Chronometric Investigations of Ancient Lunar Impactites

Abstract

Meteorite impacts on planetary surfaces represent one of the most catastrophic processes with regards to planetary evolution. They can create the circumstances for the formation of life, or extinguish it. After the return of samples by the Apollo Missions, the prevalence of ages of ~3.9 Ga dated using the Ar-Ar method lead to the hypothesis of the late heavy bombardment, or lunar terminal cataclysm, representing a spike in the impactor flux at that time on the Moon, and thus in the inner solar system. Such a spike of impact events would not have had an influence limited to the Moon, but also on Earth as well. However, in the past years, the stability of the Ar-Ar system as a geochronometer has been questioned. Furthermore, the proximity of the large and relatively young Imbrium impact basin (~3.9 Ga) to the Apollo Landing sites raised awareness of a potential contamination and thermal overprint of rocks sampled on the lunar nearside by the Imbrium impact event. Due to this combined methodological and sampling bias, the existence or non-existence of a late heavy bombardment or lunar terminal cataclysm is still enigmatic, making its evaluation the core objective of this thesis. To overcome the methodological bias, the U-Pb isotope system in Caphosphates, baddeleyite and zircon has been applied for age determinations, which has moderate to high closure temperatures respectively, and thus is more robust than the Ar-Ar system. High resolution mineralogical mapping techniques have been combined with backscattered electron imaging, to study petrogenetic contexts and impact-related textures of target geochronometer grains, to reconstruct their history with regards to impact events. By combining this information with high spatial resolution (~5 μm spot size) in situ U-Pb age dating using secondary ionization mass spectrometry, dates can be transformed into meaningful ages, that allow one to date impact events. Zircon and baddeleyite in samples from Apollo 15 and 16 show a high stability with regards to secondary thermal overprints and transport by impacts, and allow straightforward interpretations of their age data using textural and petrogenetic evidence. However, strong prolonged heating affects the U-Pb system in zircon, as shown in granulitic impactites from Apollo 17, as they become partially to completely reset over time. Ca-phosphates have been proven to fill the gap between low temperature geochronometers dated in previous studies (e.g. Ar-Ar) towards high temperature geochronometers like baddeleyite and zircon. The data demonstrate that using a multi-chronometer approach with a dedicated study of textures and petrogenetic contexts can produce meaningful ages, which cannot, or not completely, be achieved by using single low-stability geochronometers without petrological context. To address the sampling bias, structurally and compositionally different samples from the Apollo 15, 16 and 17 landing sites, which are located close and distant to the Imbrium basin, have been selected. Samples from Apollo 15 (n=1), closest to Imbrium, show pristine lithologies, visibly contaminated by (Imbrium) impact melt. Samples from Apollo 16 (n=2) comprise various clast lithologies, which have been modified, transported and mixed, and thus likely sample a broader lithological spectrum of the Moon. Apollo 17 samples (n=3) have been selected, as they are located most distal from the Imbrium impact basin, and thus are the least likely candidates to have been affected by its ~3.9 Ga signature. As recorded by the Ca-phosphate age data, all three landing sites have been affected by the Imbrium impact event. In addition to the ~3.9 Ga age signature of Imbrium, a ~4.2 Ga age signature recorded by zircon and baddeleyite can be found at all landing sites studied. Furthermore, Ca-phosphates, baddeleyite and zircon record multiple impact events >3.9 Ga, namely at ~4.15 Ga, ~4.18 Ga and ~4.2 Ga. In addition, samples from the Apollo 17 landing site show the highest variety of impact signatures >3.9 Ga among all samples, in accordance to its distance to Imbrium. Combined, our data shows that, depending on samples and geochronometers selected, the lunar sampling bias can be minimized in the context of the Imbrium impact event. In summary, this study shows that using a different methodological approach in a selected set of samples can yield age data that is different from previous studies that used the Ar-Ar method to establish the hypothesis of an increased impactor flux at ~3.9 Ga. Instead, the data show several impact events prior to this formerly canonical spike, namely at ~4.15 Ga, 4.18 and ~4.2 Ga. Combined with data from literature for Ca-phosphates, baddeleyite and zircon, that has been re-evaluated in terms of their meaning in this work, the late heavy bombardment or terminal lunar cataclysm likely represents an artifact of a combined methodological and sampling bias. Therefore, in agreement with studies conducted recently, and in the past years, the late heavy bombardment likely did not occur, and the Moon experienced a normal exponential decay of the impactor flux.

Meteoriteneinschläge auf planetaren Oberflächen stellen einen der katastrophalsten Prozesse hinsichtlich planetarer Entwicklung dar. Sie können die Voraussetzungen für Leben schaffen oder Leben auslöschen. Nach der Beprobung des Mondes durch die Apollo Missionen wurde, auf Basis der Prävalenz von Ar-Ar- Altersdatierungen bei ~3.9 Ga, die Hypothese des sogenannten Late Heavy Bombardments (oder auch Terminal Lunar Cataclysm) entwickelt, welche eine erhöhte Rate von Meteoriteneinschlägen auf dem Mond und folglich im inneren Sonnensystem zu der Zeit postuliert. Ein solcher Anstieg von Meteoriteneinschlägen hätte nicht nur einen Einfluss auf den Mond, sondern auch auf die Erde als Konsequenz. In den letzten Jahren jedoch wurde die Stabilität des Ar-Ar-Systems als Datierungsmethode hinterfragt. Des Weiteren stellt das relativ junge und große Imbrium-Einschlagsbecken mit ~3.9 Ga eine potentielle Quelle für Kontamination der Apollo-Landepunkte durch Auswurfmaterial und thermische Überprägung dar, dessen Einfluss sich über die gesamte erdzugewandte Seite des Mondes erstrecken könnte. Aufgrund dieses kombinierten methodischen und beprobungstechnischen Verzerrungseffekts ist die Existenz des Late Heavy Bombardments bis heute fraglich, und dessen Überprüfung das Hauptziel dieser Arbeit. Um potentielle Verzerrungseffekte von einseitigen Datierungsmethoden zu vermeiden, wurde das U-Pb Isotopensystem in Ca-Phosphaten, Baddeleyit und Zirkon zur Altersdatierung verwendet, welches im Vergleich zur Ar-Ar-Methode moderate bis deutlich höhere Stabilitäten aufweist. Es wurden hochauflösende mineralogische Detailkartierungen der Proben mit Rückstreuelektronenmikroskopie kombiniert, um die petrogenetischen Kontexte und impaktgenerierten Texturen der ausgewählten, datierten Mineralphasen in Zusammenhang mit Einschlagsereignissen zu bringen. In Kombination mit in-situ-U-Pb- Altersdatierungen bei einer räumlichen Auflösung von ~5 μm mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie konnten Altersdaten in belastbare Alter transfomiert und somit Impaktereignisse datiert werden. Zirkone und Baddeleyite in Proben von Apollo 15 und 16 zeigen eine hohe Stabilität gegenüber späterer thermischer Überprägung und erlauben aufgrund textureller und petrogenetischer Eigenschaften eine eindeutige Interpretation. Unter langanhaltenden, extremen thermischen Bedingungen zeigt jedoch auch das U-Pb-System in Zirkon seine Grenzen und wird teilweise bis komplett zeitlich zurückgesetzt, wie die Daten von granulitisch überprägten Impaktgesteinen aus Apollo 17 zeigen. Ca-Phosphate erweisen sich als wertvolles Mittel, um die Lücke zwischen Geochronometern mit geringer thermischer Stabilität (wie z. B. Ar-Ar) und hoher Stabilität (Baddeleyit und Zirkon) zu schließen. Die hier präsentierten Daten zeigen, dass die Verwendung multipler Geochronometer unter Berücksichtigung von Texturen und Petrologie sinnhafte Altersdaten produzieren kann, deren Qualität von einseitigen Datierungsmethoden geringer Stabilität nicht oder nicht gänzlich erreicht werden kann. Um Verzerrungseffekte hinsichtlich der Beprobung zu berücksichtigen, wurden für diese Studie Proben von Apollo 15, 16 und 17 gewählt, welche nah und fern des Imbrium-Einschlagbeckens liegen und verschiedene strukturelle Eigenschaften und Zusammensetzungen aufweisen. Die Proben von Apollo 15 (n=1) liegen am nächsten zu Imbrium und zeigen relativ unveränderte Lithologien, welche mit dem bloßen Auge erkennbar von Impaktschmelze (Imbrium) durchzogen sind. Proben aus Apollo 16 (n=2) bestehen aus Klasten unterschiedlicher Lithologien, welche modifiziert, transportiert und vermischt wurden und daher wahrscheinlich verschiedene lunare Lithologien aus unterschiedlichen Quellen beproben. Proben aus Apollo 17 (n=3) wurden unter dem Aspekt ausgewählt, dass sie am weitesten vom Imbriumbecken entfernt sind und daher Materialien repräsentieren, die ggf. am wenigsten von einer ~3.9 Ga-Alterssignatur überprägt wurden. Wie die Altersdaten für Ca-Phosphate zeigen, sind alle hier betrachteten Apollo-Landestellen von der ~3.9 Ga-Alterssignatur betroffen. Neben der Signatur von ~3.9 Ga findet sich jedoch eine weitere Signatur von ~4.2 Ga in Zirkonen bzw. Baddeleyiten bei allen drei Apollo-Landestellen. Als Ganzes gesehen zeigen unsere Daten mehrere Impaktevents, und zwar bei ~4.15 Ga, ~4.18 Ga und ~4.2 Ga. Außerdem zeigt die Apollo-17-Landestelle, in Übereinstimmung mit ihrer Distanz zu Imbrium, die größte Vielfalt an Altern >3.9 Ga. Kombiniert die unsere Daten, dass in Abhängigkeit der gewählten Proben und Geochronometer die Verzerrung durch eine eingeschränkte Probennahme im Kontext des Imbrium-Events minimiert werden kann. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass unter Verwendung eines differenzierten methodischen Ansatzes in ausgewählten Proben Altersdaten erzeugt werden können, welche sich von zuvor generierten Ar-Ar-Altern unterscheiden, die ursprünglich zur Argumentation für einen erhöhten Impaktorfluss bei ~3.9 Ga verwendet wurden. Stattdessen weisen die Alter auf mehrere Impaktereignisse vor dem ursprünglich postulierten Anstieg bei ~3.9 Ga hin, nämlich bei ~4.15 Ga, ~4.18 Ga und ~4.2 Ga. Die neuen Daten, in Kombination mit Daten aus der Literatur für Ca-Phosphate, Baddeleyit und Zirkone, die hinsichtlich ihrer Impaktgeschichte im Rahmen dieser Arbeit re-evaluiert wurden, deuten ebenfalls darauf hin, dass das Late Heavy Bombardment oder Terminal Lunar Cataclysm ein Artefakt repräsentiert, welches durch Limitationen hinsichtlich der angewendeten Methoden und der Probennahme geschaffen wurde. Daher stimmt diese Arbeit mit aktuellen Studien und Studien der letzten Jahre überein, dass sehr wahrscheinlich kein Late Heavy Bombardment existiert hat und dass unser nächster Nachbar einen normalen exponentiellen Abfall des Impaktorflusses durchlaufen hat.