Implications for the origins of pure anorthosites found in the feldspathic lunar meteorites, Dhofar 489 group

A feldspathic holdi meteoritok közül a Dhofar 489-nek van a legalacsonyabb Th tartalma és a legmagasabb Mg# (Korotev et al. 2006; Takeda et al. 2006). Takeda et al. (2006) arról számolt be, hogy a Th és Fe eloszlás globális térképe (pl. Jolliff et al. 2000) arra utal, hogy a Dhofar 489 nagyon alacsony Th- és Fe-tartalma miatt a Hold távoli oldaláról származhat. Ezzel szemben Korotev et al. (2006) szerint az inkompatibilis elemek alacsony koncentrációja a mélységet és nem feltétlenül a Procellarum KREEP Terrane (PKT) (Jolliff et al. 2000) közeli oldalától való távolságot tükrözi. A “KREEP” anyagok olyan elemekben gazdagok, mint a kálium (K), a ritkaföldfémek (REE) és a foszfor (P) (pl. Taylor et al. 1991). A Kaguya közelmúltbeli adatai (Kobayashi et al. 2012; Ohtake et al. 2012) azt mutatták, hogy a középső farsidei fennsík az alacsonyabb Th-tartalom és a magasabb Mg# miatt primitívebb aspektusú. Ohtake et al. (2009) a tiszta anortozit jelenlétéről számolt be a Kaguya fedélzetén lévő többsávos imager (MI) adatainak megfigyeléseiből, amelyekben a térbeli felbontás 20 m VIS és 62 m NIR pixelenként 100 km-es névleges magasságban. Mint Kobayashi et al. (2012) kimutatták, a Th-térkép térbeli felbontása 450 km, amelyet a Th-bőség pontosságának javítása érdekében rontottak, és a relatív hiba néhány százalékponton belül van. Az Mg# térkép térbeli felbontása 1° × 1° (=30 × 30 km az egyenlítői területen) volt, és a relatív hiba néhány százalékponton belül van (Ohtake et al. 2012). A távérzékelési adatok térbeli felbontása eredetileg nagyobb lehetett, mint a holdi kőzetminták kémiai összetételének reprezentatív skálái. Ebben az esetben a távérzékelési adatok az egyes kőzetlábnyomok átlagos összetételét szolgáltathatnák. Bár a távérzékelési adatok pontossága nem egészen olyan nagy, mint a mintaadatoké, a Th-tartalom és az Mg# globális trendje a Holdon a helyzeti információkkal megerősíthető, mivel a Th és az Mg# változása jelentősen nagyobb, mint a hibájuk. A távérzékelési adatokkal való megfigyelésükre hivatkozva a holdi felszíni minták összehasonlításával tárgyaljuk a globális anortozit kéreg litológiáját.

A feldszpatikus holdmeteoritok tiszta anortozit klasztjainak ásványtana és petrológiája, Dhofar 489 csoport

Ez a fejezet a Dhofar 489 és Dhofar 911 mintákba ágyazott öt nagy tiszta anortozit klaszt ásványtanával és petrológiájával foglalkozik. Textúrájukat három csoportba soroljuk; a textúrák közötti különbségek nagy része a lökéshatásokkal hozható összefüggésbe. A meteoritbecsapódások okozta lökésszerű textúráikat általában az időjárási termékek, például az ománi forró sivatagban keletkezett kalcit hálózatai zavarják meg (Korotev 2012).

Az I. csoportba tartozik a PA1 és a PA5. Ebben a csoportban az Euhedrális és szubhedrális plagioklász szemcsék durvák, kb. 2 mm-ig. Jelentősen kisebb mafikus ásványok vannak a magmás plagioklász szemcsék közötti szemcsehatárokon, albit ikerességű textúrával. A PA1-ben található mafikus ásványok BSE-képeit a 8. ábra mutatja. Szögletes olivinek figyelhetők meg a nagy vulkáni plagioklász szemcsék között. A mafikus ásványok e szögletes textúrája eltér a granulit általában lekerekített mafikus ásványaitól. Felismerhetünk egy vulkáni kristályos textúrát, amelyben minden egyes eredeti kristályon belül albit ikreket találunk (2b. ábra). Ezért arra következtethetünk, hogy a PA1 egy durvaszemcsés, vulkáni anortozit része. Ha a lökés hatására keletkezett ikerlamellák a metamorfikus eseményeket követően kiégtek volna, hogy granulitokat hozzanak létre, akkor az ilyen lamellás textúra eltűnt volna (Takeda et al. 2006). A PA1 nagyméretű euféderes vagy szubéderes plagioklász kristályai, amelyek körülveszik az apró szögletes mafikus ásványokat, arra utalhatnak, hogy egy korai plagioklász magas hőmérsékleten kristályosodott ki a magmában és halmozódott fel; ebben a fázisban a plagioklász szemcsék kis mennyiségű folyadékot zártak be a szemcsehatárokba. A hőmérséklet csökkenése során a csapdába esett folyadékból apró mafikus ásványszemcsék kristályosodtak ki. Azonban egy alternatív hipotézis is szóba jöhet, miszerint ezek a klasztok a deformáció és a lökéses események hatására breccsásodtak és átkristályosodtak a nagy egykristályos plagioklász töredékeiből.

A PA1 mafikus ásványainak visszaszórt elektron (BSE) képei (a, b). Plg, plagioklász; Ol, olivin. A méretarányos sáv 0,05 mm. (a) A 2b. ábra nagyított BSE-képét mutatja.

A II. csoportba tartozik a PA2 és PA4, amelyek különböző méretű plagioklász kristályokból állnak (3. ábra), amelyek nyilvánvalóan finomabbak, mint a PA1-ben találhatóak. Ezek a breccsás anortozitok valószínűleg lökéses eseményeken mentek keresztül, majd durvaszemcsés vulkáni anortozitból, mint a PA1, vagy nagyobb egykristályos plagioklászból metamorfizálódtak. Az egyes rögökben található ásványok összetétele homogén, és a PA2-ben plagioklász (An94-97) és nyomokban alacsony ca-értékű piroxén (Mg# 71-72), a PA4-ben pedig plagioklász (An94-96), olivin (Fo64-68) és alacsony ca-értékű piroxén (Mg# 70) található.

A III. csoportba tartozik a PA3, amely egy erősen sokkolt breccsás anortozit, amely a II. csoporthoz hasonló finom szemcséjű plagioklászból (An95-97) áll. A d4 klasztban lévő mafikus ásványok kémiai összetétele heterogén (Mg# 30-70), és olivin (Fo57), alacsony Ca-tartalmú piroxén (Mg# 69-71) és augit (Mg# 29, 72). Bár a textúra hasonló a II. csoportéhoz, ez a klaszt mechanikailag kevert, differenciált tiszta anortozit litológiájú breccsa lehet, amit a mafikus ásványok nagy összetételbeli eltérése is jelez.

A Dhofar 489-ben található négy tiszta anortozit klasztban a plagioklász összetétele egy nagyon szűk összetételbeli tartományon belül van (An94-97). A PA1 (Fo61-63 olivin; Mg# 60-66 Opx), PA2 (Mg# 71-72 low-Ca piroxén) és PA4 (Fo64-68 olivin; Mg# 70 low-Ca piroxén) mafikus ásványok összetétele minden klasztban egységes. A Dhofar 489 korábbi kutatásai (Takeda et al. 2006) azt mutatták, hogy az AN1-ben lévő olivin (Fo78) magnéziumosabb, mint a Dhofar 489 többi tiszta anortozitjának (PA1-PA4) mafikus ásványai. A Dhofar 911-ben található PA5-ben a plagioklász összetétele egy nagyon szűk tartományon belül van (An95-96), hasonlóan a Dhofar 489-ben található tiszta anortozitokhoz (PA1-től PA4-ig). A PA5-ben található olivin összetétele (Fo75-85) magnéziumosabb, mint a Dhofar 489 tiszta anortozitokban található mafikus ásványoké. Ezek a Dhofar 489 csoportba tartozó tiszta anortozit klasztok kémiai változásokat mutatnak a mafikus ásványok Mg# értékében.

A PA1 (d2) ömlesztett kémiai összetételéről korábbi munkákban (Karouji et al. 2004; Takeda et al. 2006) számoltak be. A PA1 textúráját az ománi forró sivatagban részben időjárási termékek (pl. kalcit) hálózatai zavarják (2c. ábra). Ezért a PA1 ömlesztett összetételében (Takeda et al. 2006) földi időjárási termékek is szerepet játszhatnak (Korotev 2012). A sziderofil elemek gyakorisága a PA1-ben a Co 1,6 ppm, a Ni <18 ppm és az Ir <3 ppb. Az ömlesztett Ni-tartalom a PA1 klasztban a kimutatási határ alatt van, így alacsony, <11-es ömlesztett Ni/Co arányt ad (Karouji et al. 2004; Takeda et al. 2006). Ezek az adatok alátámasztják azt az elméletet, hogy ez a rög egy érintetlen kőzetdarab, amelyet alig érintett meteoritos szennyeződés.

Az Apollo FAN 60015 ásványtana és petrológiája a többi Apollo FAN-mintával összehasonlítva

Az Apollo-mintákból származó, a vasas összetételük miatt FAN-nak nevezett északi kőzetdarabok a fejlettebb magmaóceánban keletkeztek (pl. Warren 1985, 1990). A FAN modális és mineralógiai adatai alapján ez a sorozat több alcsoportra osztható, köztük anortozidos ferroan (AF), mafikus magnesian (MM), anortozidos sodic (AS) és mafikus ferroan (MF), ahogyan azt James et al. (1989, 2002) és Floss et al. (1998) kifejtették.

A piroxének rendkívül fontos ásványok a magmaóceánban lévő kőzetek fejlődési történetének rögzítőiként. A 9a. ábra összefoglalja a 60015 piroxén-összetételét, beleértve a mi adatainkat, és tovább az eredményeket más FAN-mintákéval, beleértve a 60025, 62255 és 65315 (9b,c,d. ábra), amelyeket ősmaradványokként ismertek el (pl. Warren 1993). A 60015 teljes tömege 5,57 kg, ami a legnagyobb kőzet az Apollo FAN minták közül. A 60015 ortopiroxén összetétele a többi FAN-mintához képest homogén (En62-től En67-ig). Továbbá a 60015 homogén a plagioklász modális bőségét tekintve (>98%). Bár a 60015 a James et al. (1989) kritériumai alapján az AF kategóriába sorolható, ásványtani adataink és korábbi munkák eredményei (pl. Dixon és Papike 1975) tovább sugallják, hogy a 60015 ásványi összetételének és tisztaságának homogenitása miatt a FAN-típusú, érintetlen, tiszta anortozit. A 60025-ös FAN minta a plagioklász modális bőségét tekintve heterogén egyes szelvények között (70-99%: Dixon és Papike 1975; James et al. 1991; Warren és Wasson 1977), AF és MM anortozitokat tartalmaz (pl. Floss et al. 1998). Az ortopiroxének (En48 – En70) nagy összetételbeli eltérései a 60025 különböző részeiben (9b. ábra) a különböző litológiai típusok keveredésének tulajdoníthatók (pl, Floss et al. 1998; James et al. 1991; Ryder 1982; Takeda et al. 1976).

Pyroxén összetétel az Apollo ferroanortozitokban: (a) 60015, (b) 60025, (c) 62255 és (d) 65315. A 60015 piroxének adatai Dixon és Papike (1975) és McGee (1993) mellett ebből a munkából származnak (piros körök). A 60025 piroxének adatai Dixon és Papike (1975), James et al. (1991), McGee (1993), Takeda et al. (1976) és Walker et al. (1973) munkáiból származnak. A 62255 anortozitban található piroxén adatok McGee (1993), Ryder és Norman (1979), valamint Schaal et al. (1976) adataiból származnak. A 65315 piroxén adatai Dixon és Papike (1975) és McGee (1993) adataiból származnak.

A holdi anortozit kéreg modelljének felvetése a holdi anortozit minták vizsgálata alapján

Az eredeti LMO modell az Apollo minták alapján azt feltételezte, hogy a plagioklász flotációja egydimenziós konvekcióval jön létre a magma felszínén. A Kaguyán végzett gamma-spektrométer és spektrális profilalkotó azonban a Th-bőség (Kobayashi et al. 2012) és az Mg# (Ohtake et al. 2012) összetétel szerinti dichotóm eloszlását mutatta ki a felföldön, amelyben a központi farsidei felföld jelezte a legalacsonyabb Th-bőséget és a legmagasabb Mg#-t a feldszpatikus felföldek közül.

Az Apollo/Luna minták és holdi meteoritok tanulmányozása során kiderült, hogy szinte minden feldszpatikus hegyvidéki minta polimiktikus kőzet, amely számos becsapódás által erősen breccsásodott és lökésszerű felmelegedéssel metamorfizálódott (pl, Cahill et al. 2004; Cohen et al. 2005; Joy et al. 2010; Korotev 2005; Lindstrom and Lindstrom 1986; Nagaoka et al. 2013; Warren et al. 2005; Yamaguchi et al. 2010).

A Dhofar 489 csoport mintái kristályos mátrixú anortozit breccsák, amelyek kőzet- vagy üveges klasztok változatos keverékeiből állnak, beleértve az impakt-olvadék breccsákat és a granulit breccsákat (Takeda et al. 2006, 2007, 2008; Treiman et al. 2010). Bár a magnéziumos anortozitok (MA1, MA2; Takeda et al. 2006) és a granulitos breccsaszerkezetű magnéziumos anortozit (5. ábra) kevésbé metamorfizáltak, mint a Dhofar 489 csoportban található holdi magnéziumos granulitos breccsák (pl. Takeda et al. 2006, 2007, 2008; Treiman et al. 2010), a kerekded alakú olivin aggregátumokat tartalmazó textúrájuk arra utal, hogy termikusan metamorfizáltak lehettek. Az ilyen, feldszpatikus holdmeteoritokban talált magnéziumos klasztok feltételezhetően különböznek az Apollo-missziók által a központi közeli oldalról visszahozott Mg-szuitos kőzetektől az inkompatibilis elemek, például a REE-k hiánya miatt (pl. Takeda et al. 2006; Treiman et al. 2010). E KREEP-jelzéssel nem rendelkező magmás kőzetek eredetéről feltételezhető, hogy nem közvetlenül egy magmaóceánból keletkeztek; inkább összetettebb kéregképződési folyamatok termékei lehetnek (Gross et al. 2014). Továbbá ezek a magnéziumos klasztok általában számos becsapódás által breccsásodtak, és lökésszerű felmelegítéssel termikusan metamorfizálódtak; így komplex metamorfikus folyamatokon mehettek keresztül (Takeda et al. 2012).

A jelen tanulmányban több tiszta anortozit klasztot is kimutattunk a Dhofar 489 csoportban. A PA1 és PA5 tiszta anortozitok durvaszemcsés textúrát őrizhettek meg; más tiszta anortozitok durvaszemcsés tiszta anortozitból vagy nagy egykristályos plagioklászból deformáció vagy átkristályosodás révén metamorfizálódhattak. A 10. ábra a Dhofar 489 (PA1, PA3, PA4 és AN1), a Dhofar 911 (PA5) és az Apollo-minta (60015) tiszta anortozitjainak ásványi összetételét mutatja. A Dhofar 489 csoportban (10a. ábra) az egyes tiszta anortozitok Mg# értéke a PA3 kivételével néhány milliméteren belül viszonylag egységes, annak ellenére, hogy a tiszta anortozitok között nagy Mg# eltéréseket találtunk. A 60015-ös holdi anortozit a mafikus ásványok szűk összetétel-változása miatt a közeli magmaóceán azonos szakaszában lévő tiszta anortozitok monomiktikus keveréke lehet (10b. ábra). Az anortozitminták vizsgálata arra utal, hogy ezek a tiszta anortozitok valószínűleg egy globális tiszta anortozit rétegből kerültek ki a Hold felszínén (Ohtake et al. 2009; Yamamoto et al. 2012), amely egy felső, mafikus anyagokban gazdag kevert réteg alatt létezett (pl. Hawke et al. 2003). Parmentier és Liang (2010) a különböző szemcseméretek és 10 Pa folyékony viszkozitás alapján kiszámította a magmaóceán tetején történő megfagyás miatt csapdába esett olvadékfrakciót. E becslés szerint a SELENE mérések által jelzett 2%-nál kisebb csapdába esett olvadékfrakció lehetséges, ha a szemcseméret kellően durva, például néhány milliméteres. Ez a frakció megfelel az anortozit mafikus ásványtartalmának. A Piskorz és Stevenson (2014) által végzett modellszámítás szerint a plagioklász kristályok már kialakultak, és a köztes mafikus ásványok még folyékonyak voltak, így a csapdába esett köztes olvadékfrakció minimálisan 2%. Hatalmas magmarendszerrel kapcsolatos számítási eredményeik alátámasztják a tiszta anortozit mint holdkéreg litológia jelenlétét.

A Dhofar 489, Dhofar 911 és FAN 60015 tiszta anortozit klasztok ásványi kémiája. A Dhofar 489 (PA1, PA3, PA4 és AN1), a Dhofar 911 (PA5) és (b) a 60015 (ez a munka) tiszta anortozit klasztjainak ásványi összetételei a plagioklász An értékek és az együttesen jelenlévő olivin (Ol) és ortopiroxén (Opx) Mg# (=moláris 100 × Mg/(Mg + Fe)) függvényében ábrázolva. A klasszikus differenciálódási trendek a ferroanortozit (FAN)-szvit és Mg-szvit kőzetek (pl. Warner et al. 1976; Warren és Wasson 1977). A területeket Yamaguchi et al. (2010) adataiból vettük át. A világoskék színű területek ≧7, a világoszöld színűek ≦6 konfidenciát jelentenek (Warren 1993).

Ohtake et al. (2012) egy aszimmetrikus kéregnövekedési modellt mutatott be az Mg# eloszlás kettősségének értelmezésére, ahol a távoli oldalon magasabb a Mg#, mint a közeli oldalon. A modell (Ohtake et al. 2012) egy felszíni konvekciós erőt használ a közeli oldalról a távoli oldalra, amelyet a Föld termikus árnyékolása által okozott magasabb hőmérséklet a közeli oldalon egy ferde konvekciós modell (Loper és Werner 2002) alapján hoz létre. Ez az erő által szállított plagioklász a kéregképződés első szakaszában a farside-on kristályosodott ki. Ezenkívül a farside-on egy magas Mg# értékű anortozit “rockburg” alakult ki, és a ferro kéreg a közeli oldalon képződött fejlettebb magmából kristályosodott ki (Ohtake et al. 2012). Ha a mafikus ásványok nagy Mg#-változásai a tiszta anortozitok között tükrözhetik a távérzékelési adatok alapján megfigyelt anortozit kéreg globális trendjét, akkor a mafikus ásványok Mg#-változásai a tiszta anortozitok között az aszimmetrikus kéregnövekedéses kristályosodás során a kristályosodási sorrend eltérő időzítésével magyarázhatók (Ohtake et al. 2012), ami a tiszta anortozit feltételezett masszív rétegének laterális (regionális) vagy vertikális (mélységi) heterogenitását eredményezte (Ohtake et al. 2009; Yamamoto et al. 2012).

Ha az Mg#-változásokat viszonylag helyi, kis távolságokon belüli eltérésekből lehetne levezetni ugyanazon kumulált kőzetben, akkor pusztán egy hatalmas magmarendszer kristályosodása által bekövetkező összetételváltozások sorozata nem magyarázhatja ezeket a helyi változásokat. Ha ez így van, akkor a tiszta anortozit a kumulátumhalomban frakcionált kristályosodáson mehetett keresztül, ami az Mg# nagy változásokat eredményezett (kb. 80-tól kb. 60-ig) kis távolságokon keresztül. A helyi régiókon belüli ilyen nagy eltéréseket magyarázó speciális mechanizmusra van szükség, bár a Holdon tapasztalható eltéréseket magyarázó konkrét folyamatot eddig nem sikerült meghatározni. A Földön a nagy plagiokláztartalmú (>95%) anortozitok deformációval keletkeznek (Lafrance et al. 1996). Ha a holdi tiszta anortozit deformációval vagy átkristályosodással keletkezhetne, akkor az ilyen Mg#-változás lokálisan ilyen folyamatok révén jöhetne létre. A maradék folyadékból viszonylag mafikusan gazdag anortozit származhat, ahogyan azt Ohtake et al. (2009) tárgyalja. Azonban, bár a holdi anortozit kéregben az Mg# globális trendjét meg tudtuk erősíteni (Ohtake et al. 2012), nehéz lenne egy ilyen globális trendet pusztán az Mg# átkristályosodási és deformációs folyamatok okozta helyi változásaival magyarázni.