Modeling of batch melting on the ureilite parent body

9.3.3 Modeling of batch melting on the ureilite parent body 

Description of the batch melting process 

In contrast to fractional melting, batch melting requires simultaneous monitoring of sulfur  and carbon in the system. Unfortunately, little information is available on the behavior of  carbon and sulfur‐rich systems at temperatures below 1100°C (RAGHAVAN 1988, WANG et al. 

1991, OHTANI and NISHIZAWA 1987). The available data agree on the presence of a carbon‐rich  and a sulfur‐rich immiscible liquid at temperatures above ~1100°C. GOODRICH and BERKLEY  (1986) have adapted a ternary Fe‐FeS‐Fe3C‐diagram from VOGEL and RITZAU (1931) that is also  used in this study. 

It is assumed that melting commences near the eutectic temperature of the Fe‐S‐System at  about ~950°C (GOODRICH and BERKLEY 1986, RANKENBURG et al. 2008, VAN ORMAN et al. 2009). 

The first melt formed is a eutectic sulfur‐rich melt with ~31 wt% S. Melt generation  continues until sulfur is exhausted in the residual metal. At that point, the solidus  temperature of the system increases, as the amount of S in the melt decreases. 

At ~1100°C, the formation of a C‐rich melt starts. The composition of the C‐ and the S‐rich  melt has been taken directly from the ternary Fe‐FeS‐Fe3C‐diagram in G^OODRICH and B^ERKLEY  (1986). The S‐rich melt contains ~28 wt% S and ~0.3 wt% C, while the C‐rich melt contains 

~1 wt% S and ~4 wt% C. As most of the S of the system is contained in the S‐rich melt, the C‐

rich melt is formed partly at the expense of the Sr‐rich melt. The formation of the C‐rich  eutectic melt will continue until C is depleted in the residual metal. 

At that point, the solidus temperature increases again, while S‐ and C‐concentrations in the  respective liquids decrease. The solidus temperature will increase until the whole system is  molten, or the estimated peak temperature of ~1300°C for the ureilite parent body is  reached. As ureilites have lost >95 wt% of their initial metal component, it is assumed that  the melt is removed when 95% of the primary metal component is molten.

Starting compositions rich in carbon and sulfur 

In a C‐ and S‐rich parent body (Fig. 81, Fig. 82), similar to a CI1‐chondrite, partitioning 

behavior is dominated by S as has been proposed by a number of authors (e.g. WARREN et al. 

2006, RANKENBURG et al. 2008). In case of a reduced parent body (Fig. 81), only small amounts  of C‐rich melts are formed (~15 wt%) until Fe is exhausted, leaving a carbon residue. An  oxidized parent body (Fig. 82) might not produce a C‐rich melt at all, as the system contains  sufficient S to completely melt all of the metal at temperatures lower than 1100°C. 

In both modeled systems the inferred Ni and Co concentrations of the residual metal are far  greater than those observed in our ureilite vein metal. The calculated Ni/Co‐ratios argue  against S‐rich melt as origin for the vein metal. The C‐rich liquid is, although not a perfect fit,  similar to the vein metal with respect to Ni‐ and Co‐concentrations as well as Ni/Co‐ratio. 

Fig. 81 Concentrations of Ni and Co, solidus temperatures and Ni/Co‐ratio during batch melting of the metal fraction (Fe‐

Ni‐S‐C‐Co) of a reduced parent body (e.g. ALH84136) with a carbon‐ and sulfur‐rich CI1 chondritic composition. The  concentrations of Ni and Co have been normalized to pure Fe‐Ni‐Co‐metal. 

Fig. 82 Concentrations of Ni and Co, solidus temperatures and Ni/Co‐ratio during batch melting of the metal fraction (Fe‐

Ni‐S‐C‐Co) of an oxidized parent body (e.g. GRA95205) with a carbon‐ and sulfur‐rich CI1 chondritic composition. The  concentrations of Ni and Co have been normalized to pure Fe‐Ni‐Co‐metal. 

Starting compositions with moderate sulfur­ and carbon­contents 

Models based on a CV3‐chondritic parent body with intermediate sulfur and carbon‐

concentrations produce different results based on the degree of oxidation assumed. On a  reduced parent body (Fig. 83), a Fe‐S eutectic melt is formed until S is exhausted in the  residual metal at ~25% melting. The solidus temperature of the system increases, while S  becomes depleted in the melt, until it reaches ~1100°C. At this temperature the eutectic C‐

rich melt is formed. Formation of the Fe‐C‐eutectic melt persists until C is depleted in the  residue at ~88% melting. At that point, the solidus temperature of the system increases  again, until the whole system is molten at ~1270°C. 

In contrast, a more oxidized parent body contains higher relative amounts C and S in the  metal portion. After the formation of the Fe‐S‐eutectic melt, Fe‐C eutectic melt is generated  and Fe is exhausted at ~99% of melting, generating a carbon rich residue. 

This starting composition does not produce a metal residue or a metal liquid that constitutes  a suitable candidate for the ureilite vein metal. 

Fig. 83 Concentrations of Ni and Co, solidus temperatures and Ni/Co‐ratio during batch melting of the metal fraction (Fe‐

Ni‐S‐C‐Co) of a reduced parent body (e.g. ALH84136) with intermediate carbon‐ and sulfur‐concentrations similar to a  CV3‐chondritic composition. The concentrations of Ni and Co have been normalized to pure Fe‐Ni‐Co‐metal. 

Fig. 84 Concentrations of Ni and Co, solidus temperatures and Ni/Co‐ratio during batch melting of the metal fraction (Fe‐ 

Ni‐S‐C‐Co) of an oxidized parent body (e.g. GRA95205) with intermediate carbon‐ and sulfur‐concentrations similar to a  CV3‐chondritic composition. The concentrations of Ni and Co have been normalized to a pure Fe‐Ni‐Co‐metal. 

Starting compositions with low sulfur­ and carbon­contents 

Batch melting on a parent body of H‐chondritic composition will produce similar results,  regardless of the degree of oxidation (Fig. 85, Fig. 86). At ~980°C, the Fe‐S‐eutectic melt  forms, followed by the Fe‐C‐eutectic melt at ~1100°C. Both liquids will become progressively  depleted in carbon and sulfur as the solidus temperature rises, until the whole metal is  molten. The calculated solidus temperatures of the more reduced system are slightly above  the estimated maximum temperature of the ureilite parent body. Neither the melts nor the  metal residues resemble the ureilite vein metal. 

Fig. 85 Concentrations of Ni and Co, solidus temperatures and Ni/Co‐ratio during batch melting of the metal fraction (Fe‐

Ni‐S‐C‐Co) of a reduced parent body (e.g. ALH84136) with low carbon‐ and sulfur‐concentrations similar to a H‐chondritic  composition. The concentrations of Ni and Co have been normalized to pure Fe‐Ni‐Co‐metal. 

Fig. 86 Concentrations of Ni and Co, solidus temperatures and Ni/Co‐ratio during batch melting of the metal fraction (Fe‐

Ni‐S‐C‐Co) of an oxidized parent body (e.g. GRA95205) with low carbon‐ and sulfur‐concentrations similar to a H‐

chondritic composition. The concentrations of Ni and Co have been normalized to pure Fe‐Ni‐Co‐metal. 

Is the vein metal the result of a batch melting process on the UPB? 

Residual metal: Similar to fractional melting, batch melting will not produce residual metal  that resembles the ureilite vein metal. In all calculated scenarios, Ni concentrations of  residual metal were higher (factor ~1.5‐3+) than observed in ureilite vein metal. Similarly,  Co‐concentrations are too high for most scenarios, except scenarios with low to moderate  sulfur‐ and carbon‐concentrations and a reduced parent body (Fig. 83, Fig. 85). Ni/Co ratios  of the residual metal are generally higher than observed ratios, except for very carbon‐ and  sulfur‐rich parent body compositions (Fig. 81, Fig. 82). In order to represent a suitable model  for the origin of ureilite vein metal, all three conditions (Ni and Co‐concentrations and Ni/Co‐

ratio) must be met. 

Residual carbon: Both oxidized and reduced parent bodies produce large carbon residues of  10‐20 wt% of the initial model core metal, for sulfur‐ and carbon‐rich starting compositions. 

An oxidized parent body with moderate concentrations of carbon and sulfur would produce  a small carbon residue of 1‐3 wt%, which is consistent with carbon concentrations observed  in bulk ureilites. 

Sulfur‐rich metal melt: Generated sulfur‐rich melts are generally too high in Ni and too low in  Co to be suitable candidates for ureilite vein metal. The calculated Ni/Co‐ratio is generally a  factor of 2 – 4 higher than in vein metal. 

Carbon‐rich metal melt: Calculated carbon‐rich melts are generally too high in Ni as well as  Co and Ni/Co‐ratio. An exception is a reduced parent body with high sulfur‐ and carbon‐

concentrations. The composition of calculated carbon‐rich melts in such a UPB are close to  the composition of vein metal (Fig. 81). Although not a perfect fit, fine tuning of sulfur and  carbon‐concentrations in the starting composition can produce a carbon‐rich melt that fits  the ureilite vein metal. Decreasing the assumed sulfur‐concentrations by ~4 wt% would, for  example, result in a perfect fit for the Ni‐ and Co‐concentrations and Ni/Co‐ratios. Such a  melt contains ~4 wt% of carbon which is consistent with ureilite vein metal. 

Again, carbon‐rich melts that resemble ureilite vein metal are only produced on reduced  parent bodies. They therefore do not represent an explanation for the origin of vein metal in  the majority of ureilites with fa>18.