ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2012, № 4, с. 38-43
УДК 550.382
ТЕРМОМАГНИТНОЕ СВИДЕТЕЛЬСТВО НАЛИЧИЯ ЧАСТИЦ САМОРОДНОГО ЖЕЛЕЗА В ОСАДКАХ
© 2012 г. Д. М. Печерский, З. В. Шаронова
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва Поступила в редакцию 18.01.2011 г.
В статье обобщены результаты изучения с помощью термомагнитного анализа распределения частиц металлического железа в осадках разного возраста, от миоцена до раннего мела: Гамс (Австрия), Вер-хоречье, Сельбухра (Крым), Квиринаки, Тетрицкаро (Грузия), Аймаки, Басс, Дженгутай, Маджалис, Гергебиль (Предкавказье, Россия), Ключи, Тепловка (Поволжье, Россия), Кошак (Казахстан), Халац, Кара-Кала, (Туркмения). Частицы самородного железа обнаружены в небольших количествах (от 105% до 0.05%) в 521образце из 921 изученных, т.е. распространены практически повсеместно. Это является показателем их связи с космической пылью. Установлен ряд закономерностей, отражающих неоднородность космической пыли: а) четкое разделение на две группы, на содержащую и не содержащую частицы железа, для первых обнаружено 4 интервала глобального обогащения осадков частицами железа с постоянной величиной примеси никеля 5—6%; б) по составу частиц выделяются три группы, первая содержит чистое железо, вторая — железо с небольшой примесью никеля, типичное для кама-сита и третья — частицы FeNi сплава, содержащего более 20% никеля. Первая и вторая группы распространены повсеместно, третья имеет сугубо локальное распространение, она не имеет отношения к космической пыли и связана, очевидно, с падением метеоритов.
Ключевые слова: термомагнитный анализ, точка Кюри, космическая пыль, самородное железо, же-лезоникелевый сплав, осадки.
ВВЕДЕНИЕ
Откуда возникла у нас задача — изучить распространение частиц космического самородного железа в осадках? Из модной ныне темы — отчего вымерли динозавры и не только динозавры. Значительная часть исследователей полагают, что из-за падения на Землю огромного астероида на границе мезозоя и кайнозоя. Однако по данным последних иссле-дований, главная причина существенного уничтожения жизни на Земле в мощном плюмо-вом вулканизме этого времени [Grachev et al., 2009], а громадный астероид упал на Землю раньше на 0.3 млн. лет [Keller,2008]. Но данная статья не об этом. Дело в том, что при наших исследованиях мы столкнулись с такими материалами как частицы самородного железа, никеля. Тогда и возникла идея применить для массового изучения распространения частиц самородного железа термомагнитный анализ (ТМА) [Pechersky, 2008; Pech-ersky et al.,2008; Печерский и др., 2010]. Дело в том, что исследования космической пыли ведутся давно. При этом данные о распределении космических частиц, как по поверхности Земли, так и во времени, весьма ограничены, т.к. использовались лишь «прямые» методы фиксации таких частиц. Эти методы требуют большого объема материала, и по ним получаются осредненные данные. Обширную и оперативную информацию о распределении самородного железа можно получить по данным термомагнитного анализа (ТМА) осадков.
Главные достоинства ТМА по сравнению с другими методами исследования вещества: а) получение информации о минералах, содержащихся в горной породе без их извлечения; б) очень высокая чувствительность метода (достаточно присутствия в породе менее 0.0001% железа и т.п. минералов); в) простота приготовления образцов (берется кусочек произвольной формы массой 0.1 г и меньше), г) быстрота анализа (примерно 20 минут на один анализ). ТМА проводился с помощью экспресс-весов Кюри [Буров и др., 1986].
Данная статья посвящена обобщению результатов таких исследований за последние несколько лет.
Известно, что в частицах космического железа основная примесь — это никель. Нами принята близкая к линейной зависимость точки Кюри сплава железа и никеля, и содержание никеля определяется простой формулой: Ni (%) = 0.243(770 — Tc), где 770 — точка Кюри чистого железа, Tc — точка Кюри сплава железа и никеля, присутствующего в образце [Bozorth, 1951; Печерский и др., 2010]. Однако у сплавов, содержащих примесь никеля более 20%, из-за структурных изменений точки Кюри существенно отклоняются от линейной зависимости [Bozorth, 1951; Nagata et al., 1986; 1987]. Проверим, во-первых, насколько применима оценка содержания примеси никеля по линейной зависимости Tc—Ni к метеоритам и космическим частицам, содержащим Fe—Ni сплавы, и, во-вторых, насколько широко распространены в космической пыли ча-
стицы Fe—Ni сплава с примесью никеля больше 20% по данным прямых измерений. Для ответа на первый вопрос мы воспользовались публикациями, где приводятся данные микрозондового анализа и ТМА для металлических метеоритов и металлических частиц из осадков [Grachev et al., 2009; Nagata et al., 1986; 1987] и добавили информацию из справочников о составе и точках Кюри стандартных марок Fe—Ni сплавов (инвар, пермаллой и др.). Расхождения между данными микрозондового анализа о составе и ТМА чаще сравнительно небольшие, заметные отклонения от линейной зависимости Tc—Ni встречаются, главным образом, среди искусственных сплавов с содержанием никеля между 20 и 80% (рис. 1). Ответ на второй вопрос нашелся в серии статей [Brownlee, 1987; Grachev et al., 2009; Parkin, 1964; Shima, Yabuki, 1988], из которых следует, что космические частицы, содержащие никель между 20 и 80%, очень редки (рис. 2). Для остальных вполне приемлема оценка содержания никеля по линейной зависимости Tc—Ni.
В наших экспериментах относительная точность определения вклада намагниченности данного магнитного минерала в величину намагниченности образца не выше 10%, соответственно, не выше и относительная точность определения концентрации частиц железа и сплава. Точность определения точки Кюри составляет примерно 10°, чему соответствует содержание никеля в сплаве 2—2.5%, то есть можно принять, что ошибка каждого определения не превышает 3%. Недостатки в применении линейной зависимости Tc— Ni и точности ТМА компенсируются простотой приготовления проб и их ТМА, быстротой и массовостью получения данных.
Для учета роли переотложения в накоплении частиц космического железа, помимо содержания металлического железа и его сплава с никелем, определялось содержание магнетита+титаномаг-нетита и величина парамагнитной намагниченности, которая фактически отражает общее содержание железа во всех минералах образца. Их образование и накопление, в отличие от самородного железа, имеет земное происхождение.
Последовательности отложений всех разрезов переведены на время для удобства их сопоставления, для чего привязаны к одной шкале времени — 2008 [Gradstein et al., 2008].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Обратимся к результатам определения по ТМА концентрации частиц космического самородного железа и содержания в них примеси никеля в осадках миоценового (9—17 Ма), датского (62—65Ма) и мелового (65—130 Ма) возраста из 15 разрезов осадков разного типа от чисто карбонатных до тер-ригенных песчано-глинистых Австрии (Гамс, кол-
Ni, ТМА
100
90 80 70 60 50 40 30 20 10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10
Ni, состав
Рис. 1. Сравнение содержаний никеля по данным микрозонда и линейной зависимости Tc—Ni в искусственных Fe—Ni сплавах (полые кружки) и в металлических метеоритах (залитые кружки).
лекция А.Ф. Грачева), Грузии (Квиринаки и Тет-рицкаро, коллекции В.М. Трубихина и Б.З. Аса-нидзе), Казахстана (Кошак, коллекция Д.П. Най-дина), Крыма (Верхоречье и Сельбухра, коллекция В.А. Фомина), Поволжья (Ключи и Тепловка, коллекции Э.А. Молостовского), Северного Кавказа
N 25 г
20
15
10
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Ni, %
Рис. 2. Гистограмма примеси никеля в Fe—Ni частицах из космической пыли, данные микрозонда и других анализов. N — число образцов. Повышенное количество частиц, содержащих более 80% никеля, относится фактически к одной "точке" из разреза Гамс (Австрия), то есть это локальное скопление.
5
40
ПЕЧЕРСКИЙ, ШАРОНОВА
N
400
350 300 250 200 150 100 50 0
\
\
\
\
\
X
.0 0.
3
0
.0 0.
0
3
0
3 .6 0.
0
2
3 .6 0.
5 5
2
3 .2 0.
5 5
9 .4 0.
2
.2 0.
0 .0 4.
5
9 .4 0.
2
Fe, 10-3 %
Рис. 3. Сводная гистограмма распределения содержаний частиц самородного железа (10-3%) в изученных разрезах.
(Аймаки, Басс, Гергебиль, Дженгутай и Маджалис, коллекции В.А. Фомина) и Туркмении (Кара-Кала и Халац, коллекции В.А. Фомина и В.М. Трубихи-на). Расстояния между объектами исследования достигают 1—3 тысячи км, что позволяет говорить о глобальном характере накопления космических частиц в осадках близкого возраста.
Распространение металлических частиц в осадках. Частицы самородного железа обнаружены в
Коэффициенты линейной корреляции между содержаниями частиц самородного железа и магнетита + титаномагнетита (разрезы — с запада на восток)
Гам с 0.048
Сельбухра -0.034
Верхоречье -0.319
Квиринаки -0.041
Тетрицкаро 0.068
Ключи + Тепловка -0.198
Аймаки 0.147
Дженгутай 0.093
Маджалис -0.094
Басс -0.077
Гергебиль -0.083
Кара-кала 0.187
Халац -0.212
Кошак -0.206
521 образце из 901 изученного, их содержание широко варьирует от 10-5% до 0.05%. При этом видно, что концентрация частиц железа образует две группы (рис. 3). Первую группу можно назвать "нулевой" — это осадки, в которых железо практически отсутствует. Во второй группе сосредоточены осадки, содержащие самородное железо от 0.03 х 10-3% до 0.05%, в сумме их распределение близко логнормальному с модой ~0.07 х 10-3% (рис. 3, штриховая линия). Такое бимодальное распределение частиц на две группы носит закономерный глобальный характер, оно наблюдается во всех изученных объектах. Бимодальное распределение мы объясняем следующим образом. Облако космической пыли и падающие из него на Землю частицы — это как туча, из которой капают капли дождя. Число частиц в космической пыли конечное, по существующим данным их более 60 тысяч в одном кубическом метре, а металлических частиц заметно меньше. Это значит, что из десяти кубических сантиметров только в один попадет частичка космической пыли, которая падает на сплошной слой осадка. Соответственно, во многих исследованных нами образцах просто отсутствуют части
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.