научная статья по теме МЕССБАУЭРОВСКИЙ АНАЛИЗ ОКСИГИДРОКСИДОВ ЖЕЛЕЗА В ПОЧВАХ ЗЕМЛИ И ГРУНТАХ МАРСА Геология

Текст научной статьи на тему «МЕССБАУЭРОВСКИЙ АНАЛИЗ ОКСИГИДРОКСИДОВ ЖЕЛЕЗА В ПОЧВАХ ЗЕМЛИ И ГРУНТАХ МАРСА»

ЛИТОЛОГИЯ И ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ, 2015, № 4, с. 305-336

УДК 539.17:539.126:631.48

МЕССБАУЭРОВСКИЙ АНАЛИЗ ОКСИГИДРОКСИДОВ ЖЕЛЕЗА В ПОЧВАХ ЗЕМЛИ И ГРУНТАХ МАРСА © 2015 г. А. А. Залуцкий, А. А. Залуцкая*, Н. А. Седьмов, Р. Н. Кузьмин**

Ярославский государственный технический университет 150023Ярославль, Московский пр., 88; E-mail: zalutskii@mail.ru *Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова 150000Ярославль, ул. Советская, 14 **Физический факультет Московского государственного университета

им. М.В. Ломоносова 119899 Москва, Воробьевы горы, МГУ Поступила в редакцию 05.12.2011 г.

Показана необходимость сравнительного анализа результатов, полученных в ходе мессбауэровских исследований различных почв Земли и грунтов Марса. Разработанные подходы существенно расширяют методические возможности мессбауэровской спектроскопии для эффективного изучения процессов, происходящих в многокомпонентных природных объектах. Впервые на основе мессбауэровских данных предложены количественные критерии для характеристики процессов формирования оксигидроксидов в почвах Земли и грунтах Марса, а также параметр оценки разделения магнитных сферул на космические, техногенные и эндогенные. Установлена удовлетворительная корреляция изменения параметров мессбауэровских спектров с генезисом и трансформацией магнитоупорядоченных минералов в природных системах Земли и Марса.

DOI: 10.7868/S0024497X15040060

В последние годы стало понятно, что необычные свойства наночастиц свойственны не только искусственно синтезированным материалам, но и природным объектам. При этом, как оказалось, наибольшую информативную ценность представляют микронные и наноразмерные частицы фаз-аналогов в изучаемых системах. В настоящее время одним из эффективных методов исследования природных систем является мессбауэровская спектроскопия (МС). Выбор метода МС обусловлен как спецификой объектов исследования (многокомпонентностью и ультрамалыми размерами частиц 1—100 нм), так и ограниченностью возможностей применения на настоящий момент других физических методов для прямого сравнительного анализа почв Земли и грунтов Марса.

До недавнего времени МС почв и сопутствующих им систем занимала весьма скромное место в ряду традиционно применяемых в почвоведении методов исследования (рентгеновская дифракто-метрия (РД), аналитическая химия (АХ)). Почвоведы-аналитики не обращали особого внимания на возможности метода МС как мощного инструмента изучения природного объекта в независимости от его агрегатного состояния (жидкий и/или твердый раствор и/или твердое тело).

Свидетельством возросшего интереса к возможностям МС явилось непосредственное исследование поверхности Марса, в частности, изучение минерального состава марсианского грунта с использованием специально разработанных для этих целей мессбауэровских спектрометров [Клингелхофер и др., 2003]. Два американских марсохода MER (Mars Exploration Rovers) "Spirit" ("Дух") и "Opportunity" ("Возможность") совершили удачную посадку на Марс в 2004 г. и передали на Землю ценную научную информацию. Марсохо-ды содержали в своем составе Миниатюризирован-ный Мессбауэровский Спектрометр (MIMOS II), работающий в режиме геометрии обратного рассеяния в реальных для Марса погодных условиях, который был создан в университете г. Майнца (Германия) при непосредственном участии российских специалистов из Института космических исследований РАН [Родионов, 2006].

Основная цель проведенных в течение последних десяти лет исследований с помощью МС грунтов Марса — понять эволюцию планеты, а также получить ответ на вопрос о существовании на Марсе воды. Объектами изучения был широкий спектр минералов железа. Полученные результаты позволили еще раз подтвердить гипотезу о сходстве минерального состава планет Земной группы, а некоторые имеющиеся различия свя-

зать с особенностями образования и трансформации минералов на этих планетах. Корректный учет этих фактов позволит в дальнейшем выбрать правильную стратегию при проверке широкого спектра гипотез происхождения планет Солнечной системы, носящих в настоящее время, в основном, дискуссионный характер.

Анализ мессбауэровских данных по грунтам Марса [Klingelhofer et al., 2006; Schröder et al., 2008] показал, что существует целый ряд проблем, которые требуют отдельного обсуждения и последующего решения. Сравнительный анализ мессбауэровских данных по грунтам Марса и почвам Земли [Залуцкий и др., 2010, 2011] носил предварительный и в основном качественный характер. Поэтому нами была предпринята попытка на базе метода МС установить количественные показатели для определения генезиса и характеристики процессов трансформации магнитоупо-рядоченных форм железа в указанных выше системах. Такой подход перспективен не только для одного экспериментального метода исследования, но и для сравнительного анализа с другими физическими методами изучения многокомпонентных природных объектов.

В рамках поставленной выше задачи можно выделить несколько дискуссионных вопросов. Первый связан с исследованием системы "гематит-ге-тит" земного и неземного происхождения. На настоящее время обсуждаются два механизма образования оксидов и гидроксидов железа в природных системах: первый — формирование гетита и гематита в "почвенном растворе" [Водяницкий, 2008] и второй — формирование гематита в твердой фазе, а гетита только в растворе [Багин и др., 1988; Мессбауэровская спектроскопия..., 1998]. Таким образом, наличие гетита в исследуемых системах может прямо свидетельствовать о присутствии там воды, тогда как двойственный механизм образования гематита требует более детального анализа, включая использование метода МС.

Вторая проблема касается происхождения магнетита, который ответственен за повышенные магнитные свойства некоторых почв и пород Земли [Бабанин и др., 1995]. Этот минерал также обнаружен в различных грунтах Марса [Родионов, 2006]. Анализ литературных данных показал, что мессбауэровский сравнительный анализ объектов земного и неземного происхождения производился в основном в два этапа. На первом — без наличия непосредственных экспериментальных мессбаэровских данных с Марса накапливалась "земная" информация, подтвержденная другими методами [Бабанин и др., 1995; Knudsen etal., 1991; Wade et al., 1999]. На втором этапе имелись уже надежные экспериментальные результаты по МС для пород и грунтов Марса (см., например, [Родионов, 2006] и ссылки в ней), но сравнитель-

ный анализ с земными объектами проводился в основном по базальтам на основе оливина [Шуп-arowska et а1., 2008]. В настоящей работе нами ре-ализовывался другой подход: сравнивались данные только для верхних горизонтов почв Земли (достаточно широкой географии), что связано с решением поставленных задач по идентификации магнитных сферул из почв (рис. 1), а также с технической особенностью мессбауэровского эксперимента на Марсе (геометрия рассеяния) [Родионов, 2006]. Следует отметить, что в настоящее время нет четких количественных критериев для определения генезиса этих сферул. По способу образования их можно подразделить на техногенные (продукты сжигания углей, газо-электро-сварка, плавление стали) [Аншиц и др., 2010], космические (космическая пыль, обломки метеоритов, продукты абляции метеоритного вещества) [Грачев и др., 2008] и эндогенные (магматические и гидротермальные) [Гребенников, 2011]. Разработанная нами методика применения МС для изучения природных систем позволяет не только перейти с микроуровня на наноуровень, не исключая при этом микронный диапазон измерений, но также и ответить на вопросы, возникшие при изучении сферул на микроуровне. Так, например, по мнению ряда авторов к "образованиям неясного генезиса можно отнести сфе-рулы, обнаруженные в глубоководных морских осадках и льдах Гренландии и Антарктики, островах Тихого океана [Гребенников, 2011, с. 57]. Использование в настоящей работе с помощью МС количественных критериев при определении генезиса сферул позволяет нам высказать свою точку зрения на их происхождение. По нашему мнению нельзя согласиться с явно дифференцированным и основанным только на морфологии микронного уровня подходом к классификации объектов (только космическое [Грачев и др., 2008] или только эндогенное [Гребенников, 2011]) без указания физических причин их образования.

Третьей проблемой является методический аспект при получении необходимой информации на основе экспериментальных данных. Мессбауэ-ровские спектры природных систем традиционно состоят из большого числа перекрывающихся линий, поэтому математический анализ результатов эксперимента представляет собой довольно непростую задачу. Характерной особенностью представленных в работе систем является наличие неэквивалентных окружений резонансных ядер и, как следствие, различные значения параметров сверхтонких взаимодействий (СТВ). Поэтому мессбауэровские спектры систем с локальной атомной неоднородностью представляют собой суперпозицию большого числа парциальных спектров и содержат, как правило, минимум априорной информации. Математическая обработка с помощью традиционного подхода (подгонка

Рис. 1. Характерная форма сферических частиц в магнитных фракциях (МФ), выделенных c помощью ММО из систем земного (а—д) и космического (е—з) происхождении.

а — чернозем (Украина, г. Николаев); б — дерновая почва (Республика Карелия, г. Кондопога); в — "городская" почва (г. Москва); г — атмосферная пыль из спортзала (г. Ярославль); д — пылевые "отходы" от сварочных работ (г. Ярославль, мастерские ЯГТУ); е — почвы из кратера Сихотэ-Алинского метеоританого дождя [Бадюгов, Райтала, 2012]; ж — полые магнетитовые шарики из снега в районе падения Челябинского метеорита [Гиндилис и др., 2013]; з — гематитовые конкреции "голубика" (Марс, Полуденная равнина) [Bell et al., 2004].

мессбауэровского спектра в рамках метода наименьших квадратов (МНК)) дает оценки параметров СТВ, близкие к значениям их дисперсий, а последующая физическая интерпретация экспериментальных данных неоднозначна и требует применения других вычислительных методов. Анализ литературных данных показал, что доми-

нирующим методом

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геология»