Shock-darkening in ordinary chondrites : Mesoscale modelling of the shock process and comparison with shock-recovery experiments

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http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-3996-2
Title: Shock-darkening in ordinary chondrites : Mesoscale modelling of the shock process and comparison with shock-recovery experiments
Author: Moreau, Juulia-Gabrielle
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Geosciences and Geography
Doctoral Programme in Geosciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2019-04-05
Belongs to series: DEPARTMENT OF GEOSCIENCES AND GEOGRAPHY A - URN:ISSN:1798-7911
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-3996-2
http://hdl.handle.net/10138/300084
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Ordinary chondrites are primitive materials of the solar system; they were subject to thermal and shock metamorphism during asteroid accretion and collision history. Shock-darkening is a shock metamorphic process which occurs in ordinary chondrites where iron sulphides and metals form a network of tiny melt veins, optically darkening the lithology. Together space weathering and shock-darkening can be a major factor in alteration of reflectance spectra, suppressing the 1 and 2 micron silicate absorption bands. S-complex asteroids, hosting ordinary chondrites, display silicate absorption bands. C/X-complex asteroids are either devoid of 1 and 2 micron silicate absorption bands or presenting a weak silicate absorption band at 1 micron. If shock-darkening can alter the spectra of S-complex asteroids, they can appear like C/X-complex asteroids and induce a mismatch in the asteroid distribution. This thesis provides an in-depth study of shock-darkening in order to determine the pressure-temperature conditions for shock melting of both iron sulphides and metals, in ordinary chondrites. In order to perform this study the following actions were required: I. observing shock wave interactions in heterogeneous mediums composed of silicates, metals, and iron sulphides, the principal components of ordinary chondrites II. quantifying post-shock heating and melting of the individual phases III. comparing my results with observations of shock metamorphism in ordinary chondrites IV. investigating on the best conditions to reproduce shock-darkening in shock-recovery experiments. In contrast to shock-recovery experiments, I adopted a numerical modelling method which calculated the post-shock heating and melting of individual phases and provided observation of shock wave interactions in heterogeneous mediums. The shock physics code iSALE was used on a mesoscale to study shock compression of ordinary chondrites. Using complex models, the numerical study lead to the following results: A) 40−60 GPa is the likely range for shock-darkening, dominated by melting of iron sulphides. B) Heterogeneous distribution of peak shock pressures and post-shock heating is caused by strong impedance contrasts between phases (with strong pressure increases through reflections from high density phases to lower density phases, e.g. metals to silicates). C) Special conditions, such as eutectic melting, hotspots from convergence of shock waves, or pore crushing, are necessary to melt metals. D) Porosity and pre-heating are important boundary conditions affecting shock metamorphism. E) Results from the mesoscale models are compatible to observations of shock metamorphism in ordinary chondrites. Finally, simulations of shock-recovery experiments showed that the reverberation technique may prevent shock-darkening from occurring. Compared to a single pressure load, the reverberation technique reduces the rise in entropy from super-imposing pressures, thus, if sufficient pressure for shock-darkening (40–60 GPa) is achieved, melting of iron sulphides or metals may not occur. Alternatively, I showed that spherical shock-recovery experiments, which use spherically induced shock waves to shock spherical samples, are ideal to study shock-darkening because the rise in entropy is directly related to the peak-shock pressure in the sample. With my results, a more in depth quantitative study of the volume of shock-induced darkened materials during asteroid collisions is now possible.Les chondrites ordinaires sont des roches primitives du système solaire sujettes au métamorphisme thermique et de choc survenant sur les astéroïdes. Le noircissement par choc dans les chondrites ordinaires est un processus exclusif au métamorphisme de choc. Par fusion, les sulfures de fer et de métaux forment un réseau de minuscules veines qui noircissent la lithologie. Avec la météorologie spatiale, le noircissement par choc est un facteur majeur dans l’altération des spectres de réflexion puisqu’il élimine les bandes d’absorption à 1 et 2 microns des composés silicatés. Les spectres des astéroïdes du groupe S (intégrant les chondrites ordinaires) possèdent ces bandes d’absorption, là où ceux des astéroïdes du groupe C/X en sont dénués ou possèdent une faible absorption à 1 micron. Si le noircissement par choc altère les spectres des astéroïdes du groupe S, ceux-ci peuvent ressembler à ceux du groupe C/X et occasionner une incohérence dans la distribution des astéroïdes. Dans ma thèse, j’ai étudié le noircissement par choc en déterminant les conditions de pression et température nécessaires à la fusion des sulfures de fer et métaux dans les chondrites ordinaires. Plus précisément, j’ai eu besoin de : I. observer les interactions d’ondes de choc dans des milieux hétérogènes composés de silicates, métaux et sulfures de fer, principales phases minérales des chondrites ordinaires II. quantifier les températures post-choc et la fusion de ces phases minérales III. comparer mes résultats avec la littérature sur le métamorphisme de choc dans les chondrites ordinaires IV. explorer les conditions idéales pour reproduire le noircissement par choc dans des expériences de récupération (de choc). Au détriment des expériences de récupération, j’ai opté pour la modélisation numérique afin de quantifier les températures post-choc et la fusion des différentes phases minérales, et observer in situ les interactions d’onde de choc dans un milieu hétérogène. Par l’usage d’un code de physique des chocs (iSALE), j’ai mené cette étude sur les chondrites ordinaires. Profitant de modèles complexes, les résultats obtenus sont les suivants : A) Le noircissement par choc, dominé par la fusion des sulfures de fer, se produirait aux pressions de 40–60 GPa. B) Les forts contrastes d’impédance entre phases (e.g. entre métaux et silicates) provoquent une distribution hétérogène des pics de pression et de température post-choc causés par des réflexions de choc. C) La fusion eutectique et les zones de hautes températures (provoquées par la convergence d’ondes de choc ou la fermeture de pores) sont des conditions nécessaires pour la fonte des métaux. D) La porosité initiale et le métamorphisme thermique sont d’autres conditions ayant un effet sur le métamorphisme de choc. E) Les résultats inhérents aux modèles numériques sont en accord avec la littérature sur le métamorphisme de choc dans les chondrites ordinaires. Finalement, des modèles numériques sur les expériences de récupération montrent que la technique de réverbération est limitée pour le noircissement par choc. Contrairement à une hausse instantanée de pression, la réverbération réduit l’entropie en accumulant les pressions. Ainsi, si la pression requise pour le noircissement par choc est atteinte (40–60 GPa), la fusion des sulfures de fer ou des métaux peut ne pas se produire. Cependant, j’ai démontré que les expériences de récupération qui profitent d’ondes de choc sphériques sont idéales pour produire le noircissement par choc. En effet, dans ces expériences, l’entropie correspond à la pression atteinte dans l’échantillon. Avec mes résultats, une étude sur la quantification du volume de matériaux soumis au noircissement par choc pendant les collisions entre astéroïdes est désormais envisageable.
Subject: Geophysics
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