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

Dhofar 489 heeft het laagste Th gehalte en het hoogste Mg# onder de feldspathic lunar meteorites (Korotev et al. 2006; Takeda et al. 2006). Takeda et al. (2006) meldden dat de globale kaart van Th- en Fe-distributies (bijv. Jolliff et al. 2000) suggereert dat Dhofar 489 afkomstig zou kunnen zijn van de farside van de Maan, vanwege zijn zeer lage Th- en Fe-gehalten. Korotev et al. (2006) suggereerden daarentegen dat de lage concentraties van onverenigbare elementen de diepte weerspiegelen en niet noodzakelijkerwijs de afstand tot het Procellarum KREEP Terrane (PKT) (Jolliff et al. 2000) aan de andere kant van de maan. KREEP-materialen zijn verrijkt in elementen als kalium (K), zeldzame aardelementen (REE) en fosfor (P) (bijv. Taylor et al. 1991). De recente gegevens van Kaguya (Kobayashi et al. 2012; Ohtake et al. 2012) onthulden dat het centrale farside hoogland een meer primitief aspect heeft vanwege het lagere Th-gehalte en het hogere Mg#. Ohtake et al. (2009) rapporteerden de aanwezigheid van zuiver anorthosiet uit waarnemingen met de multi-band imager (MI) data aan boord van Kaguya, waarbij de ruimtelijke resolutie 20-m VIS en 62-m NIR per pixel is op een nominale hoogte van 100 km. Zoals aangetoond door Kobayashi et al. (2012), is de ruimtelijke resolutie van de Th-kaart 450 km, die werd gedegradeerd om de nauwkeurigheid van de Th-abundantie te verbeteren, en de relatieve fout is binnen enkele procentpunten. De ruimtelijke resolutie van de Mg#-kaart was 1° × 1° (=30 × 30 km in het equatoriale gebied), en de relatieve fout ligt binnen enkele procentpunten (Ohtake et al. 2012). De ruimtelijke resolutie van de teledetectiegegevens zou oorspronkelijk groter kunnen zijn dan de representatieve schalen van de chemische samenstellingen van de maanrotsmonsters. In dat geval zouden de teledetectiegegevens de gemiddelde samenstelling van elke voetafdruk kunnen opleveren. Hoewel de nauwkeurigheid van teledetectiegegevens niet zo hoog is als die van de monstergegevens, kan de globale trend van Th-gehalte en Mg# over de Maan worden bevestigd door de positie-informatie omdat de variaties van Th en Mg# aanzienlijk groter zijn dan hun fouten. Onder verwijzing naar hun waarneming door de teledetectiegegevens bespreken we de globale anorthositische korslithologie door de maanhooglandmonsters te vergelijken.

Mineralogie en petrologie van de zuivere anorthosiet clasts in veldspathische maanmeteorieten, Dhofar 489 groep

In dit deel worden de mineralogie en de petrologie van de vijf grote zuivere anorthosiet clasts die in Dhofar 489 en Dhofar 911 zijn ingebed, bekeken. Hun texturen worden in drie groepen ingedeeld; de meeste verschillen tussen de texturen kunnen in verband worden gebracht met schokeffecten. Hun schoktexturen door meteoritische inslagen worden gewoonlijk verstoord door netwerken van verweerde producten, zoals calciet dat in de hete woestijn in Oman wordt geproduceerd (Korotev 2012).

Groep I omvat PA1 en PA5. Euhedrale tot subhedrale plagioklaaskorrels zijn grof tot ongeveer 2 mm in deze groep. Aanzienlijk kleinere mafische mineralen komen voor in de korrelgrenzen tussen stollingsgewijze plagioklaaskorrels met albiettweelingstructuren. BSE-beelden van mafische mineralen in PA1 zijn afgebeeld in figuur 8. Tussen grote stollingshoudende plagioklaaskorrels worden hoekige olivijnen waargenomen. Deze hoekige texturen van mafische mineralen wijken af van de doorgaans afgeronde mafische mineralen van granuliet. We kunnen een stollingskristallijne textuur herkennen met albiettwijgering binnen elk oorspronkelijk kristal (figuur 2b). Daarom kunnen we concluderen dat PA1 deel uitmaakt van een grofkorrelige, stollingsanorthosiet. Als door schokken geproduceerde tweelinglamellen na metamorfe gebeurtenissen zijn uitgegloeid om granulieten te produceren, zou een dergelijke lamellentextuur verdwenen zijn (Takeda et al. 2006). Grote euhedrale tot subhedrale plagioklaaskristallen van PA1 die de kleine hoekige mafische mineralen omsluiten, kunnen erop wijzen dat een vroege plagioklaas bij een hoge temperatuur in het magma kristalliseerde en zich ophoopte; in die fase sloten de plagioklaaskorrels kleine hoeveelheden vloeistof in de korrelgrenzen op. Tijdens de temperatuurdaling werden kleine mafische mineraalkorrels gekristalliseerd uit de ingesloten vloeistoffen. Er kan echter ook een alternatieve hypothese worden overwogen, namelijk dat deze clasts door deformatie en schokken werden gebroken en geherkristalliseerd uit fragmenten van grote enkelvoudige kristallen plagioklaas.

Backscattered electron (BSE) afbeeldingen van mafische mineralen in PA1 (a, b). Plg, plagioklaas; Ol, olivijn. De schaalbalk is 0,05 mm groot. (a) Toont vergrote BSE-afbeelding van figuur 2b.

Groep II omvat PA2 en PA4, die zijn samengesteld uit plagioklaaskristallen van verschillende afmetingen (figuur 3) die blijkbaar fijner zijn dan die van PA1. Deze gebroken anorthosieten kunnen schokgebeurtenissen hebben doorgemaakt en zijn daarna gemetamorfoseerd uit grofkorrelige stollingsanorthosiet zoals PA1 of grotere enkelvoudige plagioklaaskristallen. De samenstelling van de mineralen in elke clast is homogeen en omvat plagioklaas (An94-97) en sporen van laag-Ca pyroxeen (Mg# 71 tot 72) in PA2 en plagioklaas (An94-96), olivijn (Fo64-68), en laag-Ca pyroxeen (Mg# 70) in PA4.

Groep III omvat PA3, een sterk geschokte gebraccineerde anorthosiet die bestaat uit fijnkorrelige plagioklaas (An95-97), vergelijkbaar met die in groep II. De chemische samenstelling van de mafische mineralen in de d4 clast is heterogeen (Mg# 30 tot 70) en omvat olivijn (Fo57), pyroxeen met een laag Ca-gehalte (Mg# 69 tot 71), en augiet (Mg# 29, 72). Hoewel de textuur lijkt op die van groep II, zou deze clast een mechanisch gemengde breccia van gedifferentieerde zuivere anorthosiet lithologieën kunnen zijn, zoals aangegeven door de grote samenstellingsvariatie in de mafische mineralen.

Plagioklaas samenstellingen in de vier zuivere anorthosiet clasten in Dhofar 489 liggen binnen een zeer smal samenstellingsbereik (An94-97). De mafische mineraalsamenstellingen in PA1 (Fo61-63 van olivijn; Mg# 60 tot 66 van Opx), PA2 (Mg# 71 tot 72 van laag-Ca pyroxeen), en PA4 (Fo64-68 van olivijn; Mg# 70 van laag-Ca pyroxeen) zijn uniform in elke clast. Eerder onderzoek van Dhofar 489 (Takeda et al. 2006) gaf aan dat het olivijn (Fo78) in AN1 magnesischer is dan de mafische mineralen in andere zuivere anorthosieten in Dhofar 489 (PA1 tot PA4). De plagioklaas-samenstellingen in PA5 in Dhofar 911 liggen binnen een zeer smal bereik (An95-96), vergelijkbaar met de zuivere anorthosieten in Dhofar 489 (PA1 tot PA4). Olivijncomposities in PA5 (Fo75-85) zijn magnesischer dan de mafische mineralen in de zuivere anorthosieten in Dhofar 489. Deze zuivere anorthosiet clasts in de Dhofar 489 groep vertonen chemische variaties in het Mg# van de mafische mineralen.

De bulk chemische samenstelling van PA1 (d2) werd gerapporteerd in eerdere werken (Karouji et al. 2004; Takeda et al. 2006). De textuur van de PA1 is gedeeltelijk verstoord door netwerken van verweerde producten (bv. calciet) in de hete woestijn in Oman (figuur 2c). Daarom kan de bulksamenstelling van PA1 (Takeda et al. 2006) terrestrische verweerde producten omvatten (Korotev 2012). De abundanties van siderofiele elementen in PA1 zijn Co met 1,6 ppm, Ni met <18 ppm, en Ir met <3 ppb. Het bulk-Ni gehalte in de PA1 clast ligt onder de detectielimiet en geeft dus een lage bulk-Ni/Co verhouding van <11 (Karouji et al. 2004; Takeda et al. 2006). Deze gegevens ondersteunen de theorie dat deze clast een ongerept gesteentefragment is dat nauwelijks is aangetast door meteorietvervuiling.

Mineralogie en petrologie van Apollo FAN 60015 in vergelijking met andere Apollo FAN monsters

Anorthosieten van de Apollo monsters, aangeduid als FAN vanwege hun ferroïsche samenstellingen, werden geproduceerd in de meer geëvolueerde magma oceaan (b.v. Warren 1985, 1990). Volgens de modale en mineralogische gegevens van FAN, zou deze reeks kunnen worden onderverdeeld in verschillende subgroepen waaronder anorthositisch ferroaan (AF), mafisch magnesisch (MM), anorthositisch sodisch (AS), en mafisch ferroaan (MF), zoals uitgelegd door James et al. (1989, 2002) en Floss et al. (1998).

Pyroxenen zijn zeer belangrijke mineralen als rapporteurs van de evolutionaire geschiedenis van gesteenten in de magma oceaan. Figuur 9a vat de pyroxeencomposities van 60015 samen met onze gegevens en verder de resultaten met die van andere FAN-monsters, waaronder 60025, 62255, en 65315 (figuur 9b,c,d), die als ongerepte gesteenten zijn erkend (bijv. Warren 1993). De totale massa van 60015 is 5,57 kg, waarmee het het grootste gesteente is onder de Apollo FAN monsters. De orthopyroxeen-samenstellingen van 60015 zijn homogeen (En62 tot En67) in vergelijking met die van andere FAN monsters. Bovendien is 60015 homogeen in de modale abundantie van plagioklaas (>98%). Hoewel 60015 kan worden gecategoriseerd als AF volgens de criteria van James et al. (1989), suggereren onze mineralogische gegevens en de resultaten van eerdere werken (b.v. Dixon en Papike 1975) verder dat 60015 een ongerepte zuivere anorthosiet van het FAN-type is, vanwege de homogeniteit van zijn minerale samenstellingen en zuiverheid. FAN-monster 60025 is heterogeen wat betreft de modale abundantie van plagioklaas in sommige secties (70% tot 99%: Dixon en Papike 1975; James et al. 1991; Warren en Wasson 1977), en bevat AF en MM anorthosieten (b.v. Floss et al. 1998). Grote variaties in de samenstelling van orthopyroxenen (En48 tot En70) in de verschillende delen van 60025 (Figuur 9b) kunnen worden toegeschreven aan een mengsel van verschillende lithologische typen (bijv, Floss et al. 1998; James et al. 1991; Ryder 1982; Takeda et al. 1976).

Pyroxeen-samenstellingen in Apollo ferroïsche anorthosieten: (a) 60015, (b) 60025, (c) 62255, en (d) 65315. De gegevens van 60015 pyroxenen zijn afkomstig van dit werk (rode cirkels) in aanvulling op Dixon en Papike (1975) en McGee (1993). Gegevens van 60025 pyroxenen zijn ontleend aan Dixon en Papike (1975), James et al. (1991), McGee (1993), Takeda et al. (1976), en Walker et al. (1973). Pyroxeengegevens in de anorthosiet in 62255 zijn ontleend aan McGee (1993), Ryder en Norman (1979), en Schaal et al. (1976). Gegevens van 65315 pyroxenen zijn ontleend aan Dixon en Papike (1975) en McGee (1993).

Implicatie voor maan anorthositische korst model op de studie van maan anorthosiet monsters

Het oorspronkelijke LMO model op basis van de Apollo monsters ging ervan uit dat flotatie van plagioklaas werd geproduceerd door eendimensionale convectie aan het magma oppervlak. Echter, de gamma-ray spectrometer en spectrale profiler op Kaguya onthulden compositorische dichotome verdelingen in de hooglanden van Th abundanties (Kobayashi et al. 2012) en Mg# (Ohtake et al. 2012) waarin aangegeven werd dat het centrale farside hoogland de laagste Th abundantie en hoogste Mg# vertoonde onder de veldspathische hoogland regio’s.

Uit studies van Apollo/Luna monsters en maanmeteorieten is gebleken dat bijna alle veldspathische hoogland monsters polymictgesteenten zijn, zwaar gebroken door talrijke inslagen en gemetamorfoseerd door schokverhitting (bijv, 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).

De monsters van de Dhofar 489 groep zijn kristallijne matrix anorthositische breccia’s die bestaan uit diverse mengsels van lithische of glasachtige clasten, waaronder impact-smelt breccia’s en granulitische breccia’s (Takeda et al. 2006, 2007, 2008; Treiman et al. 2010). Hoewel magnesische anorthosieten (MA1, MA2; Takeda et al. 2006) en de magnesische anorthosiet met de granulitische breccia-textuur (Figuur 5) minder gemetamorfoseerd zijn dan de magnesische granulitische breccia’s in de Dhofar 489 groep (bijv. Takeda et al. 2006, 2007, 2008; Treiman et al. 2010), suggereren hun texturen, waaronder aggregaten van olivijnen met afgeronde vormen, dat ze thermisch gemetamorfoseerd kunnen zijn. Dergelijke magnesische clasten die in veldspathische maanmeteorieten worden gevonden, worden verondersteld anders te zijn dan Mg-suite gesteenten die door Apollo-missies van de centrale nearside zijn teruggebracht vanwege het ontbreken van incompatibele elementen zoals REE’s (bijv. Takeda et al. 2006; Treiman et al. 2010). De oorsprong van deze magnesische gesteenten zonder KREEP signaturen wordt verondersteld niet een directe vorming uit een magma-oceaan te zijn; het zouden eerder producten kunnen zijn van complexere processen van crustalvorming (Gross et al. 2014). Bovendien zijn deze magnesische clasten gewoonlijk gebroccideerd door talrijke inslagen en werden ze thermisch gemetamorfoseerd door schokverwarming; ze zouden dus complexe metamorfe processen kunnen hebben doorgemaakt (Takeda et al. 2012).

De huidige studie heeft verschillende zuivere anorthosiet clasten gedetecteerd in de Dhofar 489 groep. De zuivere anorthosieten PA1 en PA5 hebben mogelijk grofkorrelige texturen behouden; andere zuivere anorthosieten kunnen zijn gemetamorfoseerd uit grofkorrelige zuivere anorthosiet of grote enkelvoudige kristallen van plagioklaas door deformatie of rekristallisatie. Figuur 10 toont de minerale samenstellingen van de zuivere anorthosieten in Dhofar 489 (PA1, PA3, PA4, en AN1), Dhofar 911 (PA5), en het Apollo-monster (60015). Het Mg# van elke zuivere anorthosiet in de Dhofar 489 groep (Figuur 10a) is relatief uniform binnen enkele millimeters behalve voor PA3, ondanks het feit dat er grote variaties in Mg# werden gevonden onder de zuivere anorthosieten. De maananorthosiet, 60015, zou een monomict mengsel van zuivere anorthosieten kunnen zijn in hetzelfde stadium in de magma-oceaan aan de andere kant vanwege de nauwe variatie in samenstelling van mafische mineralen (Figuur 10b). Studies van anorthosietmonsters suggereren dat deze zuivere anorthosieten mogelijk aan het maanoppervlak werden opgegraven uit een globale zuivere anorthosietlaag (Ohtake et al. 2009; Yamamoto et al. 2012) die bestond onder een bovenliggende mafisch-rijke gemengde laag (bijv. Hawke et al. 2003). Parmentier en Liang (2010) berekenden de ingesloten smeltfractie als gevolg van bevriezing aan de top van de magma-oceaan op basis van de verschillende korrelgroottes en een vloeibare viscositeit van 10 Pa. Volgens deze schatting is een ingesloten smeltfractie van minder dan 2%, zoals aangegeven door SELENE-metingen, mogelijk als de korrelgrootte voldoende grof is, zoals enkele millimeters groot. Deze fractie komt overeen met het gehalte aan mafische mineralen in de anorthosiet. De modelberekening van Piskorz en Stevenson (2014) geeft aan dat de plagioklaaskristallen al gevormd waren en dat de interstitiële mafische mineralen nog vloeibaar waren, wat resulteert in een minimaal opgesloten interstitiële smeltfractie van 2%. Hun berekeningsresultaten geassocieerd met een enorm magma systeem ondersteunen de aanwezigheid van pure anorthosiet als maankorst lithologie.

Minerale chemie van de pure anorthosiet clasts in Dhofar 489, Dhofar 911, en FAN 60015. Mineraalsamenstellingen van (a) de zuivere anorthosiet clasten in Dhofar 489 (PA1, PA3, PA4, en AN1), Dhofar 911 (PA5), en (b) 60015 (dit werk) zijn uitgezet in de plagioklaas An waarden versus Mg# (=molair 100 × Mg/(Mg + Fe)) van coëxisterend olivijn (Ol) en orthopyroxeen (Opx). De klassieke differentiatietrends zijn ferroan anorthosiet (FAN)-suite en Mg-suite gesteenten (b.v. Warner et al. 1976; Warren en Wasson 1977). De gebieden zijn overgenomen van Yamaguchi et al. (2010). De gebieden in lichtblauw vertegenwoordigen betrouwbaarheid ≧7, en die in lichtgroen vertegenwoordigen betrouwbaarheid ≦6 (Warren 1993).

Ohtake et al. (2012) presenteerden een asymmetrisch korstgroeimodel voor het interpreteren van de tweedeling van de Mg#-verdeling met een hoger Mg# in de farside dan dat in de nearside. Het model (Ohtake et al. 2012) maakt gebruik van een convectiekracht aan het oppervlak van de nearside naar de farside, gegenereerd door een hogere temperatuur aan de nearside als gevolg van thermische afscherming van de Aarde op een gekanteld convectiemodel (Loper en Werner 2002). Bovendien ontwikkelde zich een hoge Mg# anorthosiet ‘rockburg’ in de farside, en de ferroïsche korst kristalliseerde uit het meer geëvolueerde magma gevormd in de nearside (Ohtake et al. 2012). Als de grote Mg# variaties van de mafische mineralen onder de zuivere anorthosieten de globale trend van de anorthositische korst zouden kunnen weerspiegelen zoals waargenomen door de teledetectiegegevens, dan zouden de Mg# variaties van de mafische mineralen onder de zuivere anorthosieten verklaard kunnen worden door de verschillende timing van de kristallisatie opeenvolging tijdens de asymmetrische korstgroei kristallisatie (Ohtake et al. 2012), wat resulteerde in ofwel laterale (regionale) of verticale (diepte) heterogeniteit van de vermeende massieve laag van zuivere anorthosiet (Ohtake et al. 2009; Yamamoto et al. 2012).

Als de variaties in Mg# zouden kunnen worden afgeleid van relatief lokale variaties over kleine afstanden binnen hetzelfde cumulaatgesteente, zou alleen een opeenvolging van samenstellingsveranderingen door kristallisatie van een enorm magmasysteem dergelijke lokale variaties niet kunnen verklaren. Als dat zo is, dan kan zuiver anorthosiet fractionele kristallisatie in de cumulaatstapel hebben ondergaan, wat resulteerde in grote variaties van Mg# (van ongeveer 80 tot ongeveer 60) over kleine afstanden. Een speciaal mechanisme om zulke grote variaties binnen lokale regio’s te verklaren is nodig, hoewel een specifiek proces dat de variaties op de Maan verklaart tot nu toe niet is vastgesteld. Anorthosieten met hoge concentraties plagioklaas (>95%) op de Aarde worden geproduceerd door deformatie (Lafrance et al. 1996). Als de zuivere anorthosiet van de maan door deformatie of rekristallisatie zou kunnen worden geproduceerd, dan zou een dergelijke Mg# variatie plaatselijk door zulke processen kunnen optreden. Relatief mafierijke anorthosiet zou kunnen worden afgeleid uit de resterende vloeistof, zoals besproken door Ohtake et al. (2009). Maar hoewel we een globale trend van Mg# in de anorthositische korst van de maan konden bevestigen (Ohtake et al. 2012), zou het moeilijk zijn om zo’n globale trend alleen te verklaren door lokale variaties van Mg# veroorzaakt door rekristallisatie en deformatieprocessen.