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• geochimica isotopica
• geochimica
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Riassunto
I. Scopo del lavoro
Gli obiettivi del presente lavoro di tesi sono stati la caratterizzazione, la classificazione e l'elaborazione di un modello genetico della meteorite rocciosa antartica Mount DeWitt 12007 (DEW 12007) sulla base di un dettagliato studio petrografico, geochimico e geochimico-isotopico. Tale lavoro si inserisce nell'ambito del progetto di ricerca 'Meteoriti Antartiche' del Programma Nazionale di Ricerche in Antartide (PNRA) e delle attività scientifiche e curatoriali del Dipartimento di Scienze della Terra dell'Università di Pisa (DST) e del Museo Nazionale dell'Antartide (MNA).
II. La meteorite DEW 12007: scoperta, preparazione dei campioni e indagini preliminari
La meteorite qui studiata, rinvenuta il 3 gennaio 2013 in un'area di ghiaccio blu sita a circa 40 km a WSW dal rilievo noto come Mount DeWitt, si presentava in campagna come una roccia ellissoidale, parzialmente ricoperta da brandelli di crosta di fusione, dalla massa di 92,4 g. La tessitura brecciata e la presenza di clasti dalla componente feldspatica dominante ha suggerito ai ricercatori della squadra italiana una possibile origine lunare per la meteorite DEW 12007.
Una metà di tale meteorite è stata acquisita dal MNA, dove sono stati ricavati campioni destinati alle analisi petrografiche e geochimiche (una sezione sottile, alcuni inglobati lucidi e diverse slices); una parte importante della meteorite è stata inoltre conservata con funzione di type specimen.
Sono state dapprima effettuate alcune analisi preliminari volte a indagare l'origine della meteorite DEW 12007: la misura della suscettività magnetica e una stima del rapporto Fe/Mn (m/m) tramite spettrometria HH-XRF. Tali misure hanno rafforzato l'ipotesi di un'origine lunare.
III. Metodi
Si è dunque proceduto allo studio petrografico, geochimico e geochimico-isotopico della meteorite. Sono state utilizzate le seguenti metodologie di indagine petrografica: microscopia ottica (a riflessione e a trasmissione) e microscopia ottica a scansione (SEM). Lo studio minerochimico si è avvalso del sistema EDS-XRF associato al SEM e del sistema WDS-XRF associata alla microsonda elettronica (Electron Probe Mycroanalizer, o EPMA). L’analisi chimica totale è stata realizzata tramite spettrometria WDS-XRF e Inductively Coupled Plasma - Mass Spectrometry (ICP-MS); quest'ultima metodologia è stata applicata non solo alla determinazione degli elementi in traccia ma anche, in via sperimentale, agli elementi maggiori. La determinazione della composizione isotopica dell'ossigeno della meteorite è stata condotta tramite Laser Fluorination - Mass Spectrometry. Una misura della densità della meteorite è stata effettuata per immersione in acqua ultrapura, mentre la sua porosità è stata stimata attraverso una procedura di analisi di immagini SEM-BSE.
IV. Risultati
La meteorite DEW 12007 è una breccia polimittica costituita da una grande varietà di frammenti litici: si riconoscono infatti particelle di brecce impattitiche vetrose, clasti feldspatici, clasti basaltici cristallini, clasti gabbroidi, particelle di vetro piroclastico, particelle di vetro da impatto e clasti di brecce frammentali; sono inoltre presenti clasti enigmatici costituiti da associazioni di pirosseno, olivina e silice con tessitura 'a sandwich' e clasti mafici prevalentemente amorfi. I clasti sono immersi in una matrice dominata da cristalli a grana molto fine; sono inoltre presenti vene di vetro vescicolato ed eterogeneo e rari aggregati in tutto simili agli agglutinati rinvenuti nei campioni del suolo lunare.
I principali minerali sono plagioclasio, clinopirosseno, olivina, ilmenite, ulvöspinello cromifero, troilite e cromite titanifera. Tra le fasi minori si segnalano un polimorfo della silice (probabilmente tridimite) e minuti granuli di baddeleyite, tranquillityite, fosfati, leghe metalliche di ferro e nichel e schreibersite. La composizione del plagioclasio è tipicamente An% > 85. I cristalli di olivina mostrano contenuti in forsterite compresi tra Fo50 e Fo90 oppure minori di Fo16. I pirosseni sono pigeoniti e augiti, in molti casi smescolate. Una fase alluminifera compatibile con un pirosseno alto in una componente Ca-tschermakitica è stata osservata in alcuni clasti. Molti frammenti litici e minerali presentano testimonianze ottiche di shock che vanno dalla fratturazione all'estinzione ondulata, alla presenza di planar deformation features (PDF, nel caso dei plagioclasi e dei pirosseni), alla isotropizzazione.
La major element bulk composition della meteorite DEW 12007 mostra (in wt. %) SiO2 = 46,3; Al2O3 = 18,3; CaO = 12,7; FeO = 12,6; MgO = 8,02; TiO2 = 0,61; Na2O e K2O << 1. I dati relativi agli elementi in traccia mostrano tenore in La circa 29,7 volte l'abbondanza media condritica (CI) e un moderato frazionamento tra terre rare leggere e pesanti, con (La/Sm)n = 1,3. Si evidenzia anche una spiccata anomalia negativa in europio (Eu/Eu* = 0,78). La composizione isotopica dell'ossigeno è la seguente: δ18O=6.05‰; δ17O=3.13‰.
V. Discussione dei risultati
I rapporti FeO/MnO (m/m) nell'olivina (circa 91), nel pirosseno (circa 65) e nella bulk rock (circa 77) indicano un'origine lunare per la meteorite DEW 12007. Tale origine è confermata dalla composizione isotopica dell'ossigeno, che permette anche stimolanti confronti con la più recente letteratura in materia, secondo la quale i basalti lunari conservano tracce di Theia, l'ipotetico corpo celeste dal cui impatto con la proto-Terra ebbe origine la Luna stessa. Sulla base dei dati petrofisici, geochimici e petrografici raccolti DEW 12007 può essere classificata come una breccia lunare regolitica 'mista' (comprendente cioè materiale sia dai maria basaltici che dalle highlands anortositiche e noritico-troctolitiche). Attualmente la lunaite DEW 12007 non è appaiata ad altre meteoriti note.
Le particelle vetrose studiate consistono sia di gocce di vetro da impatto ricco in alluminio (una delle quali presenta composizione indistinguibile dalle più antiche rocce lunari, le anortositi FAN) sia di sferule vulcaniche a composizione picritica chimicamente affini ai basalti lunari molto bassi in titanio (VLT). I basalti cristallini sono riferibili a prodotti LT (bassi in titanio) e VLT. I clasti più ricchi in plagioclasio sono impattiti granulitiche portatrici di fasi esotiche ricche in elementi altamente siderofili (e.g., schreibersite). Sulla base delle analisi cristallochimiche effettuate esse sono prevalentemente riferite a protoliti appartenenti alla suite magnesiaca delle rocce delle highlands lunari; un unico clasto dalla tessitura subofitico-glomerofirica può essere associato all'attività vulcanica di cripto-mare. I clasti gabbroidi, dalla tessitura microgranulare, sono dominati da clinopirosseno (augiti e pigeoniti non smescolate e dalla zonatura normale) e plagioclasio anortitico (localmente trasformato in maskelynite); fra le fasi minori si segnalano la tridimite, la cromite, la tranquillitite e un fosfato (probabilmente whitlockite). La cristallochimica dei pirosseni dei clasti gabbroici, in accordo con la composizione mineralogica e le caratteristiche tessiturali di tali clasti, suggerisce una loro associazione ai prodotti vulcanici VLT e LT osservati nei campioni studiati. I clasti gabbroici nella meteorite DEW 12007 potrebbero dunque rappresentare i frammenti di un corpo magmatico ipoabissale facente parte di un complesso vulcanico a prevalente affinità VLT.
Si è infine proceduto a un confronto tra i dati telerilevati di composizione del regolite lunare (missione Clementine) e la composizione della meteorite DEW 12007 al fine di investigarne la regione di origine. Sulla base di tale confronto e delle attuali conoscenze sulla geologia delle regioni lunari esplorate dalle missioni Apollo e Luna si propone che la meteorite DEW 12007 rappresenti una porzione del regolite impostatosi su di un complesso vulcanico a prevalente affinità VLT situato nel Mare Serenitatis settentrionale, in prossimità del margine delle highlands.
VI. Conclusioni e prospettive
La meteorite DEW 12007 rappresenta la prima meteorite lunare rinvenuta, catalogata e studiata da ricercatori appartenenti a istituzioni italiane. Essa si distingue dai tre quarti delle lunaiti ad oggi note per la sua composizione mista; molte famiglie di costituenti in essa riscontrate meritano un futuro approfondimento in quanto potrebbero rappresentare geomateriali non noti o rari nelle meteoriti e nei campioni lunari.
Questo lavoro di tesi ha avuto una prima concretizzazione nella pubblicazione della meteorite DEW 12007 nel Meteoritical Bulletin Database e nella sua presentazione sulla rivista Meteoritics & Planetary Science e al 77° congresso internazionale della Meteoritical Society. Si è provveduto inoltre ad una revisione della collezione storica di meteoriti del Museo di Storia Naturale dell'Università di Pisa tramite misure di suscettività magnetica. Tale revisione ha portato a mettere in dubbio l'identificazione di un prezioso frammento di una delle prime meteoriti ad essere riconosciuta come oggetto extraterrestre: la meteorite di Siena, descritta dall'abate Soldani nel XVIII secolo e della quale un campione è sicuramente conservato in Museo.
Lo studio della meteorite DEW 12007 è aperto a futuri sviluppi, alcuni dei quali sono già avviati: in particolare, sono in via di acquisizione mappe X di vari elementi nei clasti gabbroidi (al fine di indagarne in dettaglio microstruttura e cristallochimica) e nella crosta di fusione (al fine di provvedere ad un riferimento composizionale e tessiturale per la ricerca di micrometeoriti lunari, al momento non ancora conosciute). Infine, sono attualmente in corso nuove indagini isotopiche che permetteranno di valutare l'età di esposizione, l'età terrestre e le dimensioni pre-atmosferiche della meteorite DEW 12007.

Abstract
Introduction. In January 2013 a 7% crusted 94.2 g ellipsoidal stone was collected on a blue ice patch 40 km WSW of Mount DeWitt (Victoria Land) during the XXVIII PNRA Antarctic Campaign. The official name of the meteorite is Mount DeWitt 12007 (DEW 12007).
Methods. Petrography by optical microscopy and SEM. Density by immersion. Porosity by image analysis. Magnetic susceptibility by SM 30. Mineral chemistry by EPMA. Bulk chemistry by XRF and ICP-MS. Oxygen isotopes by Laser Fluorination MS.
Petrography and geochemistry: DEW 12007 is a polymict breccia consisting of glassy impact-melt breccia particles, gabbroic clasts, feldspathic clasts, glass beads, basaltic clasts, mingled breccia clasts and numerous crystal fragments (pyroxene, plagioclase, olivine, silica polymorphs). Clasts are embedded in a matrix dominated by very fine-grained crystals; vesicular glassy veins and rare agglutinates are also present. Main minerals are plagioclase, clinopyroxene, olivine, ilmenite, Cr-bearing ulvöspinel, troilite, and Ti-bearing chromite; minor phases include silica polymorphs and tiny grains of baddeleyite, tranquillityite, phosphates, FeNi-metal and schreibersite. Plagioclase composition is An% > 85. Olivine crystals show forsterite contents either below Fo16 or between Fo50-Fo90. Pyroxenes are pigeonites and augites, often exsolved; a pyroxene-like Al-rich phase is observed in several feldspathic clasts. Oxygen isotopic chemistry: δ18O=6.05‰; δ17O=3.13‰. REEs data: La∼29.7 times CI abundance; (La/Sm)n=1.3; Eu/Eu*=0.78.
Discussion and Conclusions. FeO/MnO ratios in olivine (ca. 91), pyroxene (ca. 65) and bulk rock (ca. 77) indicate a lunar origin for DEW 12007. This is confirmed by its oxygen isotopic composition. DEW 12007 is classified as a lunar 'mingled' (i.e., containing material from both highlands and maria) regolithic breccia. DEW 12007 is by now unpaired.
Glass particles consist of both Al-rich impact melt splashes and picritic glass beads with VLT chemical affinities. Plagioclase-rich clasts are highland rocks rich in HSE-bearing phases (comprising schreibersite). They are texturally indistinguishable from the meta-melt clasts described by some authors in lunar rocks and they fall within the Mg-suite trend on a Mg# (in pyroxenes) vs. An% (in feldspars) diagram. Pyroxenes from the crystalline basalts plot within the VLT or LT fields on the Fe/(Fe+Mg) vs. Ti/(Ti+Cr) diagram; an unusual subophitic fragment plots within the highland field and could be cryptomare-related. Gabbroic clasts are microgranular fragments dominated by clinopyroxene (augite and pigeonite, zoned and not interspersed) and plagioclase with minor silica (probably tridymite), chromite and a single particle of tranquillityite plus withlockite; they lack ilmenite. Pyroxene chemistry shows no relationships between gabbroic clasts and highlands materials, suggesting instead an association of the former with the VLT-like mare volcanics, in agreement with textural and mineralogical features. Gabbroic clasts in DEW 12007 could therefore represent part of a shallow intrusion within a volcanic complex with prevailing VLT affinity.
DEW 12007 is distinct from roughly three quarters of other known lunar meteorites because it has a 'mingled' bulk composition and could help identify a meteoroid source region on the lunar surface. In fact DEW 12007 is a regolith breccia, and as such, it can be compared with remote sensing geochemical data collected from the Moon’s surface to constrain its likely provenance. We searched the Clementine datasets using bulk composition parameters of 0.61 ± 1 wt. % Ti and 12.6 ± 1 wt. % FeO. On the basis of i) Clementine remote sensing compositional data and ii) major element chemistry of VLT glass beads and crystalline basalts DEW 12007 can be successfully associated to the regolith of some areas of Mare Serenitatis.