Investigasi Eksperimental Oksidasi Pyroxene Dan Basalt: Implikasi
Untuk Analisis Spektroskopi Permukaan Venus Dan Zaman Aliran Lava
K. S. Cutler, J. Filiberto, A. H. Treiman and D. Trang
Reviewer Risnul Hasyim (170204016)
1.
Pengantar dan Latar Belakang
Permukaan
Venus harus diubah secara luas karena interaksinya dengan atmosfer CO2 – CO –
SO2, yaitu terjadi pada tekanan dan suhu tinggi, ∼95.6bar
dan ∼470 ° C. Interaksi
gas-padat ini harus mencakup oksidasi dan sulfurisasi, yang seharusnya
menghasilkan lapisan tipis magnetit, hematit, dan / atau sulfat pada permukaan
mineral dan batu Penelitian sebelumnya telah memeriksa oksidasi suhu tinggi
dari mineral silikat feromagnesia tetapi diperlukan lebih banyak pekerjaan
membatasi laju oksidasi piroksen dan basal, serta untuk menyelidiki bagaimana
oksidasi mempengaruhi mineral diagnostik pita serapan dalam spektra terlihat ke
inframerah-dekat (VNIR). Dalam panjang gelombang VNIR, permukaan Venus dapat
dilihat dari mengorbit hanya melalui beberapa jendela spektral sempit, semuanya
dengan panjang gelombang dekat 1μm (1000nm).
Visibilitas Venus yang demikian
permukaan telah ditunjukkan dalam gambar dari Virtual Instrumen Spektrometer
Pencitraan Termal Inframerah (VIRTIS) di pesawat ruang angkasa Venus Express (Drossart
et al. 2007). VIRTIS (dan instrumen serupa) melihat permukaan Venus dalam
keadaan dipancarkan Cahaya VNIR, dan sifat material permukaan diambil oleh
menghitung emisivitasnya, e, dengan membandingkan yang diamati emisi dengan
yang dari benda hitam pada suhu yang sama. Tak satu pun dari studi ini
mempertimbangkan bagaimana perubahan dan oksidasi akan mempengaruhi sifat-sifat
VNIR dari bahan. Filiberto et al. (2020) meneliti oksidasi olivin di Suhu
permukaan Venus dan spektra reflektansi yang diperoleh olivin yang diubah.
Lebih lanjut, Minitti et al. (2002) sebelumnya meneliti efek oksidasi pada
gelas basaltik dan piroksen dan juga memperoleh spektra pantulan dari diubah
menjalankan produk, tetapi bahannya dari Mars dan bukan Komposisi Venus; Namun,
hasilnya akan dibandingkan disini juga.
Kedua
studi menunjukkan bahwa bahan Fe-bearing menjadi dilapisi dalam hematit dalam
beberapa hari sampai beberapa bulan dan bahwa fitur spektral olivin
karakteristik pada 1μm (1000nm) melemah dan lenyap. Oleh karena itu, jika
emisivitas tinggi dari aliran lava disebabkan oleh kehadiran olivin, ini Umur,
paling lama, beberapa tahun. untuk lebih bahan realistis untuk kerak Venus.
Karena itu, dalam hal ini mempelajari, kami menyelidiki efek oksidasi pada VNIR
reflektansi (dan karenanya emisivitas) dari beberapa bahan basaltik: augit,
diopside, piroksenit, dan basal analog Venus. Kami Tujuan utama adalah untuk
membatasi laju oksidasi dan pelapukan pada permukaan Venus dan dengan demikian
zaman aliran lahar "segar".
Kita memilih basal alkali dengan kimia
curah yang mirip dengan itu dianalisis di Venera. Kami juga memilih tiga
piroksen yang berbeda karena mereka berlimpah di basal terestrial, dan karena
Basalt Venus secara kimiawi mirip dengan basalt terestrial, piroksen juga harus
menjadi konstituen utama basal Venus. Selanjutnya, berdasarkan pada mineralogi
kerak basaltik lainnya benda-benda planet (mis., Tompkins & Pieters 1999;
De Sanctis et al. 2012; Ehlmann & Edwards 2014), bagian basalt dari kerak
Venus harus didominasi oleh piroksen dan mirip dengan olivin. Pyroxenes
menunjukkan penyerapan yang khas band dekat 1, serta 2, μm (mis., Adams 1975),
yang pertama yang diukur pada permukaan Venus dengan spektral pengukuran dari
orbit (mis., Drossart et al. 2007).
2.
Bahan Awal
Sampel iopside (D), augite (A), dan pyroxenite (P)
adalah dibeli dari Ward Science. Sampel basal (B) adalah dikumpulkan di gunung
berapi Sverrefjell (Spitsbergen, Svalbard, Norwegia) pada tahun 2001 Agustus
(Treiman et al. 2002). Mineral dan curah kimia dari setiap sampel diverifikasi
oleh microprobe elektron (EMP) analisis Sampel mineral relatif murni tetapi
memiliki mineral sekunder minor. Semua sampel dipotong menjadi sekitar 5mm
lembaran untuk percobaan. Basal Sverrefjell adalah silika-kurang jenuh dan
alkali basalt, yang mirip dengan analisis Basal adalah vesikular dan mengandung
kaca, olivin, piroksen, plagioklas, dan kromit.
3. Rincian Eksperimental dan Analitik
Penelitian
ini secara langsung mengikuti metode Filiberto et al. (2020) untuk pengaturan
eksperimental, suhu reaksi, durasi percobaan, dan suasana. Selanjutnya, kami
dipandu oleh pendekatan yang sama menggabungkan oksidasi eksperimen dan
analisis VNIR untuk material Mars (Minitti et al. 2002). Sampel yang dilepas
dan tidak ditempatkan ditempatkan dalam tungku kotak Thermo Lindberg / Blue M
di NASA Johnson
Space Center (JSC), di bawah atmosfer terestrial, di 600 ° C, dan dikeluarkan
setelah jangka waktu satu, dua, empat, dan masing-masing tujuh minggu.
Percobaan dilakukan di udara agar dapat dibandingkan secara langsung dengan
pekerjaan sebelumnya (Filiberto et al. 2020) dan untuk memastikan materi
eksperimen yang cukup untuk menjadi dianalisis oleh VNIR, yang memiliki
diameter sekitar satu inci probe
kontak. Eksperimen itu memiliki kandungan oksigen atmosfer Bumi, fO2 = ∼0.25bars, atau ∼
fayalitemagnetite-quartz (QFM) + 10 unit log (McCammon 2005).
Suhu
yang digunakan dalam percobaan adalah sedikit lebih tinggi dari suhu permukaan
saat ini Venus, Dalam Filiberto et al. (2020), kami menunjukkan bahwa
pendekatan eksperimental ini menghasilkan serupa hasil (baik mineralogi dan
laju oksidasi) untuk eksperimen
berjalan di bawah komposisi atmosfer mirip Venus Selanjutnya, seperti yang
ditunjukkan di bawah, hasil percobaan kami menghasilkan perubahan mineralogi pada
tingkat oksidasi yang sama seperti penelitian sebelumnya (Berger et al. 2019;
Filiberto et al. 2020; Teffeteller et al. 2020). Karena itu, Meskipun perbedaan
ini memang berpotensi membatasi karya yang disajikan, hasil eksperimen berlaku
untuk
mempelajari
perubahan pada permukaan Venus.
4. Hasil
Alkali
Basalt
Spektrum
reflektansi dari basal Sverrefjell yang tidak teroksidasi adalah tipikal basal
- reflektansi keseluruhan rendah (∼5%) dengan kemiringan
kontinum biru (penurunan reflektansi dengan panjang gelombang yang meningkat).Diopside Spektrum
pemantulan sampel diopside yang tidak teroksidasi adalah tipikal untuk
Ca-klinopyroxenes Schade et al. 2004; Klima et al. 2011a, 2011b). Keduanya
menonjol minima reflektansi, dekat ∼1100 dan ∼2300nm, disebabkan oleh
transisi bidang kristal Fe2 + dalam dua kristalografi situs (Hazen et al. 1978;
Burns 1993).
Orthopyroxenite Spektrum
reflektansi dari orthopyroxenite yang tidak dioksidasi sampel, P,menunjukkan dua serapan luas khas band untuk piroksen, berpusat di ∼0.95 dan ∼1.9μm, mirip dengan piroksen alami (Adams 1975); ini dikaitkan dengan Fe2 + transisi bidang kristal di situs kristalografi
(Besancon 1981).Sampel teroksidasi menunjukkan penyempitan bertahap pada 950nm band dan perkiraan kenaikan kedalaman band 20% (awal BD = 0.4 dibandingkan dengan minggu ketujuh BD =
1.88) pada akhir dari
tujuh minggu.
Refleksi keseluruhan meningkat sedikit dengan peningkatan oksidasi, yang mungkin mewakili
peningkatan proporsi (relatif lebih cerah) bijih besi. Seperti halnya diopside, perubahan yang paling
signifikan adalah dalam
panjang gelombang yang lebih pendek (mis., terlihat) di mana penyerapan puncak menjadi lebih menonjol, konsisten dengan
pembentukan bijih besi. Gambar BSE juga menunjukkan peningkatan
bertahap dalam jumlah hematit di permukaan, dengan pembentukan hematit istimewa dekat retakan. Agustus Spektrum
pemantulan sampel augite (A) cukup berbeda dengan piroksen D dan P: ia sangat luas pemantulan minimum antara 0,5 dan ∼2,5μm tetapi pada kisaran reflektansi kecil
<5%.Spektrum reflektansi ini mirip dengan augmented "tipe A" dari Adams (1975) dan Schade et al. (2004).
Penyerapan luas
ini disebabkan augite yang memiliki banyak Ca2 +, yang menempati semua atau hampir semua situs kristalografi M2. Karena Fe2 + tidak dapat di situs M2, 1 dan 2μm pita absorpsi tidak ada atau sangat lemah. Akibatnya, Fe2 + menempati kristalografi M1 yang lebih
kecil situs, yang menghasilkan dua serapan lemah pada 1μm,
yaitu tidak terlalu jelas dalam spektrum sampel ini karena
Fe2 + rendah kelimpahan dalam sampel . Terlepas dari penempatan Fe2 + dalam struktur kristal piroksen, oksidasi augite menyebabkan perubahan yang mirip dengan
yang terlihat pada sampel
orthopyroxene dan diopside: reflektansi keseluruhan meningkat, dan tanda tangan
hematit khas menjadi jelas hanya
pada panjang gelombang terpendek
5.
Diskusi
Hasil
percobaan di sini, digabungkan dengan sebelumnya studi (Berger et al. 2019
dapat digunakan untuk
membatasi laju oksidasi mineral basalt dan basaltik pada Venus, yang pada gilirannya dapat digunakan untuk
membatasi usia lava mengalir
di Venus. Dengan demikian, kita bisa mengkalibrasi usia aliran lava yang telah diukur dengan emisivitas near-infrared
(NIR), mis., seperti yang dilakukan oleh Smrekar et al. (2010)
dan D'Incecco et al. (2017)
menggunakan data dari VIRTIS (Drossart et al. 2007). Sampel basal menjadi dilapisi dengan hematit, to the
point mengaburkan reflektansi VNIR-nya, kira-kira sama waktu sebagai olivin dan gelas (Gambar 1), setelah satu
bulan bereaksi (Minitti et al. 2002; Filiberto et al. 2020).
Selanjutnya, basal sampel membentuk lapisan hematit pada skala waktu yang sama
seperti gelas basaltik dan mineral basaltik di bawah gas CO2 –
CO (mis., Berger et al. 2019; Teffeteller et al. 2019, 2020).
Karena itu, ini menyiratkan
bahwa laju pembentukan hematit pada dasarnya tidak bergantung pada oksigen fugacity atau perbedaan dalam
kondisi atmosfer, yang menyiratkan bahwa laju-membatasi mekanisme dalam
oksidasi bukanlah ketersediaan oksigen pada permukaan
tetapi difusi besi ke permukaan batu seperti sebelumnya yang disarankan sebelumnya. Karya-karya
ini menunjukkan bahwa perubahan pada Venus adalah didominasi oleh perkembangan lapisan tipis yang cepat (<1μm) hematit nanofase di permukaannya. Ini konsisten dengan warna merah dari permukaan batuan Venus dan regolith di
Venera 9 dan 10 lokasi pendaratan, yang sugestif (pigmen atau nanophase) hematit (Pieters et al. 1986).
Namun
belerang dapat
mengubah tingkat perubahan dan kemungkinan akan menyebabkan sulfat, selain hematit, terbentuk di permukaan basal Dalam percobaan kami, piroksen diubah dan dioksidasi
lebih banyak lebih lambat dari olivin atau basal yang konsisten
dengan sebelumnya hasil
eksperimen untuk Mars, pantulan
piroksen meningkat secara moderat di semua panjang gelombang lebih panjang dari ∼800nm, mungkin karena lapisan hematit memiliki reflektansi yang lebih tinggi daripada
yang mendasarinya.
Sementara Refleksi sampel augit dan ortopiroksenit berubah lebih dari diopside, yang memiliki zat besi
terendah kandungan. Tidak mengherankan, ini menunjukkan bahwa piroksen
mengandung zat besi akan
teroksidasi lebih cepat daripada piroksen rendah-besi. Secara spektral, semua piroksen akan dapat dideteksi oleh pemantulan VNIR (dan emisivitas) di permukaan Venus, bahkan setelah dua
bulan perubahan. Membandingkan ini dengan karya terbaru
tentang olivin oksidasi (Filiberto et al. 2020) menunjukkan bahwa
perubahan piroksen adalah
tentang urutan besarnya lebih lambat daripada oksidasi olivin, dengan asumsi
tingkat ini tidak signifikan perubahan,
akan menyarankan bahwa piroksen yang mengandung besi akan ditutupi dengan hematit dalam rentang waktu dekade,
dengan peringatan bahwa belerang di atmosfer kemungkinan akan
meningkatkan tingkat perubahan, Percobaan perubahan dikombinasikan dengan VNIR seperti yang
dijelaskan di sini dapat memberikan kendala untuk mendeteksi area
di Venus dicirikan oleh letusan baru-baru ini. Karena itu, untuk masa depan misi, ini menyiratkan bahwa pengukuran emisivitas orbit
di wilayah 1μm dapat digunakan untuk menghitung tidak
hanya besi konten dan keadaan oksidasi permukaan Venus (mis.,
Dyaret al. 2019), tetapi hasil ini dapat digunakan untuk memperkirakan umur basal lava mengalir. Misi yang diusulkan di masa depan,
seperti EnVision; Investigasi
Venus, Atmosfer yang Dalam, Kimia,
dan Pencitraan + (DAVINCI +); atau Venus Emissivity, Ilmu Radio, InSAR,
Topografi, dan Spektroskopi(VERITAS; Ghail et al. 2012, 2018; Glaze et al.
2017, 2018; Garvin et al. 2020; Smrekar et al. 2020; Widemann et
al. 2020), harus dapat melihat perubahan aliran ini konsisten
dengan oksidasi dan perubahan.
Kesimpulan
Hasil
percobaan kami mengkonfirmasi bukti pendarat dan kesimpulan teoretis bahwa
batuan basaltik di permukaan Venus harus dilapisi oleh hematit Selanjutnya, laju oksidasi dan perubahan adalah cepat;
olivin dan basal teroksidasi dalam beberapa minggu hingga bulan, menyebabkan
karakteristik optik VNIR dari basal dan mineral (Olivin, piroksen) tidak
terdeteksi setelah beberapa dekade. Hasil tersebut memberikan dukungan untuk kesimpulan terbaru (Filiberto et al.
2020) bahwa lava mengalir di Idunn Mons (Smrekar et al. 2010; D'Incecco et al.
2017) sebenarnya baru berumur beberapa dekade. Eksperimen yang sedang berlangsung dan mendatang di bawah atmosfer
lebih mirip Venus sendiri (mis., Pada fO2 bawah dan mengandung bantalan sulfur
spesies gas) harus lebih lanjut membatasi rentang waktu ini. Akhirnya, pesawat
ruang angkasa Venus di masa depan harus menggabungkan spektrometer pencitraan, peka
pada panjang gelombang "jendela" melalui Atmosfer Venus (di wilayah
1μm), untuk membatasi setrika isi, keadaan oksidasi, dan dengan demikian usia
lava Venus mengalir.