abstract: Interpreting the petrogenesis of materials exposed on the surface of planets and asteroids is fundamental to understanding the origins and evolution of the inner Solar System. Temperature, pressure, fO2, and bulk composition directly influence the petrogenetic history of planetary surfaces and constraining these variables with remote sensing techniques is challenging. The integration of remote sensing data with analytical investigations of natural samples, lab-based spectroscopy, and thermodynamic modelling improves our ability to interpret the petrogenesis of planetary materials. A suite of naturally heated carbonaceous chondrite material was studied with lab-based spectroscopic techniques, including visible near-infrared and Fourier transform infrared reflectance spectroscopy. Distinct mineralogic, and thus spectroscopic, trends are observed with increasing degree of thermal metamorphism. Characterization of these spectral trends yields a set of mappable parameters that will be applied to remotely sensed data from the OSIRIS-REx science payload. Information about the thermal history of the surface of the asteroid Bennu will aid in the selection of a sampling site, ensuring OSIRIS-REx collects a pristine regolith sample that has not experienced devolatilization of primitive organics or dehydration of phyllosilicates. The evolution of mafic magma results in distinct major element chemical trends. Mineral assemblages present in evolved volcanic rocks are indicators of these processes. Using laboratory spectroscopic analyses of a suite of evolved volcanic rocks from the Snake River Plain, Idaho, I show that these evolutionary trends are reflected in the spectral signatures of ferromagenesian and feldspar minerals. The Athena science package on the Mars Exploration Rover Spirit allows for the in situ investigation of bulk chemistry, texture, and mineralogy on the surface of Mars. Using the bulk composition of the Irvine and Backstay volcanic rocks, thermodynamic modeling was performed to further constrain the formation conditions of Martian volcanics. Irvine and Backstay compositions exhibit dramatic variations in modal mineralogy with changing fO2. Using these results, I show that the observed Mini-TES spectra of Irvine and Backstay can be adequately reproduced, and additional constraints can be placed on their primary fO2. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Geological Sciences 2018

Les chondrites à enstatite partagent un réservoir commun de l'isotope de l'oxygène avec la Terre et la Lune. Cette caractéristique soulève la question d'une possible participation de ce type de météorites à la construction de la Terre. Egalement, l'étude des chondrites à enstatite permet d'apporter de nouvelles contraintes pour comprendre plus en détail l'histoire de la différenciation de petits corps planétaires soumis à des conditions réductrices. La première étude expérimentale systématique à haute pression et haute température d'une chondrite à enstatite a ainsi été mise en oeuvre, entre 1 et 25 GPa, et entre 1200°C et 2500°C, couvrant ainsi les conditions de pression et de température du manteau supérieur terrestre. La météorite qui a été choisie pour cette étude s'appelle Indarch. Il s'agit d'une chondrite à enstatite de type EH4. A 1 GPa, l'effet de la fO2 sur les relations de phases de la météorite, ainsi que sur les coefficients de partage entre métal et silicate liquide des éléments S, Si, Cr, Mn, Ni, et Mo est étudié spécifiquement. Les phases silicatées et métalliques subissent de grands changements lorsque la fO2 varie de IW-1.5 à IW-4.5. Des monosulfures contenant les éléments (Fe, Mg, Mn, Ca, Cr) sont présents aux fO2 les plus réduites. La phase métallique de nos échantillons est toujours liquide et comprend deux phases immiscibles riches en fer : l'une pauvre en S et riche en C, et l'autre riche en S et pauvre en C. La phase riche en C est également riche en Si aux fO2 les plus réduites. Les relations de phases d'Indarch ont été déterminées entre 3 et 25 GPa, et entre 1500°C et 2500°C, nous permettant de proposer le premier diagramme de phases en pression et température pour une chondrite à enstatite. La phase métallique est toujours liquide et il s'agit d'un alliage Fe-Ni-S à ces plus hautes pressions. La formation d'un noyau planétaire à basse pression (0 à 5 GPa) sous des conditions très réductrices ne peut expliquer les appauvrissements observés de S dans les manteaux silicatés alors que plusieurs wt% de Si pourront être piégés dans le noyau. En revanche, à plus haute pression, l'incorporation de S dans le noyau sera facilitée sous des conditions plus oxydantes. Finalement, notre étude permet de proposer un modèle d'évolution d'un matériau chondritique en cours d'accrétion sous des conditions rédox variables

La majorité des éléments volatils des chondrites se trouvent dans la matière organique et les argiles. Ces derniers se sont formés en présence d'eau et en ont conservé la signature isotopique. Le premier objectif de cette étude est la caractérisation par différentes techniques d'analyse de la matière organique dans deux classes distinctes de chondrites afin d'obtenir des informations sur sa répartition dans la nébuleuse protosolaire. Le second objectif est l'estimation des compositions isotopiques de la matière organique et des argiles à l'échelle micrométrique dans la matrice des chondrites où ces phases sont finement mêlées pour déterminer la nature des relations qui les lient. A partir de l'imagerie en spectrométrie de masse des ions secondaires (NanoSIMS), nous avons développé un protocole analytique faisant appel à la déconvolution des rapports ioniques D-/H- et 16OD- /16OH- mesurés dans des mélanges connus de matière organique et de phyllosilicates. Ce protocole a été appliqué à la matrice de la chondrite ordinaire Semarkona. L'absence de relation spatiale dans les compositions isotopiques en hydrogène de la matière organique et des argiles de Semarkona est incompatible avec un échange isotopique entre ces deux phases. Par contre, des plages micrométriques d'argiles riches en deutérium (D/H > 3000 × 10-6) forment des ilots au sein de la matrice constituée majoritairement d'argiles de D/H ~ 800 × 10-6. Cette observation montre la faible extension (quelques μm) de l'altération aqueuse. Le processus de formation des argiles riches en deutérium reste à comprendre.

Dans un premier temps, nous avons synthétisé et caractérisé une chondrite à enstatite reconstituée. En étudiant cet objet, nous avons pu identifier et comprendre le signal Raman des sulfures présents dans les météorites à enstatite. La réponse Raman de ces phases est obtenue via l'activation des modes infra-rouge suite à une modification de la symétrie dans le réseau cristallin. Dans un second temps, nous avons utilise cet analogue pour comprendre le processus de bio-alteration des chondrites à enstatite dans les conditions terrestres actuelles, donc en aérobiose. Afin de bien comprendre ce phénomène de bio altération sur ce matériau complexe, il a été indispensable d'étudier ce mécanisme sur chacune des phases présentes dans celui-ci. Ainsi l'analogue de chondrite à enstatite, l'enstatite, la troilite, l'alliage Fe-Si et aussi de l'olivine ont été altérés abiotiquement et bio altérés par les souches Acidithiobacillus ferrooxidans et Acidithiobacillus thiooxidans, ¨¤ pH ¡Ö 2 ¨¤ T = 20¡ãC. Cette étude a permis d'obtenir et d'interpréter à l'échelle de la microscopie électronique à balayage les principales phases et microstructures qui se développent lors de l'altération abiotique ou biologique d'une chondrite à enstatite. En parallèle, des mesures régulières de la chimie du milieu aqueux ont permis d'étudier la cinétique de lixiviation de ces expériences de bio-alteration et de la comparer à une modélisation thermodynamique et cinétique, que nous avons effectué avec le programme Jchess. Nos résultats montrent qu'en opposition avec ce qui a été observe sur les phases séparées, les cinétiques de dissolution sont très différentes lorsque les différentes phases sont associées dans l'analogue de chondrite à enstatite : la troilite se dissout bien plus lentement que dans les expériences sur phases séparées alors que l'enstatite se dissout plus vite. La dissolution plus lente de la troilite est attribuée à la présence de monosulfures très solubles dans le matériau de départ. Ces observations pourront être utilisées pour modéliser et interpréter l'évolution d'une chondrite à enstatite à la surface de la Terre et, au delà, de matériaux réduits associant métaux, sulfures et silicates. Les chondrites à enstatite constituent un substrat approprié pour les deux souches bactériennes étudiées qui, en présence de cet assemblage minéral, ont montré de l'activité biologique, en particulier la formation de biofilms, et ont accéléré les vitesses de dissolution

[pt] Corpos relativamente pequenos do sistema solar não possuem atmosfera (ou muito rarefeita, chamada exosfera) e nem campo magnético: encontram-se praticamente desprotegidos da influência do ambiente espacial no qual estão inseridos. Tais corpos (como a maioria dos asteroides, luas e cometas distantes do Sol), estão sujeitos aos efeitos do chamado intemperismo espacial. Com o objetivo de simular e estudar este fenômeno em laboratório, três amostras de meteoritos do tipo condrito ordinário foram irradiadas por feixes de H(positivo) com energia de 1,0 MeV. Uma das amostras foi, também, irradiada por feixe de N(positivo) de 2,0 MeV. Os efeitos da irradiação foram monitorados por espectroscopias Raman e UV-VIS-NIR. Os resultados Raman mostram variações sistemáticas do número de onda, da intensidade e da largura das bandas vibracionais estudadas, evidências de modificações estruturais. As seções de choque de destruição das ligações Si-O presentes nas estruturas cristalinas foram determinadas. A espectroscopia UV-VIS-NIR por refletância de esfera integrada foi usada para monitorar as modificações nas características espectrais. Os espectros obtidos mostram escurecimento e avermelhamento progressivos das amostras irradiadas; a amplitude destas modificações depende do conteúdo inicial de ferro na estrutura. É proposto que o avermelhamento observado com o aumento da fluência (ou dose) da irradiação deve-se ao aumento do coeficiente de absorção na faixa azul que, por sua vez, decorre da diminuição do gap óptico do material. Estes resultados são relevantes para a modelagem da evolução físico-química de asteroides expostos ao vento solar. / [en] Relatively small bodies in the solar system have no atmosphere (or very thin, called the exosphere) and no magnetic field: they are virtually unprotected from the influence of the space environment in which they are inserted. Such bodies (like most asteroids, moons, and comets far from the sun), are subject to the effects of so-called space weathering. To simulate and study this phenomenon in the laboratory, three samples of ordinary chondrite meteorites were irradiated by H(positive) beams with 1.0 MeV energy. One of the samples was also irradiated by a 2.0 MeV N(positive) beam. The effects of irradiation were monitored by Raman and UV-VIS-NIR spectroscopies. The Raman results show systematic variations in the wavenumber, intensity, and width of the studied vibrational bands, evidence of structural modifications. The shock sections of the destruction of Si-O bonds present in the crystalline structures were determined. Integrated sphere reflectance UV-VIS-NIR spectroscopy was used to monitor changes in spectral characteristics. The obtained spectra show progressive darkening and reddening of the irradiated samples; The extent of these modifications depends on the initial iron content in the structure. It is proposed that the redness observed with the increase of irradiation creep (or dose) is due to the increase in the absorption coefficient in the blue band, which, in turn, results from the decrease of the optical gap of the material. These results are relevant for modeling the physicochemical evolution of asteroids exposed to the solar Wind.

<p>The class of meteorites called carbonaceous chondrites are examples of material from the solar system which have been relatively unchanged from the time of their initial formation. We investigate the carbonaceous chondrite subclasses CI, CM, CR, CV, and CO, which contain high levels of water and organic material, including amino acids. These subclasses span petrologic types 1 through 3, indicating the degree of internal chemistry undergone by the meteoritic parent body. The goal of this thesis is two-fold: to obtain a comprehensive view of amino acid abundances and relative frequencies in carbonaceous chondrites, and to recreate these patterns via thermodynamic computational models.</p> <p>We collate available amino acid abundance data for a variety of meteorites to identify patterns in total abundance and relative frequencies. We consider only a set of 20 proteinogenic alpha-amino acids created via a specific chemical pathway called Strecker synthesis. We plot abundances of individual amino acids for each subclass, as well as total abundances across all subclasses. We see a predominance in abundance and variety of amino acids in the CM and CR subclasses, which contain concentrations of amino acids greater by several orders of magnitude than other carbonaceous subclasses. These subclasses correspond to an aqueous alteration temperature range of 200 deg. C to 400 deg. C. Within the CM2 and CR2 meteorites, we identify trends in the relative frequencies of amino acids in preparation for computational modeling.</p> <p>Now having a baseline observed amino acid abundance plot, we recreate both the total amino acid abundance pattern as well as the relative frequency of amino acids within the CM2 chondrite subclass using computational models. We use thermodynamic theory of Gibbs free energies to calculate the output of amino acids in a meteoritic parent body assuming chemical equilibrium and some set of initial concentrations of organic material. Our model recreates abundance patterns in the temperature range 200 deg. C to 400 deg. C, ~10⁵ parts-per billion (ppb), and the temperature range 400 deg. C to 500 deg. C, ~10² ppb. Our model does not fit well between temperatures of 150 deg. C to 200 deg. C. Our current model assumes a uniform composition of initial chemical reactants; likely an inhomogeneous composition would be a more accurate physical representation of a parent body. In addition, we match relative frequencies to observed frequencies for each amino acid in the CM2 subclass to well within an order of magnitude.</p> / Master of Science (MSc)

No description available.