ПЕТРОЛОГИЯ, 2012, том 20, № 4, с. 383-391
УДК 539.172.3:523.681
УДАРНО-ИНИЦИИРОВАННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТЕОРИТНОГО
ЖЕЛЕЗА С СИЛИКАТАМИ
© 2012 г. Д. Д. Бадюков*, В. С. Русаков**, Ю. Г. Купин**
*Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН ул. Косыгина, 19, Москва, 119991, Россия; e-mail: badyukov@geokhi.ru **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Физический факультет Воробьевы Горы, Москва, 119899, Россия; e-mail: rusakov@phys.msu.ru Поступила в редакцию 25.12.2011 г.
Получена после доработки 21.01.2012 г.
Для выяснения возможности ударно-инициированного взаимодействия метеоритного железа с силикатами нами были проведены опыты по взрывному нагружению смесей камасита железного Си-хотэ-Алинского метеорита с кварцем, альбитом, олигоклазом, энстатитом, оливином и серпентином. Сохраненные образцы изучались методами оптической микроскопии, локального рентгено-спектрального анализа и мессбауэровской спектроскопии. Показано, что в результате ударного на-гружения металл обогащается кремнием, а в кварцевом, альбитовом и олигоклазовом стеклах плавления появляются ионы двухвалентного железа. Помимо этого в продуктах экспериментов со смесями кварца и полевых шпатов с камаситом отмечается присутствие металлического железа в парамагнитном состоянии и возрастание локальной неоднородности в окружении атомов железа в силикатной части смесей энстатита и оливина с камаситом. Полученные результаты указывают на протекание в процессе ударного нагружения окислительно-восстановительной реакции между железом и силикатами по схеме: 2Fe+2 + Si+4 = 2Fe+2 + Si0, где Fe0 и Si0 — железо и кремний в металле, а Fe+2 и Si+4 — железо и кремний в силикатной матрице.
ВВЕДЕНИЕ
Окислительно-восстановительный режим ударно-взрывных событий характеризуется существенными отличиями от такового в земных эндогенных процессах (Фельдман, 1990), что связано как с экстремальными состояниями вещества в ударных волнах, так и с быстрым временем протекания им-пактных процессов, лежащим в диапазоне от микросекунд до десятков секунд. Как следует из ряда экспериментальных данных (Яковлев и др., 1992), в мощных ударных волнах возможны изменения валентного состояния элементов. Так, например, исходя из обогащения Si металлического железа в аг-глютинатоподобных частицах, образовавшихся при высокоскоростном соударении камаситового ударника с монокристаллической кварцевой мишенью, предполагалось протекание ударно-инициированной реакции между Fe и SiO2 (Badjukov, 1990; Яковлев и др., 1991) с восстановлением кремнезема и окислением железа и вхождением кремния в состав металла. Учитывая достаточную распространенность Fe—Ni фаз (камасита и тэнита) в веществе метеоритов, можно допустить, что в результате высокоскоростных соударений тел в космическом пространстве или в ходе аккреции планет происходят окислительно-восстановительные реакции между металлическим железом и силикатами. Силициды железа, возникновение которых связывается с метеоритной бомбардировкой лунного реголита, бы-
ли встречены в метеорите ЭИо 280 (Лпапё й а1., 2004). В отличие от диаплектовых преобразований минералов, легко уничтожающихся, например, при отжиге, такие реакции приводят к изменению химического состава фаз, что может привести к серьезным геохимическим последствиям.
При высокоскоростных ударных событиях на контакте мишень—ударник возникают высокие давления и температуры, достигающие сотен-первых тысяч ГПа и тысяч—десятков тысяч градусов. При таких параметрах возможно протекание различных реакций между сжимаемыми фазами. Одним из лабораторных методов достижения столь высоких давлений и температур является сжатие вещества мощными ударными волнами (БоЛоу Ь0Ш0П080У, 2010). В настоящей работе представлены результаты серии экспериментов по ударно-волновому нагружению смесей метеоритного железа с рядом силикатных минералов в целях выяснения возможности и масштабов химического взаимодействия в системе силикат—никелистое железо.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Исходным материалом для опытов служили порошковые смеси камасита железного Сихотэ-Алинского метеорита, имеющего состав 5.9 мас. % N1, 0.4 мас. % Со, 0.3 мас. % Р (Дьяконова, 1958), с кварцем (природный монокристалл из пегмати-
Рис. 1. Схема установки с цилиндрической ампулой сохранения.
тов, Волынь), альбитом (скарн, Южный Урал), олигоклазом Ап 12 (пегматиты, Карелия), энстати-том (Кемпирсайский массив, Южный Урал), оливином /й12 (Йоко-Довыренский массив, Прибайкалье) и серпентином с 2.4 мас. % БеО (Миасс, Южный Урал). Размер зерен минералов и камаси-товых частиц составлял 0.5—0.01 мм. Образцы запрессовывали в цилиндрические металлические оболочки с внутренним диаметром 5 мм и затем помещали во внешние контейнеры. Эти так называемые цилиндрические ампулы сохранения (Пер-шин, Канель, 1972) окружали зарядами взрывчатого вещества (ВВ) диаметром 150 мм, скорость детонации которых составляла 7.90 км/с (рис. 1).
Данные устройства позволяют создавать в лабораторных условиях более высокие давления, чем в случае применения плоских ударных волн, хотя и характеризуются более сложной картиной ударного
сжатия, выражающейся в неоднородном распределении давления и температуры по объему образца. В результате схождения иррегулярных цилиндрических ударных волн в образце происходит формирование головной ударной волны (так называемой трехударной волновой конфигурации или "махов-ского диска"), распространяющейся со скоростью детонации по вертикальной оси образца, причем диаметр этого "диска" составляет от 1/6 до 2/3 диаметра образца, увеличиваясь по пути распространения. Отражение ударной волны от стальной заглушки ампулы в образец повышает сжатие вещества в придонной области. Внешняя зона образца испытывает воздействие существенно меньших температур и давлений. Таким образом, картина распределения Р-Т параметров по объему образца весьма сложная и не поддается простому аналитическому решению. Поэтому нами приводятся только максимальные параметры ударного сжатия для осевой зоны (табл. 1). Эта оценка осуществлялась с помощью рассчитанных адиабат смесей минерал-камасит с учетом пористости вещества (Marsh, 1980; Зельдович, Райзер, 1966) и при скорости распространения ударной волны, равной скорости детонационной волны в заряде использовавшегося ВВ (см. ссылки в (Fortov, Lomonosov, 2010)). При этих давлениях весьма грубая оценка температур ударного сжатия составляет 4000°С, а постударных температур - 2500-3000°С.
Из поперечных срезов столбиков образцов изготавливали прозрачно-полированные шлифы. Также были приготовлены шлифы из металлических шариков диаметром более 30-40 микрон, выделенных из центральных зон. Изоляцию шариков производили для того, чтобы избежать в ходе анализа возможного влияния силикатной матрицы на определение в них содержания кремния. В работе использовались химические составы только этих изолированных шариков. Для мессбауэровских исследований применяли валовый материал из центральной зоны образцов смесей камасита с кварцем, альбитом, олигоклазом, энстатитом и оливином.
Химический состав силикатов и металла определяли методом рентгено-спектрального микроанализа на приборе Cambridge Microscan 5 при ускоряющем напряжении 20 или 30 кВ и токе зон-
Таблица 1. Характеристики смесей минерал-камасит и параметры их ударного сжатия
Образец Камасит, мас. % Роо, кг/м3 Пористость, об. % С, м/с P, ГПа
Кварц-камасит 11.2 3119 24 1854 1.702 84
Альбит-камасит 12.1 3110 24 2500 1.583 81
Олигоклаз-камасит 14.2 3254 26 2672 1.551 84
Энстатит-камасит 12.4 3926 27 4605 1.390 86
Оливин-камасит 14.4 4208 24 4243 1.527 93
Примечание. Р00 — исходная плотность; С и S — коэффициенты ударных адиабат смесей в виде Б = С + Su, где Б и и — скорость распространения ударной волны и массовая скорость соответственно. Ударные давления Р рассчитаны для Б = 7900 м/с, равной скорости детонации в используемом ВВ.
да 50 нА. В качестве стандартов использовали природные минералы, данные корректировали с помощью программы ZAF. Предел обнаружения элементов составлял около 0.1 мас. % при точности определения 2—5 отн. %.
Мессбауэровские исследования проводили на ядрах 57Бе при комнатной температуре на спектрометре электродинамического типа, работающем в режиме постоянных ускорений. Поскольку исследуемые вещества являются локально неоднородными системами с наличием большого числа неэквивалентных позиций мессбауэровского атома железа, то обработка и анализ спектров проводили с использованием восстановления одновременно нескольких независимых функций распределения сверхтонких параметров (Русаков, 1999) — магнитных полей р(Ни), квадрупольных смещений р(б) и сдвигов р(5) компонент парциальных спектров.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
После освобождения от стальной оболочки обжатые образцы представляют собой достаточно прочные цилиндрические столбики, вдоль оси которых выделяется шнуровидная центральная зона, расширяющаяся ко дну образца, и в которой вещество испытало полное плавление. Очевидно, что эта зона трассирует прохождение головной ударной волны. Шнуровидная область окружена веществом внешней зоны, которая состоит из исходного материала, испытавшего сильные диаплектовые преобразования. Так, кварц и полевые шпаты превращены нацело в диаплектовое стекло с сохранением очертаний первоначальных зерен, энстатит в области, прилегающей к центральной зоне, обладает сильно пониженным двупреломлением, в оливине наблюдаются планарные трещины и планарные деформационные структуры. Серпентин внешней зоны приобретает бурую окраску и характеризуется повышенным двупреломлением, что, вероятно, связано с его частичной дегидратацией (Козлов и др., 1995). Комплекс преобразований свидетельствует о том, что внешние зоны образцов подверглись воздействию ударного давления в диапазоне 30—45 ГПа для кварца и полевых шпатов и 40— 60 ГПа для энстатита, оливина и серпентина.
Вещество центральных зон кварц-, альбит- и олигоклаз-камаситовых образцов состоит из прозрачного стекла, окрашенного в зеленоватый цвет и содержащего многочисленные металлические сферулы различного размера — о
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.