Luna 16 microbreccia lithic fragments: Samples of an early basalt filling of mare fecunditatis

Summary

Thirty five microbreccia fragments from Mare Fecunditatis recovered by the Luna 16 unmanned mission were studied inPTS by optical microscopy. Bulk compositions were determined by scanning electron beam analysis, and microbreccia constituents (pyroxene, olivine, plagioclase, spinel-group minerals, glasses) were analyzed with the electron microprobe. Results: Microbreccia fragments have bulk and mineral compositions distinctly different from those of aluminous basalt fragments from the same site: FeO, alkalis and FeO/MgO are lower and Cr₂O₃ is higher in the microbreccia fragments. Furthermore, microbreccia fragments are predominantly olivine-normative, whereas the basalt fragments are predominantly quartz-normative. In addition, in the microbreccia fragments, pyroxene compositions cover the range typical of pyroxenes from Luna 16 basalts but extend to more Mg-rich and Ca-poor compositions. Pyroxferroites found in aluminous basalt fragments were not observed in the microbreccia fragments. Plagioclase populations cluster at ⊂) An₉₅ in the microbreccia fragments as compared to ⊂) An₉₀ in the basalt fragments. Compositions of basaltic glasses from within the microbreccia fragments are similar to those from the soil. Conclusions: We found evidence that at the Luna 16 site, two major basalt types are present. One is represented by the 3.42 b.y. old aluminous basalt fragments, the other by the dominant component in the microbreccia fragments and basaltic glasses. The microbreccia fragments and basaltic glasses represent a here tofore unknown lunar basalt type for which we calculate a flatREE pattern with abundances approximately 10× chondritic, thus making it one of the most primitive basalt types known from the Moon. We suggest that this basalt type formed by a relatively high degree of partial melting of a plagioclase bearing source rock at about 60–100 km depth. We further suggest that this basalt type represents older mare fillings now largely covered by younger flows. These younger flows are represented by the aluminous basalt fragments, a rock type that may have formed from a similar source rock by a relatively low degree of partial melting.

Zusammenfassung

35 Mikrobrekzien-Fragmente aus der Bodenprobe von Mar Foecunditatis, die von der unbemannten Sonde Luna 16 aufgesammelt wurde, sind in polierten Dünnschliffen mikroskopisch und mittels Elektronenstrahl-Mikrosonde untersucht worden. Pauschalzusammensetzungen der Mikrobrekzien-Fragmente wurden mittels integrierender Elektronen-Raster-Technik und die zusammensetzungen der Komponenten (Pyroxen, Olivin, Plagioklas, Minerale der Spinell-Gruppe und Gläser) mittels konventioneller Elektronenstrahl-Mikroanalyse bestimmt. Resultate: Die Mikrobrekzien-Fragmente unterscheiden sich in ihrer Pauschalzusammensetzung deutlich von den Aluminiumreichen Basaltfragmenten derselben Bodenprobe: FeO- und Alkaligehalte und das FeO/ MgO-Verhältnis sind niedriger und der Cr₂O₃-Gehalt ist höher in den Mikrobrekzien-Fragmenten. Weiters sind die Mikrobrekzien-Fragmente meist Olivin-normativ, während die Basaltfragmente meist Quarz-normativ sind. Auch die Pyroxenzusammensetzungen in den Mikrobrekzien-Fragmenten unterscheiden sich deutlich von jenen der Basaltfragmente durch einen hohen Anteil an Mg-reichen und Ca-armen Pyroxenen, die in den Basaltfragmenten nicht vorkommen. Weiters konnten Pyroxferroite, die typisch für die Luna 16 Basaltfragmente sind, in den Mikrobrekzien-Fragmenten nicht gefunden werden. Die Plagioklas-Zusammensetzungen in den Mikrobrekzien-Fragmenten zeigen ein ausgeprägtes Häufigkeitsmaximum bei ⊂) An₉₅, wogegen das Maximum der Plagioklase in den Basaltfragmenten bei ⊂) An₉₀ liegt. Die Zusammensetzung der Gläser in den Mikrobrekzien-Fragmenten und in den Bodenproben außerhalb der Fragmente ist identisch. Schlußfolgerungen: Die analytischen Daten zeigen, daß an der Luna 16 Landestelle zwei Basalttypen weit verbreitet sind. Der eine Typ ist durch die 3.42×10⁹ Jahre alten Aluminium-reichen Basaltfragmente vertreten, der andere durch die Hauptkomponente der Mikrobrekzienfragmente und basaltischen Gläser. Letzterer repräsentiert einen bisher nicht bekannten Basalttyp vom Mond, der Olivin- und Plagioklas-reich ist und einen niedrigen Spurenelementgehalt hat. Die errechnete Häufigkeit der Seltenen Erden ist etwa 10× chondritische Häufigkeit und weitesgehend unfraktioniert. Dieser neue Basalttyp scheint somit einer der primitivsten zu sein, den wir bisher vom Monde kennen. Er repräsentiert wahrscheinlich eine Schmelze, die durch einen hohen Grad von partieller Aufschmelzung eines plagioklasführenden Ausgangsgesteins in einer Tiefe von etwa 60–100 km entstand. Dieser Basalttyp stellt wahrscheinlich ältere Füllungen des Mare Foecunditatis dar, welche später durch jüngere Basaltergüsse größtenteils bedeckt wurden. Diese jüngeren Basalte sind durch die Basaltfragmente repräsentiert und sind durch hohe Spurenelementgehalte charakterisiert. Die Zusammensetzung der jüngeren Basalte kann durch eine relativ geringe und jene der älteren (Brekzien-) Basalte durch einen hohen Grad partieller Aufschmelzung eines ähnlichen Ausgangsgesteines erklärt werden.