte dannelse fra et magmaocean; de kunne snarere være produkter af mere komplekse dannelsesprocesser i skorpen (Gross et al. 2014). Desuden er disse magnesiske klaster almindeligvis brecciated af talrige nedslag og blev termisk metamorfoseret ved chokopvarmning; de kunne således have gennemgået komplekse metamorfe processer (Takeda et al. 2012).

Den foreliggende undersøgelse har påvist flere rene anorthositklaster i Dhofar 489-gruppen. De rene anorthositter PA1 og PA5 kan have bevaret grovkornede teksturer; andre rene anorthositter kan være blevet metamorfoseret fra grovkornet ren anorthosit eller store enkeltkrystaller af plagioklas ved deformation eller omkrystallisering. Figur 10 viser mineralsammensætningen af de rene anorthositter i Dhofar 489 (PA1, PA3, PA4 og AN1), Dhofar 911 (PA5) og Apollo-prøven (60015). Mg# for hver enkelt ren anorthosit i Dhofar 489-gruppen (Figur 10a) er relativt ensartet inden for flere millimeter, undtagen for PA3, på trods af at der blev fundet store variationer i Mg# blandt de rene anorthositter. Månens anorthosit, 60015, kunne være en monomik blanding af rene anorthositter på samme stadium i det nærliggende magmaocean på grund af dens snævre sammensætningsvariation af mafiske mineraler (Figur 10b). Undersøgelser af anorthositprøver tyder på, at disse rene anorthositter muligvis blev udgravet på månens overflade fra et globalt rent anorthositlag (Ohtake et al. 2009; Yamamoto et al. 2012), der eksisterer under et øverste mafisk-rigt blandet lag (f.eks. Hawke et al. 2003). Parmentier og Liang (2010) beregnede den indfangede smeltefraktion som følge af frysning i toppen af magmahavet på baggrund af de forskellige kornstørrelser og en væskeviskositet på 10 Pa. Ifølge dette skøn er en indfanget smeltefraktion på mindre end 2 %, som angivet af SELENE-målinger, mulig, hvis kornstørrelsen er tilstrækkelig grov, f.eks. et par millimeter i størrelse. Denne fraktion svarer til indholdet af mafiske mineraler i anorthositten. Modelberegningen af Piskorz og Stevenson (2014) viser, at plagioklaskrystallerne allerede var dannet, og at de interstitielle mafiske mineraler stadig var flydende, hvilket resulterer i en minimum indfanget interstitiel smeltefraktion på 2 %. Deres beregningsresultater i forbindelse med et enormt magmasystem understøtter tilstedeværelsen af ren anorthosit som litologi i måneskorpen.

Mineralkemi af de rene anorthositklumper i Dhofar 489, Dhofar 911 og FAN 60015. Mineralsammensætningen af (a) de rene anorthositklumper i Dhofar 489 (PA1, PA3, PA4 og AN1), Dhofar 911 (PA5) og (b) 60015 (dette arbejde) er plottet i plagioklas An-værdierne vs. Mg# (=molar 100 × Mg/(Mg + Fe)) af samtidig forekommende olivin (Ol) og ortopyroxen (Opx). De klassiske differentieringstendenser er ferroan anorthosit (FAN)-suite og Mg-suite bjergarter (f.eks. Warner et al. 1976; Warren og Wasson 1977). Områderne er taget fra Yamaguchi et al. (2010). Områderne i lyseblå repræsenterer konfidens ≧7, og områderne i lysegrøn repræsenterer konfidens ≦6 (Warren 1993).

Ohtake et al. (2012) præsenterede en asymmetrisk vækstmodel for skorpevækst til fortolkning af dikotomien i Mg#-fordelingen med en højere Mg# i farsiden end i nearsiden. Modellen (Ohtake et al. 2012) anvender en overfladekonvektionskraft fra nærsiden til fjernsiden, som genereres af en højere temperatur på nærsiden forårsaget af termisk afskærmning af Jorden på en skrå konvektionsmodel (Loper og Werner 2002). Denne krafttransporterede plagioklas krystalliserede i den første fase af dannelsen af skorpe på farsiden. Desuden udviklede der sig en høj Mg# anorthosit ‘rockburg’ i farsiden, og den ferroanske skorpe krystalliserede fra den mere udviklede magma, der blev dannet i nærsiden (Ohtake et al. 2012). Hvis store Mg#-variationer af mafiske mineraler blandt de rene anorthositter kunne afspejle den globale tendens i den anorthositiske skorpe som observeret af telemålingens data, kunne Mg#-variationerne af mafiske mineraler blandt de rene anorthositter forklares ved den forskellige timing af krystalliseringssekvensen under den asymmetriske vækstkrystallisering af skorpevæksten (Ohtake et al. 2012), hvilket resulterede i enten lateral (regional) eller vertikal (dybde) heterogenitet i det formodede massive lag af ren anorthosit (Ohtake et al. 2009; Yamamoto et al. 2012).

Hvis variationerne i Mg# kunne afledes af relativt lokale variationer over små afstande inden for den samme kumulative bjergart, kunne blot en sekvens af kompositionsændringer ved krystallisering af et enormt magmasystem ikke forklare sådanne lokale variationer. I så fald kan ren anorthosit have undergået en fraktioneret krystallisation i den kumulative bunke, hvilket resulterede i store variationer af Mg# (fra ca. 80 til ca. 60) over små afstande. Der er behov for en særlig mekanisme til at forklare sådanne store variationer inden for lokale områder, selv om en specifik proces, der forklarer variationerne på Månen, ikke er blevet fastlagt indtil videre. Anorthositter med høje forekomster af plagioklas (>95%) på Jorden er produceret ved deformation (Lafrance et al. 1996). Hvis månens rene anorthosit kunne produceres ved deformation eller omkrystallisering, kunne en sådan Mg#-variation forekomme lokalt ved sådanne processer. Relativt mafisk-rig anorthosit kunne være afledt fra den resterende væske, som diskuteret af Ohtake et al. (2009). Men selv om vi kunne bekræfte en global tendens af Mg# i den månens anorthositiske skorpe (Ohtake et al. 2012), ville det være vanskeligt at forklare en sådan global tendens blot ved lokale variationer af Mg# forårsaget af rekrystallisation og deformationsprocesser.