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Lexikon der Geowissenschaften: Minerale im extraterrestrischen Raum

Minerale im extraterrestrischen Raum, an Meteoriten und an Proben von der Mondoberfläche bekannte und untersuchte Minerale. In beiden Fällen handelt es sich überwiegend um Minerale, die auch auf der Erde auftreten. Ein besonderes Kennzeichen ist, daß sie wasserfrei sind. Bereits dieersten Analysen der Mondoberfläche mit α-Strahlgeräten durch die unbemannten Surveyorsonden Nr. 5 am Südwestrand des Mare Tranquillitatis und Nr. 6 im Mare Sinus Medii haben ergeben, daß es sich in den dunklen Maregebieten um gabbroide bzw. basaltische Gesteine handelt, während die Analyse von Surveyor Nr. 7 im Gebiet nördlich des Kraters Tycho darauf schließen läßt, daß bei den Gesteinen der Hochländer eine anorthositische Zusammensetzung vorliegt. Die Untersuchungsergebnisse des Gesteinsmaterials der bemannten Landung von Apollo 11 im Mare Tranquillitatis, Apollo 12 im Oceanus Procellarum und Apollo 14 (Fra Mauro) sowie der unbemannten Sonde Luna 16 im Mare Fecunditatis und die Gesteinsproben von Apollo 15 in dem Gebiet des Hadleygebirges bestätigten diesen Befund. An Mineralphasen der Basalte des Oceanus Procellarum wurden 3,3 Mrd. Jahre, für die des Mare Tranquillitatis 3,6 Mrd. Jahre gemessen. Die älteste Mondgesteinprobe hat ein Alter von 4,66 Mrd. Jahren und ist damit also zu einer Zeit erstarrt, als das Planetensystem entstanden ist, nach neuesten Berechnungen vor 4,7 Mrd. Jahren. Während tertiäre oder palaeozoische Basalte auf der Erde durch die Zersetzung und Umwandlung ihres Mineralbestandes heute bereits als völlig veränderte Gesteine vorliegen, sind die lunaren 3-4 Mrd. Jahre alten Gesteine, sieht man von den charakteristischen Oberflächenerscheinungen ab, so frisch wie am Tage ihrer Erstarrung. Auf dem Mond hat man neben den primären Gesteinen Basalt, Gabbro und Anorthosit ebenfalls Lockerprodukte, die man als Regolith, Soils und Brekzien bezeichnet hat, gefunden. Sie entsprechen den Sedimentgesteinen der Erdoberfläche, jedoch sind die wirksamen Kräfte auf dem Mond, die zu ihrer heutigen Form geführt haben, vor allem in dem unaufhörlichen hochenergetischen Meteoritenbombardement zu suchen, das auch zu den charakteristischen Erscheinungen der Stoßwellenmetamorphose (Stoßwelleneffekt) geführt hat, die aus den Gebieten terrestrischer Meteoritenkrater ebenfalls bekannt sind.

Wie die irdischen, so zeigen auch die lunaren Basalte z.T. recht unterschiedliche Gefügemerkmale. Auch in ihrer Paragenese mit dem Hauptmineralkomponenten Plagioklas,basaltischer Augit und Ilmenitgleichen sie auffallend den doleritischen Feldspatbasalten. Zwar zeigen auch die lunaren Plagioklase häufig einen Zonarbau mit einem mehr basischen und anorthitreichen Kern, aber im Gegensatz zu der relativ großen Variationsbreite, durch die sich der Feldspat der irdischen Basalte auszeichnet, ist sie hier recht klein und überschreitet selten mehr als 5%. Man hat dies als einen Hinweis darauf aufgefaßt, daß es sich bei den Plagioklasen der Mondbasalte um Endglieder einer intensiven fraktionierten Kristallisation handelt. Ihr Anorthitgehalt liegt selten unter 60%, er ist imallgemeinen mit 88-90% bestimmt worden und er kann sogar 100% erreichen. Eine weitere merkwürdige Eigenart der lunaren Plagioklase ist ihre nicht stöchiometrische Zusammensetzung, ihre Moldifferenz Si-Na ist stets größer als 6, die Differenz Al-Ca stets größer als 1. Plagioklaskristalle in lunaren Brekzien, die dem Einfluß der Stoßwellenmetamorphose ausgesetzt waren, zeigen charakteristische planparalle Deformationslamellen,die bei einem Druck von mindestens 20 GPa (200 kbar) entstanden sind,also bei einem Druck, der niemals im entferntesten bei vulkanischen Eruptionen oder tektonischen Prozessen erreicht werden kann. Diese Lamellensysteme sind Spuren innerkristalliner Translationsvorgänge bestimmter kristallographischer Orientierung, die sich deutlich vom Zonarbau und der Zwillingslamellierung terrestrischer Plagioklase unterscheiden. Dasselbe trifft auch für die übrigen kristallinen Phasen zu,etwa für die Pyroxene,die ebenfalls schmale, stoßwellenbeanspruchte Deformationslamellen aufweisen können, deutlich unterscheidbar vom nicht stoßwellenbeanspruchten basaltischen Augit terrestrischer Gesteine.

Daß bei der Bildung der Mondböden und Brekzien zerstörende Prozesse sehr hoher Energie wirksam waren, zeigen vor allem auch röntgenographische Untersuchungen der einzelnen Mineralphasen, wobei die Auflösung des Kristallverbandes vielfach bis in die Größenordnung atomarer Bereiche reicht. Ein völlig neuartiges, auf der Erde unbekanntes Mineral, das dem irdischen Mineral Pseudobrookit (Fe3+TiO5) ähnlich ist, hat man nach den Apollo 11-Astronauten Armstrong, Aldrin und Collins, als Armalcolit bezeichnet. Es hat die Zusammensetzung (Fe2+,Mg)Ti2O5 und findet sich sehr häufig in den Basaltgesteinen. Das Fe liegt gegenüber dem Fe im Pseudobrookit in zweiwertiger Form vor, was auf hochreduzierende Verhältnisse in den lunaren Gesteinsschmelzen hindeutet. Keine Mineralgruppe ist jemals so genau untersucht worden wie die Pyroxene des Mondes. Mehr als 20.000 Analysen lunarer Pyroxene sind in Abb. 1 zusammengefaßt. Pigeonite und basaltische Augite liegen im Bereich terrestrischer Mineralphasen, während ein auf der Erde völlig unbekanntes Pyroxenmineral nur in den lunaren Basalten auftritt und den Namen Pyroxferroiterhalten hat. Gemäß seiner Zusammensetzung ((Fe,Mn)7Si7O2) entspricht es dem eisenreichen Analog des seltenen irdischen Minerals Pyroxmangit ((Mn,Fe)7Si7O21). Mineralsynthetische Untersuchungen zeigen, daß Pyroxferroit sich erst bei Drucken von mehr als 1 GPa (10 kbar) bildet, was einer Tiefe von einigen 1000 km unter der Oberfläche des Mondes entspräche. Offenbar handelt es sich daher um eine metastabile Phase, die durch ungewöhnliche Kristallisationsverhältnisse in den Gesteinen des Mondes aus Fe2+-reichen Silicatschmelzen im Spätstadium entstanden ist, da die Basalte, in denen Pyroxferroit gefunden wurde, mit Sicherheit oberflächennah kristallisierten. Sehr viel seltener als Armalcolit und Pyroxferroit ist ein weiteres, auf dem Mond erstmals gefundenes Mineral. Nach dem Fundort Mare Tranquillitatis als Tranquillityitbezeichnet, tritt es in sehr kleinen, leistenförmigen Kristallen auf,die sich durch eine strahlenförmige Anordnung zwischen den frühen Mineralbildungen Plagioklas, Pyroxen und Ilmenit finden. Es handelt sich um ein wahrscheinlich hexagonales Silicatmineral der Zusammensetzung Fe8(Zr,Y)2Ti3Si3O24, das, wie Untersuchungen mit der Elektronenstrahlmikrosonde ergaben, noch Gehalte an Ca, Al, Mn, Cr, Nb, Seltenen Erden, Hf, U und Th aufweist. Experimentelle Untersuchungen haben auch hier ergeben, daß es sich um eine metastabile Phase handeln muß, die jedoch hier durch die Seltenen Erden im Gitter stabilisiert wurde. Es ist eines der zuletzt auskristallisierten Minerale in den Mondgesteinen neben den Mineralen Apatit, Whitlockitund Pyroxferroit.

Die lunaren Pyroxene zeigen keine Spur der Uralitisierung, wie überhaupt Minerale mit Hydroxylgyruppen, z.B. Hornblenden und Biotit, die in terrestrischen Basalten nicht gerade selten sind, bisher in keinem lunaren Gestein mit Sicherheit nachgewiesen wurden. Olivinist offenbar in den lunaren Basalten sehr viel seltener als in irdischen. Sehr interessant ist dabei, daß hier Chrom in der zweiwertigen Form als Cr2SiO4 auftritt, eine kristalline Phase, die auch synthetisch hergestellt worden ist. Auf einen Disproportionierungsprozeß dieses Chromolivins führt man das freie Eisen der Apollo 12-Basalte aus dem Oceanus Procellarum zurück; Disproportionierungen bei diesen lunaren Mineralphasen sind offenbar recht häufig. Freies Eisengehört zu den seltensten und kostbarsten Mineralen, die man auf der Erde kennt. Außerirdisch – als Hauptgemengteil der Eisenmeteoriten und (wenn überhaupt) auch fein verteilt in den Mondbasalten – sind seine Bildungs- und Existenzbedingungen offenbar sehr viel besser. Während terrestrische Vorkommen, etwa das im Basalt von Bühl bei Kassel oder von Ovifak in Grönland, nur durch den sehr seltenen Zufall eines natürlichen Hochofenprozesses mit kohligen, also organischen Substanzen gebildet wurden, führen in den lunaren Basalten eine ganze Reihe von Reaktionen zur Entstehung von elementarem Eisen. So kann man z.B. erzmikroskopisch feststellen, daß der in den Mondbasalten oft vorkommende Ulvöspinell (TiFe2O4) zu Ilmenit und freiem Fe disproportioniert. Von petrologischem Interessse ist auch das Mineral Troilit (FeS), eine Spätbildung der lunaren Basalte, das stets freies Eisen enthält, und zwar im Verhältnis 1:6, denn man kann aus diesem Mengenverhältnis und aus den experimentell bekannten eutektischen Verhältnissen des Systems FeSFe Rückschlüsse auf den Kristallisationsendpunkt der Mondbasalte ziehen, der etwa 1200ºC betragen haben muß. Ilmenit (FeTiO3) ist in den Mondbasalten ungewöhnlich frisch und ohne Entmischungserscheinungen, in den Anschliffen der Brekzien finden sich aber auch hier häufig Druckzwillingslamellen.

Abweichend von den terrestrischen Basalten zeichnen sich alle bisher untersuchten Mondbasalte durch das Fehlen von Wasser und CO2 aus. Eisen und auch Chrom treten fast nur in der niedrigsten Oxidationsstufe auf, was zu den erwähnten Disproportionierungsprozessen und zur Bildung des elementaren Eisens führt. Die lunaren Basalte enthalten im allgemeinen gegenüber irdischen, aber auch gegenüber silicatischen Meteoriten (Silicatmeteoriten), den Chondriten, ungewöhnlich hohe Anteile an Zr, Hf, SE und Y, jedoch sehr viel weniger leichtflüchtige Elemente wie Cd, Zn, In, Ti, Bi, Hg, Pb, Ge, Cl, Br usw., woraus man wiederum schließen kann, daß das basaltische Marematerial das Resultat einer intensiven fraktionierten Kristallisation darstellt. Schließlich führen überraschenderweise die Mondbasalte auch viel geringere Mengen an siderophilen Elementen (geochemischer Charakter der Elemente) wie Ni, Co, Ir und Gold, wodurch man folgern kann, daß die silicatischen Magmen des Mondes, aus denen sich die lunaren Basalte der Maregebiete entwickelt haben, in frühester Zeit einmal mit einer Eisenschmelze in Berührung gestanden haben. Da der Mond aber wegen seiner geringen Gesamtdichte keinen Eisenkern hat, wäre dies ein Hinweis auf eine ursprüngliche Bildung der Mondmaterie aus der äußeren Silicathülle eines größeren Körpers.

Eine interessante Rolle spielen auch die Seltenen Erden (SE), die in den Mondbasalten ca. fünfmal häufiger sind als in den terrestrischen, und nimmt man als Standard chondritisches Meteoritenmaterial als Bezugseinheit, dann ergibt sich das Phänomen der Europiumanomalie ( Abb. 2 ). Die Tatsache der relativen Verarmung des Elementes Europium in den lunaren Basalten gegenüber den anderen SE, die sich chemisch alle sehr ähnlich verhalten, kann man sich nur durch einen selektiven Abfangeffekt (Diadochie) im Verlauf der fraktionierten Kristallisation dieser Magmen erklären. In detaillierten Untersuchungen über die Verteilung der SE in den einzelnen Mineralphasen wurde nachgewiesen, daß in den Feldspäten eine positive, bei den Pyroxenen und den opaken Erzmineralen dagegen eine negative Europiumanomalie auftritt. Offenbar geht Europium bei dem sehr niedrigen Oxidationsgrad in zweiwertiger Form in den Feldspat, während die anderen nur dreiwertig auftretenden SE im Verlauf der Entmischung beim Auskristallisieren aus der Schmelze im Pyroxen und den Erzmineralen zurückbleiben. Auf einen intensiven Fraktionierungsprozeß bei der Kristallisation der Mondmagmen weist auch die außergewöhnlich geringe Temperaturdifferenz von nur 70ºC zwischen Solidus und Liquidus der Mondbasalte hin, während dieses Intervall bei terrestrischen Basalten sehr viel größer ist. [GST]


Minerale im extraterrestrischen Raum 1: Verteilung und Zusammensetzung der Pyroxenminerale in irdischen und lunaren Gesteinen. Pyroxferroit (helle Schraffur) tritt nur in lunaren Gesteinen auf, während die Gesteine der anderen Felder (dunkle Schraffur) sowohl in terrestrischen als auch lunaren Gesteinen vorkommen. Minerale im extraterrestrischen Raum 1:

Minerale im extraterrestrischen Raum 2: Europiumanomalie: Häufigkeit der Seltenen Erden (SE) in den Mondgesteinen relativ zur Häufigkeit der SE in chondritischen Meteoriten (Ch) (oben) und Häufigkeit der SE in den Mineralphasen (SE-M) der Mondgesteine relativ zur Häufigkeit der im Gesamtstein (SE-G)(unten). Minerale im extraterrestrischen Raum 2:

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