АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2013, том 47, № 2, с. 122-140
УДК 523.44, 523.681.5
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ГРАВИТАЦИОННАЯ ДЕФОРМАЦИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ АСТЕРОИДОВ
© 2013 г. Е. Н. Слюта
Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук, Москва
Поступила в редакцию 27.01.2012 г.
Приводится обзор минералогического и химического состава железных метеоритов и проблем, связанных с их происхождением. Подробно рассматриваются физико-механические свойства железных метеоритов и их зависимость от структуры, химического состава и температуры. Показано, что железные метеориты без каких-либо искажений характеризуют физико-механические свойства своих родительских тел (металлических астероидов). Рассматривается популяция астероидов М-ти-па и основные характеристики идентифицированных металлических астероидов. Металлические астероиды, по сравнению с железными метеоритами, имеют другую форму и не являются обломками более крупных металлических родительских тел. Оценки современных девиаторных напряжений в металлических астероидах показывают, что с момента их образования астероиды не подвергались разогреву более 600°С, и тем более не подвергались частичному или полному плавлению. Найдена эмпирическая зависимость критических размеров малых металлических тел (при которых возможна гравитационная деформация) от предела текучести при температурах ниже 300 К. Показано, что физико-механические данные также являются серьезным аргументом против гипотезы происхождения железных метеоритов и металлических астероидов из железного ядра дифференцированного родительского тела.
DOI: 10.7868/S0320930X13010088
ВВЕДЕНИЕ
До детального исследования химического состава и содержания рассеянных элементов гипотеза о том, что железные метеориты являются продуктами фракционной кристаллизации единого расплавленного ядра дифференцированного большого родительского тела (Lovering, 1957), не вызывала сомнения. Но открытие все большего разнообразия химических групп железных метеоритов, которое указывало на несовместимое в одном или даже в нескольких родительских телах соответствующее разнообразие условий их образования, заставило отнестись к этой гипотезе критически. Впервые предположение о том, что различные химические системы являются результатом эволюции не одного дифференцированного планетарного тела, а множества малых тел астероидного размера, было высказано (Fish и др., 1960). Также вскоре выяснилось, что оцененные различные скорости охлаждения железных метеоритов больше согласуются с их образованием в скоплениях металла разных размеров и массы, чем в одном массивном и однородном ядре (Scott, Wasson, 1975).
Постепенно противоречия нарастали. Поскольку железные метеориты всегда ассоциировались с популяцией металлических астероидов, которые служили их родительскими телами, счи-
талось, что металлические астероиды также являются фрагментами или ядрами разрушенных дифференцированных тел (Burbine и др., 2002). Но максимальный диаметр большинства родительских тел железных метеоритов, по-видимому, не превышал 20 км, а максимальный возможный диаметр дифференцированных родительских тел — 200 км (Mittlefehldt и др., 1998; Chabot, Haack, 2006). Образование же ядра в таком небольшом теле является событием практически невозможным, поскольку кроме металлической компоненты требует плавления и ассоциированных силикатов (Taylor, 1992), т.е. образования фракционированных магматических силикатных пород, которые обязательно должны присутствовать в виде фрагментов в семействе металлического астероида. Анализ размерного, количественного и вещественного состава семейства крупнейшего металлического астероида 16 Психея показал, что этот астероид никогда не принадлежал к гипотетическому семейству разрушенного родительского дифференцированного тела, а с большой степенью вероятности является сохранившейся первичной планетезималью (Davis и др., 1999).
В связи с этими противоречиями было высказано предположение, что родительские тела железных метеоритов являются остатками планетезима-лей, образовавшихся в зоне земных планетных тел,
и в результате последующей столкновительной эволюции и пертурбации орбит частично были рассеянны в область главного пояса, где они, по сути, являются чужаками (Bottke и др., 2006). Предполагается, что таким чужаком в главном поясе может быть и дифференцированный астероид 4 Веста, который, располагаясь всего лишь на расстоянии ~0.4 а. е. от астероида 1 Церера, т.е. практически в одной зоне аккреции, тем не менее по своему составу и плотности кардинально от него отличается. По данным изотопных хронометров долго- и короткоживущих радионуклидов родительские тела железных метеоритов, т.е. металлические астероиды, образовались на 1—2 млн. лет раньше, чем родительские тела обыкновенных хондритов (Kleine и др., 2005; Baker и др., 2005; Bizzarro и др., 2005), что также указывает на обособленное образование силикатных и металлических тел.
Физико-механические свойства метеоритов, по сравнению с их химическим и минералогическим составом, исследовались мало. Обычно такие исследования проводились с целью оценки параметров разрушения родительских тел (метео-роидов) в атмосфере Земли. Вместе с тем, механика столкновительной эволюции малых тел Солнечной системы, морфология этих тел, время их существования с момента образования и их дезинтеграция в значительной степени определяются физико-механическими свойствами этих тел (Слюта, 2009; 2010). Физико-механические свойства также оказывают определяющее влияние на процесс гравитационной деформации малых тел и, соответственно, на параметры перехода между малыми и планетными телами в зависимости от состава этих тел (Slyuta, Voropaev, 1997). По сравнению с другими малыми телами Солнечной системы, металлические астероиды характеризуются самой высокой плотностью и самой высокой прочностью (Slyuta, 2009). Вклад известных физико-механических свойств железных метеоритов в возможные ограничения предлагаемых гипотез и моделей о происхождении их родительских тел — металлических астероидов — до настоящего времени практически никем не исследовался. Этой основной задаче и посвящается данная работа.
ХИМИЧЕСКИЙ И МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЖЕЛЕЗНЫХ МЕТЕОРИТОВ
Железные метеориты состоят более чем на 95% из никелистого железа, которое представлено двумя основными структурными модификациями-минералами — камаситом и тэнитом. Камасит представляет собой структурную модификацию никелистого железа с объемно-центрированной кубической решеткой (a-Ni, Fe). Содержание Ni в камасите находится в пределах 5—7 мас. %. Модификация никелистого железа с гранецентриро-
ванной кубической решеткой (y-Ni, Fe) называется тэнитом. Тэнит отличается от камасита более высоким содержанием Ni (27—65 мас. %) (Dodd, 1981). Следует отметить, что и камасит, и тэнит также входят в состав и являются обычными минералами железокаменных и каменных метеоритов. В качестве обычных акцессорных минералов в железных метеоритах присутствуют троилит (FeS) и шрейберзит ((Fe, Ni)3P).
По структуре железные метеориты подразделяются на три основных типа — гексаэдриты, ок-таэдриты и атакситы, которые различаются также и по содержанию Ni. Гексаэдриты состоят главным образом из крупных (>50 мм) монокристаллов камасита с содержанием Ni менее 6 мас. %. Октаэдриты относятся к структурному типу железных метеоритов, которые состоят из так называемых балок камасита, ориентированных параллельно плоскостям октаэдра и отороченных каемками тэнита. Такая структура называется видманштеттеновой. В зависимости от ширины балок камасита октаэдриты подразделяются на шесть структурных подтипов — от грубоструктур-ных с широкими (>3.3 мм) балками до плессито-вых с шириной балок менее 0.2 мм. Содержание Ni в этой последовательности структурных подтипов в зависимости от содержания тэнита изменяется от 6 до 16 мас. %. К актакситам относятся железные метеориты, которые состоят преимущественно из мелких неориентированных зерен камасита в тэните и по сравнению с вышерас-смотренными структурными типами характеризуются повышенным содержанием Ni — более 16 мас. % (Dodd, 1981).
По содержаниию Ni, Ga, Ge и Ir железные метеориты подразделяются на 16 химических групп, имеющих буквенно-цифровое обозначение (IA— IVB) (Scott, Wasson, 1975). Было обнаружено, что содержание рассеянных элементов Ga, Ge и Ir характеризуется не только взаимной корреляцией, но и систематической зависимостью от валового содержания Ni и, соответственно, от структуры железного метеорита, например от толщины пластинок камасита. Выделенные химические группы железных метеоритов представляют собой не элементы непрерывного ряда, а отдельные, не связанные между собой (дискретные), химические и петрологические системы (Scott, Wasson, 1975). Было установлено, что химический состав имеет тесную "генетическую" связь со структурными типами и подтипами и отражает различную химическую и петрологическую историю и условия образования железных метеоритов. Каждая из химических групп характеризуется своей собственной скоростью охлаждения (Goldstein, Short, 1967). Существование значительного количества аномальных по химическому составу метеоритов за пределами химической классификации, как предполагается, указывает на существование и других химических
групп, число которых может достигать более 50 и которые просто недостаточно представлены на Земле (Scott, 1978).
До детального исследования химического состава и содержания рассеянных элементов предполагалось, что железные метеориты являются продуктами фракционной кристаллизации единого расплавленного ядра дифференцированного большого родительского тела (Lovering, 1957). Но наблюдаемое разнообразие химических групп железных метеоритов указывает на несовместимое в одном или даже в нескольких родительских телах соответствующее разнообразие условий их образования (Scott, Wasson, 1975). Этому противоречит и большое разнообразие микроструктурных деталей, а также различное содержание Ni, С, P и других элементов, включая редкие (Wasson, 1967; 1969a; 1969b; 1970а; 1970b; 1974; Wasson, Kimber
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.