High Pressure Minerals in the Earth and Moon : Understanding the Lunar Impact History and Earth's Deep Water Cycle

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Satta, Niccolò:
High Pressure Minerals in the Earth and Moon : Understanding the Lunar Impact History and Earth's Deep Water Cycle.
Bayreuth , 2021 . - x, 148 S.
( Dissertation, 2020 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

The detection and study of high pressure minerals either remotely through seismology or in natural specimens can provide important constraints on physical and chemical properties occurring at normally inaccessible conditions, such as during planetary impact events or deep inside planets. For four and a half billion years, countless impact events have shattered the Moon's surface, leaving a unique record of impact craters. Understanding the nature, and estimating the ages of the largest lunar craters was among the main goals of the Apollo missions. However, despite the large number of samples collected, the ages of the largest craters are still debated. 40Ar/39Ar ages constrained in lunar samples may be biased by subsequent thermal events, hampering our current understanding of the Moon's collisional history. A viable way to evaluate this possibility is to evaluate the behaviour of lunar regolith under shock compression. In this thesis, scanning and transmission electron microscope techniques are used to constrain shock conditions recorded in a regolith breccia, by a detailed description of shockinduced microtextures and mineralogical assemblages. I present the first observation of natural ferropericlase in a lunar rock. My observations suggest that the lunar ferropericlase formed as a result of shock-induced incongruent melting of olivine, a phenomenon found previously only in experiments. Furthermore, I estimated the pressure – temperature evolution of the shock event. Our results indicate that because of its porous nature, the lunar regolith can experience elevated temperatures even during low magnitude impacts. Based on these ndings, we suggest that a more accurate estimate of the ages of the main collisional episodes of the Moon's surface requires a reevaluation of the current 40Ar/39Ar constrains. Subduction of altered oceanic slabs and hydrous sediments control the input of water into the deep Earth's interior. During subduction, hydrous materials are exposed to increasing pressures and temperatures, which causes a chain of prograde metamorphic reactions to occur. Previous experimental investigations indicate that water, bound as hydroxyl groups, can be passed between hydrous phases and consequently delivered by subduction to the deepest portions of the Earth's mantle. Seismological surveys provide information on the seismic structures that characterize subducting scenarios, however, an accurate interpretation of the hydration state is achievable only through experimental constraints on the possible seismic signatures of these hydrous phases. In this thesis, I conducted two projects with the aim of characterizing the single-crystal elasticity of phase E and -(Al,Fe)OOH, two hydrous phases relevant for the delivery and stabilization of water in the Earth's deep interior. In the case of phase E, experimental methodologies were used for the synthesis of single crystals, and an accurate chemical characterization was achieved with state-of-the-art analytical techniques. Brillouin spectroscopy and X-ray diffraction analysis were employed to determine the full elastic tensor and unit-cell parameters, respectively. I found that phase E has very low aggregate velocities, signi cantly lower than those of other minerals expected to be stable at the same pressure and temperature conditions. By combining my findings with previous experimental investigations, aggregate velocities of subducted rocks were evaluated assuming different hydration states. These results imply that if present, phase E is capable of significantly lowering seismic wave velocities, raising the possibility that this hydrous phase could be detected remotely allowing hydrated regions of the deep mantle to be mapped. By performing Brillouin spectroscopy and X-ray diffraction measurements in a diamondanvil cell, the structure and elastic properties of -(Al,Fe)OOH have been examined up to pressures where a second order phase transformation occurs from the P21nm space group to Pnnm. The elastic tensors of both the P21nm and Pnnm structures were constrained experimentally. In addition, by tracking the intensity attenuation of selected reflections we were able to tightly constrain the transition pressure. Our findings are in agreement with previous investigations on the aluminium end member, suggesting that the incorporation of Fe3+ has a limited effect on the P21nm to Pnnm phase transition. Both X-ray diffraction and Brillouin spectroscopy results show that, prior to the transition into the Pnnm phase, the P21nm -(Al,Fe)OOH phase experiences an elastic softening. This softening is associated with a change in the hydrogen bond configuration from asymmetric (P21nm) to disordered (Pnnm). Similar changes can be expected in other hydroxide minerals, suggesting that the elastic softening may be a common precursor of hydrogen bond symmetrization.

Abstract in weiterer Sprache

Der Nachweis von Hochdruckmineralen, entweder indirekt durch Seismologie oder direct in natürlichen Gesteinsproben, kann wichtige Hinweise auf die physikalischen und chemischen Zustände unter normalerweise nicht zugänglichen p,T Bedingungen liefern. Viereinhalb Milliarden Jahre lang haben zahllose Einschlagsereignisse die Oberfläche des Mondes zertrümmert und dabei eine einzigartige Ansammlung von Einschlagskratern hinterlassen. Das Verständnis der Natur sowie die Abschätzung der Alter der gröÿten Einschlagskrater war eines der Hauptziele der Apollomissionen. Trotz der groÿen Anzahl von Proben, die dabei gesammelt wurden, wird das Alter groÿen Einschlagskrater immer noch diskutiert. 40Ar/39Ar Alter, die in den lunaren Proben ermittelt wurden, können durch nachfolgende thermische Ereignisse beeinflusst worden sein, so dass unser gegenwärtiges Verständnis der Kollisionsgeschichte des Mondes unvollständig bleibt. Ein gangbarer Weg, um diese Möglichkeit zu bewerten, besteht in der Untersuchung des Verhaltens von lunarem Regolith unter Schockkompression. In der vorliegenden Arbeit wurden raster- und transmissionselektronenmikroskopische Methoden eingesetzt, um die in Regolith- Brekzien dokumentierten Schockbedingungen durch eine detaillierte Beschreibung der schockinduzierten Mikrotexturen und Mineralvergesellschaftungen einzugrenzen. In dieser Studie wird die erstmalige Beobachtung von natürlichem Ferroperiklas in einem lunaren Gestein vorgestellt. Darüber hinaus deuten weitere Beobachtungen darauf hin, dass der lunare Ferroperiklas als Resultat von shockinduziertem inkongruentem Schmelzen von Olivin entstanden ist, einem Phänomen, das bisher nur in Experimenten beobachtet werden konnte. Die Druck-Temperatur Entwicklung des Schockereignisses wurde abgeschätzt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der lunare Regolith aufgrund seiner porösen Struktur erhöhte Temperaturen auch bei Einschlägen geringer Magnitude erfahren kann. Basierend auf diesen Resultaten wird vorgeschlagen, dass eine genauere Bestimmung der Alter der Haupteinschlagsphasen auf der Mondober_äche eine Reevaluierung der gegenwärtigen 40Ar/39Ar Grenzbedingungen erforderlich macht. Subduktion von alterierten ozeanischen Platten und wasserhaltigen Sedimenten kontrollieren die Zufuhr von Wasser in das tiefe Erdinnere. Während der Subduktion werden die wasserhaltigen Materialien zunehmenden Drücken und Temperaturen ausgesetzt, was eine Kette von prograden metamorphen Reaktionen auslöst. Vorhergehende experimentelle Untersuchungen deuten darauf hin, dass Wasser, gebunden als Hydroxylgruppen, zwischen wasserhaltigen Phasen ausgetauscht werden kann und folglich durch Subduktion bis in die tiefsten Bereiche des Erdmantels verbracht werden kann. Seismologische Studien liefern Informationen über die seismischen Strukturen, die charakteristisch für Subduktionsbereiche sind, eine akkurate Interpretation des Hydratisierungszustandes kann jedoch nur durch experimentelle Bestimmungen der möglichen seismischen Signaturen der wasserhaltigen Phasen erreicht werden. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Projekte mit dem Ziel durchgeführt, die Einkristall- Elastizität der Phase E und δ- (Al,Fe)OOH zu bestimmen, zwei wasserhaltigen Phasen, die für den Transport und die Speicherung von Wasser im tiefen Erdinneren relevant sind. Im Fall der Phase E wurden experimentelle Methoden für die Synthese von Einkristallen genutzt, und eine akkurate chemische Charakterisierung wurde mit modernen analytischen Methoden erreicht. Brillouinspektroskopie und Röntgenbeugungsanalyse wurden verwendet, um den vollständigen elastischen Tensor bzw. die Gitterparameter zu bestimmen. Mithilfe dieser Daten konnten wir bestimmen, dass die Phase E nur sehr niedrige Aggregatgeschwindigkeiten hat, die signifikant geringer sind als die anderer Minerale, die bei denselben Drücken und Temperaturen stabil sind. In dem wir unsere Resultate mit denen früher experimenteller Untersuchungen kombinierten, konnten wir die Aggregatgeschwindigkeiten von subduziertem Gesteinen mit unterschiedlichem Hydratisierungsgrad evaluieren. Diese Resultate implizieren, dass - falls vorhanden - Phase E fähig ist, die seismischenWellengeschwindigkeiten signifikant zu erniedrigen, und so die Möglichkeit erö_net, dass diese wasserhaltige Phase durch Fernerkundung detektiert werden kann und hydratisierte Bereiche des tiefen Mantels kartiert werden können. Durch Brillouinspektroskopie und Röntgenbeugungsmessungen in einer Diamantstempelzelle wurden die Struktur und die elastischen Eigenschaften von δ-(Al,Fe)OOH bis zu einem Druck untersucht, bei dem eine Phasentransformation zweiter Ordnung von der P21nm zur Pnnm Raumgruppe auftritt. Die elastischen Tensoren von beiden Strukturen (P21nm und Pnnm) wurden experimentell bestimmt. Weiterhin waren wir durch die Verfolgung der Intensitätsverringerung ausgewählter Re_ektionen in der Lage, den Übergangsdruck eng einzugrenzen. Unsere Ergebnisse sind in Übereinstimmung mit vorhergehenden Untersuchungen an dem reinen Aluminium-Endglied, was darauf hindeutet, dass der Einbau von Fe3+ nur einen geringen Ein_uss auf den P21nm zu Pnnm Phasenübergang hat. Sowohl die Röntgenbeugung als auch die Brillouinspektroskopie zeigen, dass, vor dem Übergang in die Pnnm Phase, die P21nm δ-(Al,Fe)OOH Phase eine Erniedrigung der elastischen Parameter aufweist. Diese Erniedrigung ist assoziiert mit einem Wechsel in der Konfiguration der Wassersto_bindung von asymmetrisch (P21nm) zu ungeordnet (Pnnm). Ähnliche Änderungen können auch in anderen Hydroxid-Mineralen erwartet werden, was darauf hindeutet, dass die Erniedrigung der elastischen Parameter ein verbreiteter Vorläufer der Symmetrisierung von Wassersto_bindungen sein könnte.