The lithification and metamorphism of lunar breccias

Experimental data have been used to establish the temperature coordinates for Warner's [1] scale of lunar metamorphic grades. A model of an ejecta blanket with a hot base layer overlain by a cold top layer can produce the observed features of the Apollo 14 breccias. The breccia formation process probably encompassed temperatures between 700°C and at least 1100°C and was a reasonably rapid process (hours to days).     

Numerical analyses of deformability tests in jointed rock — “Joint Perturbation” and “No Tension” Finite Element solutions

SummaryNumerical Analyses of Deformability Tests in Jointed Rock — Joint Perturbation and No Tension Finite Element Solutions Sound design of structures in or upon rock requires a thorough knowledge of the rock mass deformability. Field test data interpretation has generally relied upon analytical or Finite Element linear elastic solutions. However, when testing in jointed rock, these can no longer be readily used since the medium cannot resist the tension induced upon loading. Accordingly, other solutions are required. If the discontinuities of the rock mass can all be mapped and their surface properties determined, the Finite Element model will use a Joint Perturbation solution where the joint elements have variable stiffnesses to account for movements along the fractures. If the discontinuities cannot be satisfactorily mapped, a global approach is provided by a No Tension analysis of the stress transfer type. The two techniques are compared in the case of bore hole jack deformability tests and found to agree remarkably well, indicating an appreciable difference from results of linear elasticity.

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ZusammenfassungNumerische Analyse von Verformungsversuchen in geklüfteten Fels — Lösungen mittels Kluft-Perturbation und No Tension Analysis auf Grund der Methode der Finiten Elemente Der Entwurf von Bauwerken in oder auf Fels erfordert eine genaue Kenntnis des Formänderungsverhaltens der Felsmasse. Im allgemeinen basiert die Interpretation der Ergebnisse von Feldversuchen auf den Lösungen des zugehörigen Randwertproblems der linearen Elastostatik mittels klassischer analytischer Methoden oder der Methode der Finiten Elemente. Wenn die Versuche aber in geklüftetem Fels durchgeführt werden, müssen die theoretischen Methoden modifiziert werden, da das Medium keine Zugspannungen aufnehmen kann. Zwei Fälle können unterschieden werden. Erstens: die Kluftflächen der Felsmasse können geometrisch erfaßt und ihre Oberflächeneigenschaften können bestimmt werden; in diesem Falle kann die Finite-Elemente-Lösung eine Kluft-Perturbations-Methode verwenden, in welcher spezielle Kluft-Elemente verschiedener Steifigkeiten normal und tangential zu den Kluftflächen die Bewegungen entlang derselben bestimmen. Zweitens: die Diskontinuitäten der Felsmasse können nicht hinreichend beschrieben werden; für diesen Fall ist vorgekehrt durch die Finite-Element-Analyse vom Typ der Spannungsumlagerung unter Ausschaltung der Zugspannungen (No Tension Analysis), um das globale Verhalten der geklüfteten Felsmasse zu erfassen. Die Lösungen dieser beiden Methoden wurden für den Fall der Bohrloch-Verformungs-Tests verglichen; der Vergleich zeigt ausgezeichnete Übereinstimmung, im Gegensatz zu den Lösungen als lineares Elastizitätsproblem.

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RésuméLa méthode des Eléments Finis appliquée aux résultats d'essais de vérins cylindriques dans les roches fissurées — solutions dites Joint Pertubé et Sans Traction La construction de structures sur ou dans des roches nécessite une connaissance approfendie de la déformabilité du massif rocheux. L'analyse des résultats d'essais en place se fait généralement à l'aide de solutions analytiques ou par Eléments Finis, qui supposent une élasticité linéaire du milieu. De fait, dans les roches fissurées, ces solutions sont inadéquates puisque le milieu ne peut résister aux sollicitations de traction. Il s'agit donc d'utiliser d'autres méthodes d'analyse. Lors qu'il est possible de déterminer la géométrie et les propriétés de toutes les discontinuités, l'on pourra utiliser une solution par Eléments Finis, dite Joint Perturbé dans laquelle la rigidité de surface du joint (ou fissure) peut varier lorsque des movements prennent place au niveau du joint. Si cela est impossible, il faudra utiliser une approche globale dite Sans Traction qui redistribue les contraintes de traction et les dissipe. On compare ces deux types de solutions dans le cas des essais de vérins cylindriques unidirectionnels. Leurs résultats sont identiques et ont nettement différents de ceux obtenus avec une solution élastique linéaire.

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Research supported by the National Aeronautics and Space Administration — Contract NAS 8-21432.

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With 8 Figures     

Periodicity in namurian sediments of derbyshire,england (a quantitative sedimentary analysis)

Five facies associations are present in the basin-filling Namurian sediments (Grindslow Shales and Kinderscout Grit) of the southern Central Pennine Basin of England. Visual study of sequences fails to disclose any pattern in the occurrence of facies. A simple mathematical statistical analysis shows that patterns do occur and approximate models can be proposed. The homogeneous siltstones (facies A) occur roughly in accord with a Poisson process model; the striped siltstones (facies B) of the sequence deviate from a renewal process model in many ways and may be most nearly approximated by some process showing trend in the rate of occurrence of events; the sharp-based sandstones (facies C) seem to occur in agreement with some type of renewal process, but not a Poissonian variety. The intervals between the sediment-building periods of these facies categories may be renewal processes of some kind, although all deviate from a simple Poisson model. Owing to the limitations of the data available only tentative conclusions can be drawn.     

New determination of the air-earth current over the ocean and measurements of ionosphere potentials

Summary The electrode effect could be detected in full magnitude on the Atlantic during the expedition of the research vessel Meteor. The average value of the electric field over the sea surface is about 125 V/m, in about 10 to 100 m over the surface only about 60 V/m. This phenomenon as well as the results of small ion records lead to a value of the air earth current density on the sea of only 0.9×10^–12 A/m², a quarter of the value accepted up to now. With these values the total current of the global air electric circuit will be about 665 A instead of 1500 to 1800 A. The ionosphere potentials over two places in a distance of 8000 km at 15 dates are nearly identical and in the average 280 kV.     

Search for exoelectrons in apollo 12 materials

The search for exoelectron emission from Apollo 12 materials usually produced negative results, suggesting that the concentration of naturally occurring traps is very low. Weak exoelectron activity was found scattered inhomogeneously within a pigeonite basalt rock and in a deep core tube sample. Its erratic appearance and intensity makes any interpretation of radiation history most difficult and is attributed to the activity being carried by only a few scattered crystals. The thermally stimulated emission of exoelectrons is judged an unsuitable technique for tracing the radiation histories of these samples.     

Covariance structure and morphometric analysis—A contribution to paleogenetics

A method of analysis of covariance structure proposed by A. P. Dempster complements, in some respects, a recently suggested procedure by the author. The method is based on the comparison of ratios of generalized statistical distances and distancelike quantities. An analysis of septivariate data on the foraminiferTextilina mexicana (Cushman) shows general differences in covariance structure in which the sample rest linear discriminators also differ. This difference in covariance structure is thought to be genetic in origin. Two species of Middle Devonian brachiopods,Martinia inflata (Schnur) andUncites gryphus von Schlotheim), also show differences in covariance structure—the former slightly, the latter strongly. This is further analyzed forUncites by the author's methods and good agreement between the two approaches obtained.     

Chemistry,mineralogy and petrology of an eclogite from the type locality (Saualpe,Austria)

An eclogite and five of its coexisting minerals (omphacite, garnet, carinthine, kyanite and zoisite) from the probable type locality of eclogites (Kupplerbrunn, Saualpe, Austria) described by Haüy (1822) have been analysed. Optical and X-ray data for these minerals are also given. Comparison of the Kupplerbrunn rock with those of other eclogites from the Saualpe region indicates they all have roughly similar compositions. When plotted on an A-C-F diagram the majority of these analyses fall in the region of kyanite-bearing eclogites suggested by Tilley (1936) although the Kupplerbrunn rock is the only sample containing kyanite; the others containing zoisite. The garnet and omphacite compositions of the Kupplerbrunn rock differ markedly from those of other Saualpe eclogites, possibly due to different metamorphic conditions of their formation. Carinthine analyses are all very similar for eclogites from Saualpe. On the basis of geological, analytical and limited experimental evidence, it is postulated that the Kupplerbrunn eclogite was derived from an original gabbroic rock low in water content such that amphibole and zoisite formed from plagioclase, pyroxene and water; omphacite, garnet and kyanite formed from plagioclase and pyroxene, once all the water was used up in the form of amphibole and zoisite. These reactions are believed to have taken place at 5–8 kb pressure at around 600° C; a value close to that suggested by Lodemann (1966) from field data.     

Puu Hou littoral cones,Hawaii

The Puu Hou littoral cones, on the south shoreline of Hawaii, were built in 5 days by steam explosions from two narrow lava streams of the 1868 Mauna Loa lava flows as they entered the sea. Explosions occurred in localized areas of both streams, from foci that migrated seaward as the flow built jetties into the sea. Debris, radially ejected from the migrating explosion centers, fell partly on land and partly at sea, and thus formed crescent shaped rims (half-cones) on land which overlap one another. The half-cones are breached through their centers by debris-free basalt corridors, because fragments that fell onto the flowing lava were carried seaward beyond the accumulating rims.Gray and red clastic layers are draped smoothly over the rim areas; thus the rims resemble anticlinal arches in cross section. Some beds can be traced from clastic layers on the ridges into irregular agglomeratic masses interbedded with basalt units of the source lava near the foci. The lower layers in the clastic sequence contain less olivine than those high in the sequence, which corresponds in time to an increasing olivine content during the 5 day flow, as recognized in the source lava.Fragments are angular to subangular blocks, lapilli and ash of crystalline basalt mixed with more abundant quickly chilled cognate material of similar sizes. The ash is mostly sideromelane in angular particles and rounded droplets (5–95%), tachylite (2–70%), crystalline basalt (1–40%), and broken olivine phenocrysts (1–9%). In some samples, the sideromelane droplets are partly oxidized on their surfaces, and internally are dark brown (R. I.=1.610–1.616), possibly due to dehydration and/or oxidation during the explosions. Samples with externally oxidized glass also contain etched olivine crystals and some iddingsite. Unaltered sideromelane droplets are pale yellowish-brown with R. I.=1.592–1.600, and are associated with unaltered, angular to subangular olivine crystals. The refractive index of the unaltered sideromelane droplets is the same as sideromelane crusts of pahoehoe on the lava flow farther inland, suggesting that the droplets are not hydrated or highly oxidized. None of the sideromelane fragments are palagonitized, presumably because little or no hydration has taken place since 1868.

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Zusammenfassung Die littoralen Spratzkegel von Puu Hou an der Südküste von Hawaii sind innerhalb von 5 Tagen durch Dampfexplosionen in zwei naheliegenden Lavaströmen des Mauna Loa-Ausbruches im Jahre 1868 entstanden, als diese das Meer erreichten. Die Explosionen traten in eng begrenzten Bereichen beider Ströme auf; die Explosionsherde wanderten mit den Lavaströmen seewärts, wobei sich Landzungen in den Ozean bauten. Aus den seewärts wandernden Explosionsherden wurden Fragmente ausgeworfen, die teilweise auf das Land und in den Ozean fielen; es formten sich dabei halbkreisartige Ränder (Halbkegel), die sich am Land überlappen. Die Halbkegel sind in der Mitte von Basaltkorridoren durchbrochen, die frei von Explosionsfragmenten sind, da diese in die strömende Lava fielen und seewärts abtransportiert wurden.Graue und rote pyro-klastische Sedimentlagen legen sich über die Randzonen der Halbkegel, so daß sie im Querschnitt wie Antiklinalstrukturen aussehen. Einige dieser Schichten können mit klastischen Lagen vom randlichen Saum bis zu irregulären Agglomeratmassen verfolgt werden, die zwischen die Basalte nahe der Explosionsherde eingeschaltet sind. Die tieferen Lagen der klastischen Sedimente enthalten weniger Olivin als die höher liegenden. Dieses entspricht einem sich zeitlich vermehrenden Olivingehalt während der fünftägigen Ausbruchszeit, wie er auch in der Originallava erkannt werden kann.Die Bruchstücke bestehen aus angularen bis subangularen Blöcken, Lapilli und Kristallaschen, die mit rasch erkalteten Lavafetzen ähnlicher Korngröße vermischt sind. Die Asche enthält hauptsächlich Sideromelan in eckigen Bruchstücken und gefundeten Tröpfchen (5–95%), Tachylyt (2–70%), Kristallbasalt (1–40%) und zerbrochene Olivineinsprenglinge (1-9%).In einigen Proben sind die Sideromelantröpfchen teilweise auf ihren Oberflächen oxydiert und im Inneren möglicherweise durch Dehydrierung und/oder Oxydation während der Explosionen dunkelbraun gefärbt (R. I.=1.610-1.616).Proben mit äußerlich oxydiertem Glas enthalten auch angeätzte Olivinkristalle und einigen Iddingsit. Unveränderte Sideromelantröpfchen sind blaß gelblichbraun gefärbt (R. I.=1.592–1.600) und mit unveränderten, eckigen bis subangolaren Olivinkristallen vergesellschaftet. Der Brechungsindex der unveränderten Sideromelantröpfchen ist derselbe wie von Sideromelankrusten auf den Lavaströmen Pahoehoes. Daraus kann gefolgert werden, daß die Tröpfchen nicht hydratisiert oder stark oxydiert sind. Die Sideromelanbruchstücke enthalten keinen Palagonit, weil seit 1868 wahrscheinlich wenig oder gar keine Hydratisierung mehr stattgefunden hat.

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Résumé Les cônes littoraux Puu Hou, sur la côte sud d'Hawai' ont été créés en cinq jours par les explosions de vapeur de deux branches étroites de la coulée de lave de Mauna Loa en 1868 lorsqu'elle entrait en contact avec la mer. Les explosions se sont produites dans des points localisés des deux branches de la coulée à partir du centre avançant en direction de la mer à mesure que la lave y construisait des jetées. Les débris projetés à la ronde depuis les centres d'explosion mobiles tombèrement en partie sur terre et en partie en mer formant ainsi sur le sol des bourrelets en forme de croissants (demi-cônes) qui s'entrecoupent. Les demi-cônes sont traversés dans leur centre par des couloirs de basalte dépourvus de débris, les fragments tombés dans la coulée de lave ayant été entraînés vers la mer au delà des bourrelets d'accumulation.Les couches élastiques grises et rouges sont drapées d'une manière égale au-dessus de la zone des bourrelets. Elle ressemble ainsi à des arches anticlinales en coupe. Certains lits peuvent être retracés à partir des couches élastiques sur les crêtes jusqu'à des masses agglomérées irrégulières mélangées à des éléments de basalte de la lave mère. Les couches inférieures de la séquence élastique contiennent moins d'olivine que les couches supérieures ce qui correspond à un accroissement de la proportion d'olivine pendant les 5 jours ue coulée, comme le lit de lave indique.Les fragments sont des blocs angulaires à sous-angulaires, des lapilli et de la cendre de basalte cristallin, mêlés à des matériaux apparentés de taille semblable, plus abondants et rapidement refroidis. La cendre est composée principalement de sidéromélane en particules anguleuses ou en gouttelettes rondes (5–95%), de tachylite (2–70%), de basalte cristallin (1–40%) et d'olivine phénocristale brisée (1–9%). Dans quelques échantillons, les gouttelettes de sidéromélane sont en partie oxydées à la surface et brun-foncé à l'intérieur (R. I.=1.610–1.616), peut-être par suite de déshydratation e/ou oxydation pendant l'explosion. Les échantillons comportant extérieurement du verre oxydé contiennent des cristaux d'olivine attaqués et une certaine proportion d'iddingsite. Les gouttelettes de sidéromélane intactes, sont d'un jaune-brun pâle, R. I.=1.592-1.600, et sont associées à des cristaux d'olivine non-attaquées, angulaires à sous-angulaires. L'indice de réfraction des gouttelettes intactes de sidéromélane est le même que celui de la croûte de sidéromélane du pahoehoe dans la coulée de lave plus à l'intérieur de l'île, suggérant que les gouttelettes ne sont pas hydratées ou très oxydées. Aucun des fragments de sidéromélane n'est palagonisé, sans doute parce que depuis 1868 il n'y a eu que peu ou pas d'hydratation.

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, 1868 Puu Hou . Ha , .

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Dedicated to Professor Dr. A.Rittmann on the occasion of his 75. birthday     

Lake Kivu: structure,chemistry and biology of an East African rift lake

Geophysical, geochemical and biological data are integrated to unravel the origin and evolution of an unusual rift lake. The northern basin of Lake Kivu contains about 0.5 km of sediments which overlie a basement believed to be crystalline rocks of Precambrian age. Volcanic rocks at the northern end of the lake have created large magnetic anomalies of up to 300. Heat flow varies from 0.4 to 4 hfu. The extreme variability may be due in part to sedimentation or recent changes in the temperature of the bottom water. Sharp boundaries in the vertical temperature and salinity structure of the water across the lake can best be explained as separate convecting layers. Such convecting cells are the result of the increase in both temperature and salinity with depth.Concentrations of the major dissolved gases in the deep water, CO₂ and CH₄, approach saturation but do not exceed it at any depth. The salts are supplied mainly by hydrothermal discharges at the bottom of the lake which we calculate to have a salinity of 4 which is about 60% higher than the salinity of the bottom water. The annual discharge at the present time is about 0.5 km³. Zinc anomalies in the water are explained by the accumulation of sphalerite-containing globules at certain depths.Stratigraphic correlation of sediments is possible across the entire lake, based on physical, geochemical and paleontological criteria. Sedimentation rates are of the order of 30 cm/1000 years implying a Pliocene age for the deepest part of the lake. Periods of hydrothermal activities and heightened volcanism, as recorded in the sediments, appear to have coincided with pluvial times.Enrichment of the surface waters of Lake Kivu by nutrients has led to explosive speciation in the diatom genusNitzschia. Several new types of methane oxidizing and-producing bacteria were isolated. Bacterial degradation of recent plankton appears insufficient to explain the amount of methane in the lake, and some of it is derived diagenetically.

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Zusammenfassung Geophysikalische, geochemische und biologische Daten werden vorgelegt und miteinander in Beziehung gebracht, um einen besseren Einblick in Entstehung und Evolution eines ungewöhnlichen Sees zu gewinnen. Das nördliche Becken des Kivu-Sees enthält Sedimente von etwa 0,5 km Mächtigkeit, die dem präkambrischen kristallinen Grundgebirge überlagert sind. Die im Norden des Sees vorliegenden vulkanischen Gesteine erklären die hohen magnetischen Anomalien, die bis zu 300 betragen. Der Wärmefluß schwankt zwischen 0,4 und 4 cal/cm²/sec. Diese Schwankungsbreite erklärt sich zum Teil aus den Sedimentationsverhältnissen oder den lokalen Temperaturveränderungen im Tiefenwasser. Scharfe Grenzflächen in der vertikalen Temperatur- und Salinitätsstruktur des Wassers über den Gesamtsee sind das Ergebnis von Konvektion, die zu übereinanderliegenden Konvektionszellen führt, in denen jeweils Temperatur und Salinität konstant sind. Die Bildung, Anzahl und Stabilität solcher Zellen hängt von dem Verhältnis der durch Temperatur und Salzgehalt hervorgerufenen Dichteveränderungen ab.Die Konzentrationen der im Tiefenwasser gelösten Gase, d. h. von Kohlendioxyd und Methan, liegen für alle Tiefen unterhalb der Löslichkeit. Die vorliegenden Salze entstammen weitgehend hydrothermalen Lösungen, die dem Seeboden entweichen und deren Salinität etwa 4 beträgt; der Vergleichswert für das Tiefenwasser beträgt 2,5 Diese hydrothermalen Ausschüttungen haben eine Größe von etwa 0,5 km³ pro Jahr, was etwa ein Tausendstel des Gesamtseevolumens ausmacht. Zinkanomalien im Wasser sind ebenfalls hydrothermal bedingt.Physikalische, geochemische und paläontologische Indikatoren erlauben eine stratigraphische Korrelation aller Sedimentkerne. Die Sedimentationsraten liegen bei 30 cm/ 1000 Jahren, und ein pliozänes Alter errechnet sich daraus für das tiefe nördliche Becken. Perioden hydrothermaler Aktivitäten und verstärkter vulkanischer Tätigkeit, die sich in den Sedimenten nachweisen lassen, scheinen mit Pluvialzeiten zu koinzidieren.Die Anreicherung der Oberflächenwässer vom Kivusee durch Mineralstoffe führte zu einer explosionsartigen Spezisierung in der GattungNitzschia. Verschiedene neue Arten von Methan-oxidierenden und -produzierenden Bakterien wurden isoliert. Das Auftreten von Methan ist zum Teil bakteriell und zum Teil diagenetisch bedingt.

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Résumé Des données géophysiques, géochimiques et biologiques sont présentées et collationnées pour donner une vue meilleure sur l'origine et l'évolution d'un lac particulier de la «Rift valley». La baie septentrionale du lac Kivu contient environ 500 mètres de sédiments qui recouvrent le socle cristallin d'âge précambrien. Des épanchements volcaniques au Nord du lac expliquent les fortes anomalies magnétiques qui atteignent 300. Les valeurs du flux thermique varient entre 0.4 et 4 cal/cm²/sec. Cette importante variation s'explique en partie par la sédimentation ou par des changements locaux de la température de l'eau de fond. Des surfaces-limites brusques dans la structure verticale de la répartition de la température et de la salinité de l'eau dans l'étendue du lac sont dûs à la convection; celle-ci conduit à la superposition de cellules de convection dans lesquelles la température et la salinité sont constantes. La formation, le nombre et la stabilité de telles cellules dépendent du rapport des variations de densité dues à la température et à la teneur en sels.Les concentrations des gaz dissouts dans l'eau profonde, en l'occurrence CO₂ et CH₄, sont, à toute profondeur, inférieures à la saturation. Les sels minéraux proviennent surtout de solutions hydrothermales qui émanent du fond du lac, et dont la salinité est voisine de 4; la valeur comparative pour l'eau profonde est de 2,5. L'apport annuel de ces sources est de l'ordre de 0,5 km³, soit 1/1000 du volume total du lac. Les teneurs anormales en Zn sont dues également à ce caractère hydrothermal.Des données physiques, géochemiques et paléontologiques permettent la corrélation stratigraphique des sédiments. Les vitesses de sédimentation sont de l'ordre de 30 cm/1000 ans, donnant ainsi un âge pliocène pour la partie profonde de la baie septentrionale. Les périodes d'activité hydrothermale et de renforcement de la vulcanicité qui se manifestent dans les sédiments, semblent coïncider avec les périodes pluviales.L'enrichissement des eaux de surface du lac Kivu en substances minérales a entraîné un développement explosif des diatomées, en particulier du genreNitzchia. Différentes espèces nouvelles de bactéries oxydant et produisant CH₄ ont été isolées. La présence de méthane est due en partie à la destruction du plancton par les bactéries et en partie à une transformation diagénétique.

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, , . Kivu 0,5 , . , 300 . 0,4 4 (²) . , . . , , , . , . . _{2 4} . , 4%. 2,5%. 0,5 ³, , 1/1000 . ., . 30 /1000 , . . . , , , . Kivu Nitzschia. , . , — .