Implikationer för ursprunget av rena anorthositer som hittats i de fältspathiska månmeteoriterna, Dhofar 489-gruppen

Dhofar 489 har den lägsta Th-halten och den högsta Mg-halten bland de fältspathiska månmeteoriterna (Korotev et al. 2006; Takeda et al. 2006). Takeda et al. (2006) rapporterade att den globala kartan över Th- och Fe-fördelningen (t.ex. Jolliff et al. 2000) tyder på att Dhofar 489 kan härröra från månens farsida, på grund av dess mycket låga Th- och Fe-halter. Korotev et al. (2006) föreslog tvärtom att dess låga koncentrationer av inkompatibla grundämnen återspeglar djupet och inte nödvändigtvis avståndet till Procellarum KREEP-terranen (PKT) (Jolliff et al. 2000) på närsidan. ”KREEP”-material är berikade på grundämnen som kalium (K), sällsynta jordartsmetaller (REE) och fosfor (P) (t.ex. Taylor et al. 1991). De senaste uppgifterna från Kaguya (Kobayashi et al. 2012; Ohtake et al. 2012) visade att höglandet på den centrala farsidan har en mer primitiv aspekt på grund av den lägre Th-halten och den högre Mg#-halten. Ohtake et al. (2009) rapporterade förekomsten av ren anorthosit från observationer med multibandsbildtagardata (MI) ombord på Kaguya, där den rumsliga upplösningen är 20 m VIS och 62 m NIR per pixel på en nominell höjd av 100 km. Som Kobayashi et al. (2012) visar är den rumsliga upplösningen för Th-kartan 450 km, vilket försämrades för att förbättra precisionen för Th-förekomsten, och det relativa felet ligger inom flera procentenheter. Den rumsliga upplösningen för Mg#-kartan var 1° × 1° (=30 × 30 km i det ekvatoriala området), och det relativa felet ligger inom flera procentenheter (Ohtake et al. 2012). Den rumsliga upplösningen av fjärranalysdata kan ursprungligen vara större än de representativa skalorna för de kemiska sammansättningarna i månens stenprover. I detta fall skulle fjärranalysdata kunna ge den genomsnittliga sammansättningen av varje fotspår. Även om precisionen hos fjärranalysdata inte är lika hög som hos provdata, kan den globala trenden för Th-innehållet och Mg# över månen bekräftas med hjälp av positionsinformationen eftersom variationerna av Th och Mg# är betydligt större än deras fel. Med hänvisning till deras observation med hjälp av fjärranalysdata diskuterar vi den globala anorthositskorpelitologin genom att jämföra proverna från månens högland.

Mineralogi och petrologi hos de rena anorthositklasterna i fältspathiska månmeteoriter, Dhofar 489-gruppen

I det här avsnittet kommer mineralogin och petrologin hos de fem stora rena anorthositklasterna som är inbäddade i Dhofar 489 och Dhofar 911 att behandlas. Deras texturer klassificeras i tre grupper; de flesta av skillnaderna mellan texturerna kan förknippas med chockeffekter. Deras chocktexturer genom meteoritnedslag störs vanligen av nätverk av vittringsprodukter såsom kalcit som produceras vid den heta öknen i Oman (Korotev 2012).

Grupp I omfattar PA1 och PA5. Euhedrala till subhedrala plagioklaskorn är grova upp till cirka 2 mm i denna grupp. Betydligt mindre mafiska mineraler finns i korngränserna mellan magmatiska plagioklaskorn med albit tvillingstrukturer. BSE-bilder av mafiska mineraler i PA1 visas i figur 8. Vinkelformade oliviner observeras mellan stora magmatiska plagioklaskorn. Dessa kantiga texturer av mafiska mineraler skiljer sig från de generellt rundade mafiska mineralerna i granulit. Vi kan känna igen en magmatisk kristallin textur med albit tvillingar inom varje ursprunglig kristall (figur 2b). Därför kan vi dra slutsatsen att PA1 är en del av en grovkornig, magmatisk anorthosit. Om chockproducerade tvillinglameller hade glödgats efter metamorfa händelser för att producera granuliter skulle en sådan lamelltextur ha försvunnit (Takeda et al. 2006). Stora euhedrala till subhedrala plagioklaskristaller av PA1 som omsluter de små kantiga mafiska mineralerna kan tyda på att en tidig plagioklas kristalliserade vid hög temperatur i magman och ackumulerades; i den fasen fångade plagioklaskornen in små mängder vätska i korngränserna. Under temperatursänkningen kristalliserades små mafiska mineralkorn från de instängda vätskorna. En alternativ hypotes kan dock övervägas så att dessa klaster brecciaterades och omkristalliserades från fragment av stora enkristaller av plagioklas genom deformation och chockhändelser.

Bild av bakåtspridda elektroner (BSE) av mafiska mineraler i PA1 (a, b). Plg, plagioklas; Ol, olivin. Skalstrecket är 0,05 mm stort. (a) Visar förstorad BSE-bild av figur 2b.

Grupp II innefattar PA2 och PA4, som består av plagioklaskristaller av varierande storlek (figur 3) som uppenbarligen är finare än de i PA1. Dessa brecciated anorthositer kan ha genomgått chockhändelser och sedan metamorfoseras från grovkornig magmatisk anorthosit som PA1 eller större enskilda plagioklaskristaller. Mineralsammansättningen i varje klump är homogen och omfattar plagioklas (An94-97) och spår av pyroxen med låg kakaohalt (Mg# 71 till 72) i PA2 och plagioklas (An94-96), olivin (Fo64-68) och pyroxen med låg kakaohalt (Mg# 70) i PA4.

Grupp III omfattar PA3, som är en starkt chockad brecciated anorthosit som består av finkornig plagioklas (An95-97) liknande dem i grupp II. Den kemiska sammansättningen av de mafiska mineralerna i d4-klasten är heterogen (Mg# 30 till 70) och omfattar olivin (Fo57), pyroxen med lågt ka-värde (Mg# 69 till 71) och augit (Mg# 29, 72). Även om texturen liknar den i grupp II kan denna klast vara en mekaniskt blandad breccia av differentierade rena anorthositlitologier, vilket indikeras av den stora kompositionsvariationen i de mafiska mineralerna.

Plagioklaskompositionerna i de fyra rena anorthositklasterna i Dhofar 489 ligger inom ett mycket smalt kompositionsintervall (An94-97). De mafiska mineralsammansättningarna i PA1 (Fo61-63 av olivin; Mg# 60 till 66 av Opx), PA2 (Mg# 71 till 72 av låg-Ca-pyroxen) och PA4 (Fo64-68 av olivin; Mg# 70 av låg-Ca-pyroxen) är enhetliga i varje klast. Tidigare undersökningar av Dhofar 489 (Takeda et al. 2006) visade att olivinen (Fo78) i AN1 är mer magnesisk än de mafiska mineralerna i andra rena anorthositer i Dhofar 489 (PA1 till PA4). Plagioklaskompositionerna i PA5 i Dhofar 911 ligger inom ett mycket smalt intervall (An95-96) som liknar de rena anorthositerna i Dhofar 489 (PA1 till PA4). Olivinsammansättningarna i PA5 (Fo75-85) är mer magnesianska än de mafiska mineralerna i de rena anorthositerna i Dhofar 489. Dessa rena anorthositklumpar i Dhofar 489-gruppen uppvisar kemiska variationer i de mafiska mineralens Mg#.

Den kemiska sammansättningen i PA1 (d2) rapporterades i tidigare arbeten (Karouji et al. 2004; Takeda et al. 2006). Texturen i PA1 är delvis störd av nätverk av vittringsprodukter (t.ex. kalcit) i den varma öknen i Oman (figur 2c). Därför kan bulksammansättningen i PA1 (Takeda et al. 2006) innehålla jordiska vittringsprodukter (Korotev 2012). Siderofila grundämnesförkomster i PA1 är Co på 1,6 ppm, Ni på <18 ppm och Ir på <3 ppb. Bulkhalten av Ni i PA1-klasten ligger under detektionsgränsen och ger därmed ett lågt bulkförhållande Ni/Co på <11 (Karouji et al. 2004; Takeda et al. 2006). Dessa data stödjer teorin att denna klast är ett orört stenfragment som knappast påverkats av meteoritisk kontaminering.

Mineralogi och petrologi hos Apollo FAN 60015 jämfört med andra Apollo FAN-prover

Anorthositer av Apollo-proverna, som kallas FAN på grund av deras ferroiska sammansättningar, producerades i den mer utvecklade magmaoceanen (t.ex. Warren 1985, 1990). Enligt de modala och mineralogiska uppgifterna om FAN kunde denna svit delas in i flera undergrupper inklusive anorthositisk ferroan (AF), mafisk magnesisk (MM), anorthositisk sodisk (AS) och mafisk ferroan (MF), vilket förklaras av James et al. (1989, 2002) och Floss et al. (1998).

Pyroxener är mycket viktiga mineraler som inspelare av bergarternas evolutionära historia i magmahavet. Figur 9a sammanfattar pyroxensammansättningarna i 60015 inklusive våra data och vidare resultaten med resultaten från andra FAN-prover inklusive 60025, 62255 och 65315 (figur 9b,c,d), som erkänns som orörda bergarter (t.ex. Warren 1993). Hela massan av 60015 är 5,57 kg, vilket gör den till den största stenen bland Apollos FAN-prover. Orthopyroxensammansättningarna i 60015 är homogena (En62 till En67) i jämförelse med sammansättningarna i andra FAN-prover. Vidare är 60015 homogen när det gäller den modala rikedomen av plagioklas (>98 %). Även om 60015 kan kategoriseras som AF enligt kriterierna från James et al. (1989), tyder våra mineralogiska data och resultaten från tidigare arbeten (t.ex. Dixon och Papike 1975) ytterligare på att 60015 är en orörd ren anorthosit av FAN-typ på grund av homogeniteten i dess mineralsammansättningar och renhet. FAN-prov 60025 är heterogent när det gäller den modala rikedomen av plagioklas bland vissa sektioner (70 % till 99 %: Dixon och Papike 1975; James et al. 1991; Warren och Wasson 1977), som innehåller AF- och MM-anorthositer (t.ex. Floss et al. 1998). Stora sammansättningsvariationer av ortopyroxener (En48 till En70) i de olika delarna av 60025 (figur 9b) kan tillskrivas en blandning av olika litologityper (t.ex, Floss et al. 1998; James et al. 1991; Ryder 1982; Takeda et al. 1976).

Pyroxensammansättningar i Apollo ferroanska anorthositer: (a) 60015, (b) 60025, (c) 62255 och (d) 65315. Data för 60015-pyroxenerna kommer från detta arbete (röda cirklar) utöver Dixon och Papike (1975) och McGee (1993). Data för 60025 pyroxener kommer från Dixon och Papike (1975), James et al. (1991), McGee (1993), Takeda et al. (1976) och Walker et al. (1973). Pyroxenuppgifter i anorthositen i 62255 härrör från McGee (1993), Ryder och Norman (1979) och Schaal et al. (1976). Data för pyroxenerna i 65315 härrör från Dixon och Papike (1975) och McGee (1993).

Implikation för modellen för månens anorthositskorpa på studiet av månens anorthositprover

Den ursprungliga LMO-modellen på grundval av Apollo-proverna utgick från att flotation av plagioklas producerades genom endimensionell konvektion på magmaytan. Gammastrålspektrometern och spektralprofilern på Kaguya avslöjade dock kompositionella dikotoma fördelningar i högländerna av Th-överflödet (Kobayashi et al. 2012) och Mg# (Ohtake et al. 2012) där indikerade att det centrala farsidehöglandet uppvisade det lägsta Th-överflödet och det högsta Mg# bland fältspathiska höglandsregioner.

Studier av Apollo/Luna-prover och månmeteoriter har avslöjat att nästan alla fältspathiska höglandsprover är polymict stenar som är kraftigt brecciaterade av många nedslag och metamorfoserade genom chockuppvärmning (t.ex, Cahill et al. 2004; Cohen et al. 2005; Joy et al. 2010; Korotev 2005; Lindstrom och Lindstrom 1986; Nagaoka et al. 2013; Warren et al. 2005; Yamaguchi et al. 2010).

Proverna i Dhofar 489-gruppen är anorthositiska breccior med kristallin matris som består av olika blandningar av lithiciska eller glasartade klaster, inklusive smältbrott och granulitiska breccior (Takeda et al. 2006, 2007, 2008; Treiman et al. 2010). Även om magnesianska anorthositer (MA1, MA2; Takeda et al. 2006) och den magnesianska anorthositen med granulitisk brecciatextur (figur 5) är mindre metamorfoserade än de månmagnetiska magnesianska granulitiska brecciorna i Dhofar 489-gruppen (t.ex. Takeda et al. 2006, 2007, 2008; Treiman et al. 2010), tyder deras texturer, som inkluderar aggregat av oliviner med rundade former, på att de kan ha blivit termiskt metamorfoserade. Sådana magnesiska klaster som hittas i fältspathiska månmeteoriter antyds skilja sig från Mg-suite stenar som returnerades från den centrala närsidan av Apollo-uppdragen på grund av avsaknaden av inkompatibla element som REEs (t.ex. Takeda et al. 2006; Treiman et al. 2010). Ursprunget för dessa magnesiska bergarter utan KREEP-signaturer antas inte vara en direkt bildning från ett magmahav; de kan snarare vara produkter av mer komplexa processer för bildning av jordskorpan (Gross et al. 2014). Dessutom är dessa magnesiska klaster ofta brecciated av många nedslag och var termiskt metamorfoserade genom chockuppvärmning; således kan de ha genomgått komplexa metamorfa processer (Takeda et al. 2012).

Denna studie har upptäckt flera rena anorthositklaster i Dhofar 489-gruppen. De rena anorthositerna PA1 och PA5 kan ha bevarat grovkorniga texturer; andra rena anorthositer kan ha metamorfoserats från grovkornig ren anorthosit eller stora enkristaller av plagioklas genom deformation eller omkristallisering. Figur 10 visar mineralsammansättningen hos de rena anorthositerna i Dhofar 489 (PA1, PA3, PA4 och AN1), Dhofar 911 (PA5) och Apollo-provet (60015). Mg# för varje ren anorthosit i Dhofar 489-gruppen (figur 10a) är relativt enhetlig inom flera millimeter med undantag för PA3, trots att stora variationer av Mg# hittades bland de rena anorthositerna. Månens anorthosit, 60015, skulle kunna vara en monomikblandning av rena anorthositer i samma skede i den närliggande magmaoceanen på grund av dess snäva kompositionsvariation av mafiska mineraler (figur 10b). Studier av anorthositprover tyder på att dessa rena anorthositer möjligen grävdes ut på månens yta från ett globalt rent anorthositskikt (Ohtake et al. 2009; Yamamoto et al. 2012) som existerar under ett översta mafiskrika blandskikt (t.ex. Hawke et al. 2003). Parmentier och Liang (2010) beräknade den instängda smältfraktionen på grund av frysning i toppen av magmahavet baserat på de olika kornstorlekarna och en vätskeviskositet på 10 Pa. Enligt denna uppskattning är en fångad smältfraktion på mindre än 2 %, enligt SELENE-mätningarna, möjlig om kornstorleken är tillräckligt grov, t.ex. ett par millimeter i storlek. Denna fraktion motsvarar innehållet av mafiska mineraler i anorthositen. Modellberäkningen av Piskorz och Stevenson (2014) visar att plagioklaskristallerna redan hade bildats och att de mafiska interstitiella mineralerna fortfarande var flytande, vilket resulterar i en minsta fångad interstitiell smältfraktion på 2 %. Deras beräkningsresultat i samband med ett enormt magmasystem stöder förekomsten av ren anorthosit som litologi i månskorpan.

Mineralkemi hos de rena anorthositklumparna i Dhofar 489, Dhofar 911 och FAN 60015. Mineralsammansättningen av a) de rena anorthositklumparna i Dhofar 489 (PA1, PA3, PA4 och AN1), Dhofar 911 (PA5) och b) 60015 (detta arbete) är plottat i plagioklas An-värdena i förhållande till Mg# (=molär 100 × Mg/(Mg + Fe)) av olivin (Ol) och ortopyroxen (Opx) som existerar tillsammans med andra oliviner (Ol) och ortopyroxen (Opx). De klassiska differentieringstrenderna är ferroan anorthosit (FAN)-suite och Mg-suite bergarter (t.ex. Warner et al. 1976; Warren och Wasson 1977). Områdena är hämtade från Yamaguchi et al. (2010). Områdena i ljusblått representerar konfidens ≧7, och de i ljusgrönt representerar konfidens ≦6 (Warren 1993).

Ohtake et al. (2012) presenterade en asymmetrisk tillväxtmodell för jordskorpan för att tolka den tudelade fördelningen av Mg# med ett högre Mg# i farssidan än i närsidan. Modellen (Ohtake et al. 2012) använder en ytkonvektionskraft från närsidan till fjärrsidan som genereras av en högre temperatur på närsidan som orsakas av jordens termiska avskärmning enligt en lutande konvektionsmodell (Loper och Werner 2002). Denna krafttransporterade plagioklas kristalliserade i det första skedet av skorpbildningen på farssidan. Dessutom utvecklades en hög Mg# anorthosit ”rockburg” i farssidan, och den ferroanska skorpan kristalliserade från den mer utvecklade magma som bildades i närsidan (Ohtake et al. 2012). Om stora Mg#-variationer av mafiska mineraler bland de rena anorthositerna skulle kunna återspegla den globala trenden för den anorthositiska skorpan som observerats av fjärranalysdata, skulle Mg#-variationerna av mafiska mineraler bland de rena anorthositerna kunna förklaras av de olika tidpunkterna för kristalliseringssekvensen under den asymmetriska kristalliseringen av skorpans tillväxt (Ohtake et al. 2012), vilket resulterade i antingen lateral (regional) eller vertikal (djup) heterogenitet i det förmodade massiva lagret av ren anorthosit (Ohtake et al. 2009; Yamamoto et al. 2012).

Om variationerna i Mg# skulle kunna härledas från relativt lokala variationer över små avstånd inom samma kumulativa bergart, skulle enbart en sekvens av kompositionsförändringar genom kristallisation av ett enormt magmasystem inte kunna förklara sådana lokala variationer. I så fall kan ren anorthosit ha genomgått fraktionell kristallisering i den kumulativa högen, vilket resulterade i stora variationer av Mg# (från cirka 80 till cirka 60) över små avstånd. Det krävs en speciell mekanism för att förklara sådana stora variationer inom lokala områden, även om en specifik process som förklarar variationerna på månen hittills inte har fastställts. Anorthositer med höga halter av plagioklas (>95 %) på jorden produceras genom deformation (Lafrance et al. 1996). Om månens rena anorthosit skulle kunna produceras genom deformation eller rekristallisering skulle en sådan Mg#-variation kunna uppstå lokalt genom sådana processer. Relativt mafiskrik anorthosit skulle kunna härledas från den kvarvarande vätskan, vilket diskuteras av Ohtake et al. (2009). Även om vi kunde bekräfta en global trend av Mg# i månens anortositskorpa (Ohtake et al. 2012) skulle det dock vara svårt att förklara en sådan global trend enbart med lokala variationer av Mg# orsakade av rekristallisations- och deformationsprocesser.