Minerali di carbonio nelle ureiliti di Frontier Mountain del Museo nazionale dell'Antartide, Siena, Italia

La formazione dei diamanti nelle ureiliti è stata molto dibattuta ed è tuttora controversa. La prima ipotesi risale al 1956, quando Urey ipotizzò che i diamanti potessero formarsi in condizioni statiche di alta pressione all'interno del corpo madre delle ureiliti (UPB), come i loro analoghi terrestri si formano nel mantello della Terra [Urey 1956]. Qualche anno dopo, Lipschutz propose che i diamanti si fossero formati per conversione da shock della grafite durante la rottura catastrofica del corpo madre delle ureiliti [Lipschutz et al. 1964]. Una terza ipotesi, supportata dal diverso contenuto di gas nobili del diamante e della grafite nelle ureiliti, afferma che il diamante si forma a bassa pressione nella nebulosa solare per deposizione di vapore chimico (CVD) [Fukunaga et al. 1987]. Nakamuta et al. 2000 hanno tentato un primo studio sistematico del diamante e della grafite nelle ureiliti monomittenti con diverse caratteristiche di shock. Come tendenza generale, hanno osservato che il diamante e la grafite si trovano insieme nelle ureiliti con shock da basso ad alto, ma non nelle ureiliti con shock molto basso. Inoltre, nelle ureiliti a basso shock, il diamante è associato alla kamacite, il che suggerisce un ruolo catalitico del metallo. La prima ipotesi di Urey è stata rivitalizzata dagli studi sui diamanti dell'ureilite polimittica Almahata Sitta di Miyahara et al. [2015]. Nel campione MS-170, [Miyahara et al. 2015] hanno descritto grandi grani di diamante (~40 μm) con orientamenti cristallografici simili che sono stati considerati come frammenti di un unico grande cristallo formatosi o nell'interno profondo del corpo madre o per CVD. Questo cristallo avrebbe raggiunto i 100 μm, rappresentando così un caso unico nelle ureiliti. Successivamente, Nabiei et al. (2018) hanno riportato nello stesso campione la presenza di inclusioni di cromite, fosfato e solfuro di (Fe,Ni) incorporate nel diamante. Gli autori hanno suggerito che la composizione e la morfologia delle inclusioni deducono una pressione di formazione superiore a 20 GPa, e quindi un corpo progenitore delle dimensioni del Mercurio. 
L'analisi delle relazioni tra le varie fasi carboniose potrebbe far luce sulla fase precursore dei diamanti e sul loro processo di formazione. Tali informazioni contribuiranno a ricostruire la storia evolutiva del corpo parentale asteroidale per determinare il legame asteroide-meteorite. Inoltre, ci aiuterà a comprendere i possibili processi che si verificano nella fascia degli asteroidi del nostro Sistema Solare, come la collisione, la migrazione, la riaccelerazione e il mescolamento dei corpi asteroidali.

References

Fukunaga, K. et al. (1987). Noble-gas enrichment in vapour-growth diamonds and the origin of diamonds in ureilites. Nature, 328(6126), 141.

Lipschutz, M. E. (1964). Origin of diamonds in the ureilites. Science, 143(3613), 1431-1434.

Miyahara, M. et al. (2015). Unique large diamonds in a ureilite from Almahata Sitta 2008 TC3 asteroid. Geochimica et Cosmochimica Acta,
163, 14-26.

Nabiei, F. et al. (2018). A large planetary body inferred from diamond inclusions in a ureilite meteorite. Nature communications, 9(1), 1327.

Urey, H. C. (1956). Diamonds, Meteorites, and the Origin of the Solar System. The Astrophysical Journal, 124, 623.

Il principale risultato atteso da questo progetto è quello di avere ulteriori approfondimenti sull'origine, la formazione e le relazioni tra le fasi di carbonio nelle ureiliti. La comprensione della forma e della presenza di minerali di carbonio nelle ureiliti contribuirà a limitare la petrogenesi di tali meteoriti e quindi l'evoluzione del loro corpo madre. COMMANDER intende caratterizzare le fasi di carbonio nei campioni ureilitici con diversi gradi di shock (da S1 a S5/6) mediante microdiffrazione di raggi X su cristallo singolo (SC- RD), diffrazione di raggi X su micropolvere (mPXRD), spettroscopia micro-Raman, microscopia elettronica a scansione a pressione variabile dotata di pistola a emissione di campo (SEM-FEG) e microscopia elettronica a trasmissione (TEM), e correlare la presenza dei vari polimorfi con il grado di shock subito dalle meteoriti.

Il progetto COMMANDER dimostra che il processo di formazione più affidabile per il diamante e la grafite nelle ureiliti è l'evento o gli eventi di shock. In dettaglio, le fasi carboniose dei frammenti ureilitici sono state studiate mediante microscopia ottica (OP), microscopia elettronica a scansione (SEM), diffrazione di raggi X (XRD) e microspettroscopia Raman (MRS). Queste analisi sono state condotte al fine di i) studiare i polimorfi del carbonio in funzione del grado di shock, ii) valutare a quale livello di shock il diamante si sostituisce alla grafite e iii) valutare se il grado di shock è correlato alla temperatura registrata dalla grafite. I risultati di questo progetto ottenuti su altre ureiliti hanno permesso al team di ricerca COMMANDER di confrontare i risultati ottenuti sui frammenti di Frontier Mountain con quelli di altre ureiliti studiate con la stessa procedura analitica.

I principali risultati di questo progetto possono essere riassunti come segue:

1) I dati di diffrazione dei raggi X indicano la coesistenza di nano-diamanti insieme a micro-diamanti e nano-grafite nelle ureiliti. In particolare, questa coesistenza è presente nei campioni FRO 01089, FRO 97013, FRO 01088 e FRO 01012 (con livello di shock da S3 a S6 di Stöffler et al. 2018); mentre le analisi di diffrazione dei raggi X sul campione a basso shock FRO 95028 (S2) mostrano principalmente nano-grafite con un'abbondanza molto bassa di diamante (è presente solo un picco di bassa intensità a d-spacing 2,06 Å).  Inoltre, la maggior parte dei modelli di diffrazione dei raggi X dei campioni ureilitici studiati a shock medio e alto mostrano una spalla (d =2,18Å) sul picco più alto del diamante (d = 2,06 Å) che suggerisce la presenza di un disordine di impilamento nel diamante, che è una caratteristica tipica degli shock (si veda Murri et al. I modelli di diffrazione della polvere di FRO 01089 (S3), FRO 97013(S3/4) e FRO 01088(S5) mostrano nei picchi più alti della grafite un'asimmetria simile a quella osservata nei campioni contenenti carbonio studiati in Almahata Sitta 72, 209b e nei campioni NWA 7983. Questa asimmetria potrebbe essere riferita alla "grafite compressa" (Nakamuta e Aoki 2000), che di solito si verifica nella fase iniziale della trasformazione diretta da grafite a diamante in seguito alla compressione da urto;

2) Le analisi di microspettroscopia Raman sui campioni indagati mostrano valori omogenei dei centri in banda G e D nei loro spettri Raman della grafite; la temperatura registrata dalla grafite, utilizzando il geotermometro per grafite di Cody et al. (2008) basato sulla spettroscopia Raman, varia tra 1291 e 1398 °C e, combinando questi risultati con tutti i dati disponibili sulle ureiliti con diversi gradi di shock, possiamo affermare che tale temperatura non è correlata al grado di shock. 

I risultati del progetto COMMANDER stabiliscono che il diamante nell'ureilite si è formato in seguito a uno o più eventi di shock che sono stati contemporaneamente responsabili della riduzione granulometrica della grafite. La coesistenza di diverse fasi carboniose, con cristalliti di dimensioni diverse, potrebbe essere spiegata da: (i) la distribuzione eterogenea degli effetti dell'urto, che è principalmente attribuita alla propagazione eterogenea dell'onda d'urto, (ii) il contrasto dell'impedenza d'urto tra fasi contigue (Ogilvie et al., 2011), (iii) la posizione dei frammenti rispetto al luogo dell'impatto e (iv) l'abbondanza e la distribuzione delle leghe di Fe e Ni che fungono da catalizzatori per la crescita del diamante.

I risultati ottenuti sono stati pubblicati in quattro riviste scientifiche peer-reviewed ad alto impatto (media I.F. 5,53) e altri due articoli sono in corso di revisione in MAPS e EPSL. Inoltre, questi dati sono stati presentati in 7 conferenze nazionali e internazionali. 

Pubblication in peer-reviewed journals

1. F. Nestola, C. A. Goodrich, M. Morana, A. Barbaro, R. S. Jakubek, O. Christ, F. E. Brenker, M. C. Domeneghetti, M. C. Dalconi, M. Alvaro, A. M. Fioretti, K. Litasov, M. D. Fries, M. Leoni, N. P. M. Casati, P. Jenniskens, M. H. Shaddad. Impact shock origin of diamonds in ureilite meteorites. – PNAS, 2020, 117 (41), 25310-25318. (doi.org/10.1073/pnas.1919067117).

2. A. Barbaro, M.C. Domeneghetti, AC. Goodrich, M. Meneghetti, L. Litti, A.M. Fioretti, P. Jenniskens, M.H. Shaddad, F. Nestola. Graphite-based geothermometry on Almahata Sitta ureilitic meteorites - Minerals 2020, 10, 1005, 1-14. (doi:10.3390/min10111005 www).

3 A. Barbaro, M. C. Domeneghetti, K. D. Litasov, L. Ferrière, L. Pittarello, O. Christ, S. Lorenzon, M. Alvaro, F. Nestola, Origin of micrometer-sized impact diamonds in ureilites by catalytic growth involving Fe-Ni-silicide: The example of Kenna meteorite. – Geochimica et Cosmochimica Acta 2021, 309, 286-298 (doi.org/10.1016/j.gca.2021.06.022).

4 A. Barbaro, M. C. Domeneghetti, L. Pittarello, L. Ferrière, M. Murri, O. Christ, M. Alvaro, F. Nestola, Characterization of carbon phases of Yamato 74123 ureilite to constrain the meteorite shock history. –American Mineralogist 2022, 107, 377-384 (doi.org/10.2138/am-2021-7856).

5. O. Christ, A. Barbaro, F. E. Brenker, P. Nimis, D. Novella, M. C. Domeneghetti, F. Nestola.  Shock degree and graphite geothermometry in Ureilites NWA 6871 and NWA 3140 – Under review in Meteoritics and Planetary Sciences.

6. A. Barbaro, M.C. Domeneghetti, A. M. Fioretti, C. A. Goodrich, M. Alvaro, F. Nestola. Carbon polymorphs in Frontier Mountain ureilitic meteorites: a correlation with increasing the degree of shock. – Under review in Earth and Planetary Science Letters.

Meeting and conferences

1. Barbaro A.; Christ O.; Murri M.; Ferrière L.; Pittarello L.; Goodrich C. A., Domeneghetti M. C.; Fioretti A.M.; Alvaro M.; Brenker F.E.; Nestola F., Study of carbon phases in the Yamato 74123 and Kenna ureilites. XVI National Congress of Planetary Sciences, 3rd -7 th February 2020, Padova, (Italy).

2. Nestola F., Goodrich C.A, Morana M., Barbaro A., Christ O., Brenker F.E, Domeneghetti M.C., Dalconi M.C, Alvaro M., Fioretti A. M., Leoni M., Casati N. P. M., Jenniskens P.J., Shaddad M.H., Origin of diamond and graphite in ureilites: a timely topic in planetary geology. XVI National Congress of Planetary Sciences, 3rd -7 th February 2020, Padova, (Italy).

3. Barbaro A., M. Domeneghetti C., Meneghetti M., Litti L., Fioretti A. M., Goodrich C., Christ O., Brenker F. E., Shaddad M. H., Alvaro M., Nestola F., SHOCK TEMPERATURE RECORDED BY GRAPHITE IN UREILITES FROM ALMAHATA SITTA (#1480). 51st Lunar and Planetary Science Conference 2020 – 17th -21 st March 2020, Houston (TX, USA)

4. Barbaro A., Nestola F., Pittarello L., Ferrière L., Murri M., Christ O., Alvaro M., Domeneghetti M. C. Impact Shock Origin of Carbon Phases in Yamato 74123 Ureilite (#1123). 52nd Lunar and Planetary Science Conference 2021 – 15 th -19th March 2021, Houston (TX, USA) virtual Conference.

5. Barbaro A., Domeneghetti M. C., Litasov K. D., Ferrière L., Pittarello L., Christ O., Lorenzon S., Alvaro M., Nestola F. Carletonmooreite (Ni3Si) in shocked diamond-bearing Kenna ureilite (2609 id. 6066). 84th Annual meeting of the Meteoritical Society 2021 – 15th – 21st August 2021, Chicago (Illinois).

6. Barbaro A., Fabrizio N., Alvaro M., Domeneghetti M.C. Shock origin of carbon phases in ureilites. XVII National Congress of Planetary Sciences, 20^th -24^th June 2022, Napoli (Italy).

7. Barbaro A., F. Nestola and Domeneghetti M.C. CARBON POLYMORPHS IN FRONTIER MOUNTAIN UREILITIC METEORITES: A CORRELATION WITH THE INCREASING DEGREE OF SHOCK?. 85th Annual meeting of the Meteoritical Society 2022 – 14th – 21st August 2022, Glasgow.

Seminars

Fabrizio Nestola. C-phases in differentiated meteorites: from graphite to extraterrestrial diamonds, IAPS-INAF web seminar, 24th November 2021.