Experimental hydration of amorphous silicate smokes: Simulating aqueous alteration of fine-grained materials in CM chondritic meteorites

Abstract

Amorphous non-stoichiometric silicate materials (e.g. “smokes”) of different compositions (e.g. SiOx, Mg-SiOx, Fe-SiOx, and Mg-Fe-SiOx) synthesized at NASA’s Goddard Space Flight Center are used as analogs for the amorphous materials found in the matrices of the most primitive meteorites (e.g CM’s, CO’s, and CR’s). Because the CM chondrites were aqueously altered at ~22-25 ºC, a series of hydration experiments were performed at room temperature to see how the succession of hydrous minerals proceeds with time. pH-time series and temperature-time series data were measured as an attempt to characterize the reactions that occur during the aqueous alteration of non-stoichiometric silicates. In addition, hydration of the Fe-SiOx smoke using Mg solutions at different concentrations were performed to assess the role of dissolved ions during aqueous alteration of primitive CM chondrites. The hydration of Mg-silicate smokes results in alkaline values with an average pH of 10.93 (± 0.21). Alkaline values are consistent with serpentinizing reactions such as those seen in CM chondrites and help explain the preservation of Fe-Ni metal grains while the acidic values obtained by the hydration of the Fe-SiOx (as low as 4.26 (± 0.37)) does not. Hydration of Mg-silicate and Fe-silicate smokes mechanical mixtures also result in alkaline values. Higher Fe contents result in less alkaline values, therefore, the pH obtained by the higher Mg:Fe ratios are more consistent with CM chondrites. Hydration of the Fe-SiOx smokes using MgO solution resulted in an alkalinity with an average pH of 9.75 (± 0.42) at high concentrations, and using Mg(Cl)2 solutions result in acidic values of 5.01 (± 0.44) at high concentrations. Only the MgO solution at high concentrations resulted the pH necessary to reproduce the textures seen in CM chondrites. Temperature changes in the reactions are less than 1 degree, which is consistent with observations that CM chondrites were altered at low temperatures. This helps explain the preservation of low temperature phases, which is most consistent with the alteration of the anhydrous amorphous material rather than the anhydrous silicates. SEM characterization reveals individual particles ranging from 50-200 nm in size. The smoke:water experiments shows a slight change in texture from individual particles to closely- packed/fused textures after a period of 3 months of reaction. The Fe smoke:solution experiments still preserved the initial particulate nature and no secondary minerals could be identified.

Materiales de silicatos amorfos no estequiométrico de diferentes composiciones (e.g. SiOx, Mg-SiOx, Fe-SiOx, and Mg-Fe-SiOx) han sido sintetizados en Goddard Space Flight Center, NASA y usados como análogos del material amorfo encontrado en las matrices de los condritos más primitivos (e.g. CM’s, CR’s y CO’s). Porque los condritos CM fueron alterados por agua a temperaturas ~22-25 ºC, una serie de experimentos de hidratación fueron realizados a temperatura ambiente para ver como procede la sucesión de minerales alterados acuosamente. Se tomaron medidas de pH y temperatura vs. tiempo con el propósito de imitar las reacciones que ocurren en los CM. En adición, se realizaron experimentos de hidratación usando el Fe-SiOx mezclado con una solución de Mg a distintas concentraciones con el propósito de evaluar el rol de iones disueltos durante la alteración acuosa del condrito CM. La hidratación de Mg-SiOx resulta en fluidos alcalinos con un pH promedio de 10.93 (± 0.21). Valores alcalinos son consistentes con una reacción de serpentinización así como es visto en chondritos CM y ayuda a explicar la preservación de granos metálicos de Fe/Ni mientras que los valores acídicos obtenidos por el Fe-SiOx (tan bajo como 4.26 (± 0.37)) no. La hidratación de la mescla entre el Mg-SiOx y Fe-SiOx resulta en valores alcalinos. A mayor cantidad de Fe menos alcalina la solución, por lo tanto, el pH obtenido por el Mg:Fe más alto es más consistente con los condritos CM. La hidratación del Fe-SiOx + MgO resulta en valores alcalinos con un pH promedio de 9.75 (± 0.42) en concentraciones altas y usando soluciones de Mg(Cl)2 resulta en valores acídicos con un valor promedio de 5.01 (± 0.44) en concentraciones altas. Solo soluciones de MgO en concentraciones altas resulta en el pH necesario para reproducir las texturas vistas en chondritos CM. Cambios en temperatura resulta <1º de diferencia el cual es consistente con observaciones de que los CM fueron alterados a bajas temperaturas. Esto ayuda a explicar la preservación de minerales formados a bajas temperaturas, el cual es más consistente con la alteración del material amorfo en vez de los silicatos. Caracterización vía SEM revela partículas individuales con tamaños de 50-200 nm. Se ven cambios pequeños en la textura en los experimentos de agua, desde partículas individuales a partículas más compactadas luego de un periodo de 3 meses de reacción pero ningún cristal de filosilicato pudo ser identificado. Los experimentos de solución de Mg mantuvieron su naturaleza particulada.