ПЕТРОЛОГИЯ, 2015, том 23, № 2, с. 186-194
УДК 550.42
ПРОИСХОЖДЕНИЕ САМОРОДНОГО КРЕМНИЯ И СИЛИЦИДОВ ЖЕЛЕЗА В ЛУННОМ МЕТЕОРИТЕ DHOFAR 280
© 2015 г. М. А. Назаров, С. И. Шорников, С. И. Демидова
Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН ул. Косыгина,19, Москва, 119991, Россия; e-mail: nazarov@geokhi.ru Поступила в редакцию 12.08.2014 г.
Проведено дополнительное исследование самородного кремния и силицидов железа в лунном анортозитовом метеорите Dhofar 280, представляющим собой брекчию с ударно-расплавной матрицей. Такие породы пользуются широким распространением в материковой коре Луны. Установлено, что скрытокристаллические объекты, содержащие самородный кремний, близки по составу к монооксиду кремния SiO. Экспериментальные данные показывают, что это соединение является основным компонентом пара, образующегося при испарении расплава анортита. Предполагается, что образование самородного кремния может быть результатом конденсации SiO из облака пара ударного происхождения. Восстановительные условия определяются масс-фракционированием монооксида кремния и кислорода в расширяющемся облаке этого пара в гравитационном поле Луны. Газообразный SiO может непосредственно конденсироваться в твердую фазу или смесь элементарного кремния с кремнеземом. При этом конденсированная фаза SiO при попадании в ударный расплав должна разлагаться на кремний и кремнезем. Реакция твердых конденсатов Si, SiO и SiO2 с ударным расплавом должна приводить к обогащению кремнеземом окружающей их жидкости, что и действительно наблюдается. Образование силицидов железа возможно при реакции элементарного кремния с FeO, присутствующем в ударном расплаве. Другим источником железа может быть метеоритный материал, который идентифицируется в силицидах по увеличенным концентрациям Ni. Полученные минералогические и экспериментальные данные показывают, что металлический кремний можно получать в лунных условиях дистилляцией расплавов анортозитовых пород в целях производства солнечных батарей для обеспечения энергией лунных поселений.
DOI: 10.7868/S0869590315020077
ВВЕДЕНИЕ
Самородный кремний и силициды железа являются исключительно редкими минеральными фазами в лунном веществе. Их находки исчерпываются, по сути дела, двумя случаями. Впервые силициды железа были обнаружены в лунном метеорите ЭИоГаг 280 (Апапё й а1., 2004). Позднее в двух небольших фрагментах из образца реголита 61501.22, "Аполлон 16" (8ркш2а й а1., 2011), идентифицировали не только силициды железа, но и единичные зерна самородного кремния. Наконец, повторное исследование метеорита ВИоГаг 280 привело к открытию характеристической ассоциации самородного кремния и силицидов железа (Ма2агоу й а1., 2012; Назаров и др., 2012). Генезис этих фаз связывался с (1) ударным плавлением и восстановлением в ударном расплаве (8рки22а й а1., 2011); (2) конденсацией силикатной составляющей пара, образовавшегося при крупном ударном событии (Назаров и др., 2012); (3) космическим выветриванием, что включает плавление и испарение на поверхности частиц лунного грунта под действием микрометеоритной бомбардировки с последующей конденсацией силицидов железа (Апапё й а1., 2004). Все предлагаемые модели опираются на процессы пе-
реработки лунного вещества в ходе метеоритной бомбардировки и допускают восстановление кремния в ударном расплаве или ударно-образованном паре. В настоящей работе эти модели рассматриваются в свете новых данных, полученных при изучении шлифов метеорита ВИоГаг 280 и экспериментов по испарению расплава анортито-вого состава. Предварительные результаты данного исследования опубликованы в работе (Ма2агоу й а1., 2014).
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Поиск и диагностика самородного кремния и силицидов железа проведены в трех полированных шлифах метеорита ЭИоГаг 280, полученных из Метеоритной коллекции РАН. Эти шлифы были тщательно изучены методами оптической микроскопии в отраженном свете. Анализ минеральных фаз выполнялся на микроанализаторах 8Х 100 в Институте исследования литосферы Венского университета и в Институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН. Поскольку метеорит ВИоГаг 280 имеет анортози-товый состав и, как предполагалось ранее (Назаров и др., 2012), образование самородного кремния может быть связано с процессами испарения
Рис. 1. Самородный кремний и силициды железа в метеорите ВИсГаг 280.
(а) — скрытокристаллический 81°-объект. (б) — скрытокристаллический 81°-объект неправильной формы, содержащий капли силицидов Бе. Микронные капельки самородного кремния находятся на некотором удалении. (в) — капли самородного кремния различного размера на периферии шлироподобного выделения. Опалесцирующая матрица обогащена 8Ю2. (г) — крупные капли силицидов Бе. Рядом присутствуют многочисленные мельчайшие выделения самородного кремния. Наибольшее зерно кремния имеет неправильную форму и находится в срастании с силицидом (фаза Х), который предположительно имеет состав Без817. Все фотографии сделаны в отраженном свете оптического микроскопа, причем изображения (в) и (г) с использованием масляной иммерсии.
и конденсации, мы определили масс-спектромет-рическим эффузионным методом Кнудсена парциальные давления компонентов газовой фазы над расплавом синтетического анортита в молибденовой ячейке в интервале температур 1833— 2033 К в вакууме (при остаточном давлении около 10-10 атм). Детальное описание установки и особенности эксперимента описаны в работе (Шорников и др., 2000).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Самородный кремний и силициды железа
Метеорит ЭИсГаг 280 представляет собой брекчию с ударно-расплавной матрицей и имеет фер-
роанортозитовый состав (Назаров и др., 2012). Такие породы обычны в лунной материковой коре (например, Демидова и др., 2007). Редкие объекты (ниже в тексте 810-объекты), содержащие элементарный кремний, находятся в матрице метеорита и образуют небольшие (<30 мкм) скрыто-кристаллические включения (рис. 1а), а также крупные неправильные или шлироподобные выделения (рис. 1б). Длина самого большого шлира составляет около 0.7 мм при ширине 0.1 мм.
Скрытокристаллические 810-объекты состоят в основном из мельчайших (субмикронных) зерен свободного кремния и редких включений силицидов железа, сцементированных стеклом (Назаров и др., 2012). По валовому составу они обога-
Таблица 1. Химический состав 810-объектов и силицидов железа в метеорите БЬоГаг 280 (мас. %)
Эле- 810-объекты Силициды Бе*
менты среднее пределы число анализов Ре2.8381 Ре2.0081# Бе4.86813 ре1.0081 ^0.9781 Бе0.9381 Ре0.8781# Бе2.99817
81 57.6 50.9-68.4 24 14.8 18.8 23.0 33.1 33.3 33.7 35.9 53.7
Т1 0.02 <0.24 24 н.п.о. н.п.о. 0.35 0.02 0.09 н.п.о. 1.40 н.п.о.
А1 0.96 0.03-5.39 23 н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. н.о.
Сг 0.04 <0.14 24 н.п.о. 0.26 9.30 0.15 0.54 0.05 2.60 1.94
Бе 4.85 0.54-11.3 24 81.0 66.9 65.3 62.0 61.9 59.1 57.65 43.7
Мп 0.17 <0.40 24 н.п.о. н.п.о. 0.16 н.п.о. 0.32 0.03 0.82 0.47
МБ 0.15 <0.70 16 н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. н.о.
Са 0.26 0.05-2.13 16 н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. н.о.
№ 0.03 <0.09 16 н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. н.о.
К 0.02 <0.12 16 н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. н.о.
N1 0.53 <1.76 24 2.92 12.2 0.16 4.14 3.47 5.80 0.82 0.02
Со н.о. н.о. н.о. 0.14 0.18 н.п.о. 0.22 0.05 0.22 н.п.о. н.п.о.
Си н.о. н.о. н.о. н.о. 0.16 н.о. н.п.о. н.о. н.о. н.п.о. н.о.
Р 0.24 0.11-0.45 8 0.07 1.04 0.58 0.26 0.92 1.27 0.67 0.81
8 0.16 <0.51 13 н.п.о. н.п.о. н.п.о. н.п.о. н.п.о. н.п.о. н.п.о. н.п.о.
Сумма 65.0 60-73 98.9 99.6 98.8 99.9 100.6 100.2 100.0 100.6
Примечание. * Формульные коэффициенты вместе с Бе учитывают все другие катионы, а вместе с 81 — фосфор. # Анализы из работы (Назаров и др., 2012). н.п.о. — содержание ниже предела обнаружения; н.о. — не определялось.
щены 81 (до 68 мас. %) (табл. 1). Такие высокие содержания кремния указывают на дефицит кислорода во всех проанализированных 810-объ-ектах (Назаров и др., 2012; №2агоу е! а1., 2012) относительно его количества в 81О2 (53.3 мас. %). Небольшие концентрации А1, Са, мб, Бе, N1 в 810-объектах (табл. 1) предполагают, что в них присутствуют примесь минеральных составляющих, которые должны содержать как кремний, так и кислород и количество которых можно выразить в нормативных содержаниях анортита, эн-статита и Бе81 (наиболее распространенный силицид). Поэтому для того чтобы оценить содержания кремния и кислорода, которые не входят в состав этих компонент, сделано следующее: (1) измеренная концентрация кремния уменьшена на его количество в нормативных анортите, энстатите и Бе81; (2) концентрация кислорода найдена по разнице между измеренной и 100% суммой анализа за вычетом содержания кислорода в нормативных анортите и энстатите. Атомное отношение 81/(Б1 + О), полученное после этой не очень существенной коррекции, в 810-объектах показано на рис. 2а и в среднем равно 0.48, т.е. очень близко к таковому в 81О. Однако следует отметить, что наблюдаемое распределение 81/(81 + О) в 810-объектах является асимметричным с модальным значением ~0.42.
В крупных 810-объектах присутствуют скопления хорошо различимых в оптическом микроско-
пе каплевидных образований самородного кремния и силицидов железа, находящихся в стекловатой матрице (рис. 1в, 1г). Капли самородного кремния имеют размеры менее 10 мкм (рис. 1б, 1в) и иногда содержат включения силицидов железа. В них определенно присутствует примесь фосфора (0.8—1.2 мас. %). Содержания других элементов в самородном кремнии очень изменчивы, например 0.3—4.2 Бе, 0.4—1.5 А1 (мас. %), и могут быть связаны с мельчайшими включениями силицидов железа или контаминацией материала матрицы.
Все каплевидные включения силицидов имеют размер менее 20 мкм (рис. 1) и, за исключением редких сростков Бе81 и Бе281 (рис. 1г), являются мономинеральными. Среди силицидов железа наиболее распространен Бе81 (рис. 2б). Не все составы Бе81 имеют хорошую стехиометрию: атомное отношение (81 + Р) к сумме атомных количеств всех элементов меняется от 0.9 до 1.1 (рис. 2б, табл. 1). Близким к Бе81, является силицид (Ре,Сг,Т1,№,Мп)0.87(81,Р
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.