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

Titelangaben

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)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005517

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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.