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Lunar megaregolith mixing by impacts: the spatial diffusion of surface material and its implications for sample interpretation

Liu, Tiantian

FG Planetengeodäsie

The Moon has experienced a great number of impact events since the formation of its crust. The impact cratering process mixes material of different origins leading to a complex surface composition. The samples that were collected from the lunar surface were found to consist of various components. Because of the difficulty to link any particular component to a specific impact event on the Moon, inferences about the origin of some components, and in particular, their association with specific basin forming events, remain uncertain. In this thesis, a spatially resolved numerical model tracing the evolving distribution of surface material is developed using the Monte Carlo method. Based on this model, components of known origin can be traced in their presence and abundance into the present-day surface material, providing a quantitative aid in interpreting the origin of the different components observed in the returned samples. Impact melt, the material heated to the high temperature caused by the hypervelocity impact events, is a common product of impact cratering. The age of impact melt and hence the occurrence time of the impact event can be measured using radioisotopic dating techniques based on the isotopic clock of the incorporated radioactive elements. The radioisotopic clock of the elements that possess the relatively low closure temperature (e.g. K-Ar system) can be easily reset by the high temperature. By measuring the abundance of the incorporated radioactive elements, the absolute age of the melt can then be measured. If we understand the abundance of impact melt of different ages, the lunar bombardment history can be well constrained. This thesis is, therefore, first focusing on the evolving distribution of impact melt. The impact melts of lunar basins whose diameter is larger than 300 km have been of particular interest. They formed earlier than ~3.9 Ga and are of great volume being the great tool to investigate the early bombardment history by linking the melt contained in the lunar samples to these giant basins. Since the impact melts of the later-formed basins are most likely to have a significant presence and to have been identified in the collected samples, this study first focuses on three mid- to late-forming basins (Serenitatis, Crisium, and Imbrium). The lateral diffusion features of these basins’ melt along a path passing through them were investigated based on a 2D model. The survival probability of these basins’ melt at the Apollo and Luna sampling spots was derived and was found to be consistent with the K-Ar radiometric dates of the samples. The results indicate a substantial mixing of the impact melt from these three basins, particularly the Imbrium melt, at the sampling spots. The ancient impact melt is important to constrain the early bombardment history. However, the old impact melt appears absent in the lunar samples. In developing the 2D model into a 3D model, a more complete picture of the melt evolving pattern was established where the diffusion of impact melt over the global surface and with depth was traced. All basin-forming events with known model age and a great number of smaller impact events were simulated in the 3D model. The spatial distributions of all the considered basins were estimated. The average composition of the global surface and the composition at the sampling sites were calculated and compared with the radioisotopic ages of the lunar meteorites and the returned samples. As for the results of the 2D model, the 3D model predicts a significant occurrence of Imbrium melt in the collected samples. In addition, it is expected to have abundant old impact melt at the surface. There is, therefore, likely to be a more ancient impact melt in the samples that could be found by using different radioisotopic techniques. Non-mare components have been found in the mare soil samples, and in some samples, their abundances are significantly great. The source of those materials is an issue that has been debated for decades. The 3D model was subsequently applied to investigate the mixing mechanism of lunar mare/non-mare components in the upper regolith by incorporating the process of volcanic flooding of the mare basins. The evolving features of mare/non-mare material were pictured, and the overall concentration of non-mare components over the mare surfaces and the sampling sites were calculated. The results show that the overall mare surface has mixed some non-mare components, and the non-mare component that was found to be much more abundant than the average mixture is probably caused by some other geologic processes. In summary, in this thesis, an innovative methodological approach was developed to trace the material diffusion with long-time impact mixing on the Moon. It allows for a more precise statistical analysis of the mixing of impactites into lunar soils which is key for an accurate interpretation of the ages of lunar samples. In the future, this approach can be further refined by involving the more accurate scaling laws of impact cratering and by considering the impact mixing of small-scaled impact craters. In addition, this approach can be used to investigate the diffusion of different components of interest, such as the KREEP materials which may give insight into our understanding of the lunar differentiation history.
Der Mond hat seit der Bildung seiner Kruste eine große Zahl von Einschlagsereignissen erlebt. Beim Impaktkraterprozess vermischt sich Material unterschiedlichen Ursprungs, was zu einer komplexen Oberflächenzusammensetzung führt. Es wurde festgestellt, dass die Proben, die von der Mondoberfläche entnommen wurden, aus verschiedenen Komponenten bestehen. Einige Komponenten wurden als Impaktschmelze erkannt, aber wegen der Schwierigkeit, eine bestimmte Komponente mit einem bestimmten Impaktereignis auf dem Mond in Verbindung zu bringen, bleiben Rückschlüsse auf den Ursprung einiger Komponenten und insbesondere ihre Verbindung mit bestimmten beckenbildenden Ereignissen unsicher. In dieser Arbeit wird ein räumlich aufgelöstes numerisches Modell entwickelt, das die sich entwickelnde Verteilung des Oberflächenmaterials mit Hilfe der Monte-Carlo-Methode nachzeichnet. Auf der Grundlage dieses Modells können Komponenten bekannten Ursprungs in ihrer Anwesenheit und Häufigkeit im heutigen Oberflächenmaterial zurückverfolgt werden, was eine quantitative Hilfe bei der Interpretation des Ursprungs der verschiedenen in den zurückgesandten Proben beobachteten Komponenten darstellt. Einschlagschmelze, das Material, das auf die durch die Hypervelocity-Einschlagereignisse verursachte hohe Temperatur erhitzt wird, ist ein häufiges Produkt der Einschlagkraterbildung. Das Alter der Impaktschmelze und damit der Zeitpunkt des Auftretens des Impaktereignisses kann mit Hilfe von Radioisotopen-Datierungstechniken gemessen werden, die auf der Isotopenuhr der eingebauten radioaktiven Elemente basieren. Die radioisotopische Uhr der Elemente, die die relativ niedrige Verschlusstemperatur besitzen (z.B. K-Ar-System), kann durch die hohe Temperatur leicht nachgestellt werden. Durch Messung der Häufigkeit der eingebauten radioaktiven Elemente kann dann das absolute Alter der Schmelze gemessen werden. Wenn wir die Häufigkeit der Einschlagsschmelze unterschiedlichen Alters verstehen, kann die Bombardierung und späte Akkretionsphase des Mondes gut eingegrenzt werden. Diese Arbeit konzentriert sich daher zunächst auf die sich entwickelnde Verteilung der Einschlagsschmelze. Von besonderem Interesse sind die Einschlagsschmelzen von Mondbecken, deren Durchmesser größer als 300 km sind. Sie bildeten sich früher als ~3,9 Ga und sind somit ein wichtiges Werkzeug zur Untersuchung der frühen Bombardierungsgeschichte, indem sie die in den Mondproben enthaltene Schmelze mit diesen riesigen Becken in Verbindung bringen. Da die Einschlagsschmelzen der später entstandenen Becken signifikant vorhanden und in den gesammelten Proben identifiziert worden sind, konzentriert sich diese Studie zunächst auf drei mittel- bis spätgebildete Becken (Serenitatis, Crisium und Imbrium). Die lateralen Diffusionsmerkmale der Schmelze dieser Becken entlang eines durch sie verlaufenden Pfades wurden auf der Grundlage eines 2D-Modells untersucht. Die Überlebenswahrscheinlichkeit der Schmelze dieser Becken an den Apollo- und Luna-Probenahmestellen wurde abgeleitet und als konsistent mit den radiometrischen K-Ar-Daten der Proben befunden. Die Ergebnisse deuten auf eine erhebliche Vermischung der Impaktschmelze aus diesen drei Becken, insbesondere der Imbrium-Schmelze, an den Probenentnahmestellen hin. Die alte Impaktschmelze ist wichtig, um die frühe Bombardierungsgeschichte einzugrenzen. Diese scheint jedoch in den Mondproben nicht vorhanden zu sein. Bei der Entwicklung des 2D-Modells zu einem 3D-Modell wurde ein vollständigeres Bild des Musters der Schmelzentwicklung erstellt, bei dem die Diffusion der Impaktschmelze über die globale Oberfläche und mit der Tiefe verfolgt wurde. Alle beckenbildenden Ereignisse mit bekanntem Modellalter und eine große Anzahl kleinerer Einschlagsereignisse wurden im 3D-Modell simuliert. Die räumlichen Verteilungen aller betrachteten Becken wurden geschätzt. Die durchschnittliche Zusammensetzung der globalen Oberfläche und die Zusammensetzung an den Probenentnahmestellen wurden berechnet und mit dem Radioisotopenalter der Mondmeteorite und der zurückgesandten Proben verglichen. Was die Ergebnisse des 2D-Modells betrifft, so sagt das 3D-Modell ein signifikantes Vorkommen von Imbriumschmelze in den gesammelten Proben voraus. Darüber hinaus wird erwartet, dass es an der Oberfläche reichlich alte Einschlagsschmelze gibt. Es ist daher wahrscheinlich, dass in den Proben ältere Impaktschmelze vorhanden ist, die mit verschiedenen Radioisotopentechniken gefunden werden könnte. In Mare-Bodenproben wurden auch Nichtmarebestandteile gefunden, und in einigen Proben sind ihre Häufigkeiten signifikant. Die Herkunft dieser Materialien ist ein Thema, das seit Jahrzehnten diskutiert wird. Das 3D-Modell wurde anschließend angewandt, um den Mischungsmechanismus von lunaren Stuten-/Nichtstutenkomponenten im oberen Regolith zu untersuchen, indem der Prozess der vulkanischen Überflutung der Marebecken mit einbezogen wurde. Die sich entwickelnden Merkmale des Mare-/Nichtmarematerials wurden abgebildet, und die Gesamtkonzentration der Nichtmarekomponente über die Mareoberflächen und die Probenentnahmestellen wurde berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass die gesamte Mareoberfläche einige Nichtmarekomponenten gemischt hat, und die Nichtmarekomponente, die viel häufiger als die durchschnittliche Mischung vorkam, ist wahrscheinlich auf andere geologische Prozesse zurückzuführen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in dieser Arbeit ein innovativer methodischer Ansatz entwickelt wurde, um die Materialdiffusion mit Langzeitwirkung der Vermischung auf dem Mond zu verfolgen. Er ermöglicht eine präzisere statistische Analyse der Vermischung von Impaktiten in Mondböden, was für eine genaue Interpretation des Alters der Impaktiten von entscheidender Bedeutung ist.