Weathering of Fe-bearing minerals under extraterrestrial conditions, investigated by Mössbauer spectroscopy

The weathering of Fe-bearing minerals under extraterrestrial conditions was investigated by Mössbauer (MB) spectroscopy to gain insights into the role of water on the planet Mars. The NASA Mars Exploration Rovers Spirit and Opportunity each carry a miniaturized Mössbauer spectrometer MIMOS II for the in situ investigation of Martian soils and rocks as part of their payload. The MER flight instruments had to be modified in order to work over the Martian diurnal temperature range (180 K – 290 K) and within the unique electronic environment of the rovers. The modification required special calibration procedures. The integration time necessary to obtain a good quality Mössbauer spectrum with the MIMOS II flight instruments was reduced by 30 % through the design of a new collimator. The in situ investigation of rocks along the rover Spirit's traverse in Gusev crater revealed weakly altered olivine basalt on the plains and pervasively altered basalt in the Columbia Hills. Correlation plots of primary Fe-bearing minerals identified by MB spectroscopy such as olivine versus secondary Fe-bearing phases such as nanophase Fe oxides showed that olivine is the mineral which is primarily involved in weathering reactions. This argues for a reduced availability of water. Identification of the Fe-oxyhydroxide goethite in the Columbia Hills is unequivocal evidence for aqueous weathering processes in the Columbia Hills. Experiments in which mineral powders were exposed to components of the Martian atmosphere showed that interaction with the atmosphere alone, in the absence of liquid water, is sufficient to oxidize Martian surface materials. The fine-grained dust suspended in the Martian atmosphere may have been altered solely by gas-solid reactions. Fresh and altered specimens of Martian meteorites were investigated with MIMOS II. The study of Martian meteorites in the lab helped to identify in Bounce Rock the first rock on Mars which is similar in composition to basaltic shergottites, a subgroup of the Martian meteorites. The field of astrobiology includes the study of the origin, evolution and distribution of life in the universe. Water is a prerequisite for life. The MER Mössbauer spectrometers identified aqueous minerals such as jarosite and goethite. The identification of jarosite was crucial to evaluate the habitability of Opportunity's landing site at Meridiani Planum during the formation of the sedimentary outcrop rocks, because jarosite puts strong constrains on pH levels. The identification of olivine in rocks and soils on the Gusev crater plains provide evidence for the sparsity of water under current conditions on Mars. Ratios of Fe2+/Fe3+ were obtained with Mössbauer spectroscopy from basaltic glass samples which were exposed at a deep sea hydrothermal vent. The ratios were used as a measure of potential energy for use by a microbial community. Samples from Mars analogue field sites on Earth exhibiting morphological biosignatures were also investigated.

Die Verwitterung eisenhaltiger Minerale unter extraterrestrischen Bedingungen wurde mit Hilfe der Mössbauer-Spektroskopie untersucht, um Einblicke in die Rolle von Wasser auf dem Mars in der Vergangenheit zu gewinnen. Die NASA Mars Exploration Rover Spirit und Opportunity sind jeweils mit einem miniaturisierten Mössbauer-Spektrometer MIMOS II für die in situ Analyse von Marsgestein und –Boden ausgestattet. Die MER Fluginstrumente mussten modifiziert werden um innerhalb des elektronischen Aufbaus der Rover und der täglichen Temperaturschwankungen auf dem Mars (180 K – 290 K) arbeiten zu können. Das erforderte eine spezielle Kalibrierung der Instrumente. Die notwendige Zeit, um ein Mössbauer-Spektrum guter Qualität aufzunehmen, konnte durch den Entwurf eines neuen Kollimators um etwa 30 % verringert werden. Die in situ Analyse von Gesteinen entlang der Reiseroute des Rovers Spirit enthüllte schwach verwitterten Olivinbasalt in der Ebene und stark verwitterten Basalt in den Columbia Hills. Korrelationsgraphen primärer eisenhaltiger Minerale gegen sekundäre eisenhaltige Minerale zeigen, dass Olivin das Mineral ist, das hauptsächlich an Verwitterungsreaktionen beteiligt ist. Das deutet auf eine geringe Verfügbarkeit von Wasser hin. Die Identifizierung des Eisenoxyhydroxids Goethit in den Columbia Hills ist dagegen ein unumstößlicher Beweis für wässrige Verwitterungsprozesse. Experimente in denen Pulver bestimmter Minerale verschiedenen Komponenten der Marsatmosphäre ausgesetzt wurden zeigen, das Reaktionen mit der Atmosphäre ausreichend sind, um Material an der Marsoberfläche zu oxidieren. Insbesondere der feine äolische Staub in der Marsatmosphäre könnte alleine durch Reaktionen mit der Atmosphäre in der Abwesenheit von Wasser oxidiert worden sein. Unverwitterte and verwitterte Stücke von Marsmeteoriten wurden mit Hilfe von MIMOS II untersucht. Das Studium der Marsmeteorite half, mit Bounce Rock den ersten Stein auf dem Mars selbst zu identifizieren, der eine ähnliche Zusammensetung aufweist wie die basaltischen Shergottite, eine Untergruppe der Marsmeteorite. Astrobiologie beinhaltet das Studium der Entstehung, der Evolution und der Verteilung des Lebens im Universum. Wasser ist die wichtigste Voraussetzung für das Leben auf der Erde. Die MER Mössbauer-Spektrometer haben mit Jarosit und Goethit zwei Minerale identifiziert, die sich nur in Gegenwart von Wasser bilden können. Die Identifizierung von Olivin in Gesteinen und Boden in der Ebene des Gusev-Kraters belegt den Mangel an Wasser unter den heutigen Bedingungen. Verhältnisse von Fe2+/Fe3+ wurden mittels Mössbauer-Spektroskopie aus basaltischen Glasproben, die an hydrothermalen Quellen exponiert waren, bestimmt. Daraus lässt die für Mikroorganismen zum Wachstum zur Verfügung stehende Energie berechnen. Proben, die morphologische Biosignaturen enthalten wurden desweiteren untersucht.