ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2012, № 7-8, с. 103-120
УДК 550.382
ВНЕЗЕМНЫЕ МАГНИТНЫЕ МИНЕРАЛЫ
© 2012 г. Д. М. Печерский, Г. П. Марков, В. А. Цельмович, З. В. Шаронова
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва Поступила в редакцию 09.11.2011 г.
Проведены термомагнитный, микрозондовый анализы и измерен ряд магнитных характеристик 25 метеоритов и 3 тектитов из коллекций Геологического музея им. В.И. Вернадского РАН и Музея естественной истории СВКНИИ ДВО РАН. В результате установлено, что во всех метеоритах, независимо от их типа, присутствуют одни и те же магнитные минералы, варьирует лишь их концентрация. Главный магнитный минерал изученных метеоритов — камасит с концентрацией никеля менее 10%, реже встречаются чистое железо, тэнит, шрейберзит и чрезвычайно редки такие магнитные минералы, как никель, некоторые феррошпинели, Бе—Л сплав и др. Перечисленные минералы, как правило, отсутствуют в коре Земли и других планет. Вероятнее всего, изученные метеориты представляют ядро и нижнюю мантию планет-источников метеоритов. Однообразие магнитных свойств метеоритов и типов термомагнитных кривых М(Т) нарушается вторичными изменениями метеоритов на Земле. Как и в метеоритах, в осадках наблюдается то же самое однообразие: камасит является практически единственным космическим магнитным минералом, встречающимся в осадках повсеместно и связанным с космической пылью. Сходство составов камасита в железных метеоритах и в космической пыли объясняется общим их источником, а их различие состоит лишь в степени дробления материала родительского тела.
ВВЕДЕНИЕ
Петромагнитные исследования проводятся, как правило, на земных объектах, однако Земля является лишь небольшой частью Солнечной системы, постоянно подвергающейся космическому воздействию. Ежегодно на Землю поступают многие тысячи тонн космического материала (метеориты, космическая пыль). Петромагнитные исследования этого материала в сочетании с микрозондовым анализом дают возможность не только получить информацию о космических объектах — источниках поступающего на Землю космического материала, но и выяснить роль и место Земли в космическом пространстве.
За последние годы накоплен большой объем петромагнитных данных, прежде всего, термомагнитного анализа (ТМА) до 800°С и микрозон-дового анализа (МЗА) металлических частиц, присутствующих в осадках разных регионов и разного возраста [Pechersky et al., 2008; Grachev etal., 2009; Pechersky, 2010; Печерский и др., 2011; Печерский, Шаронова, 2011 и др.]. Результаты этих исследований показывают, что в осадках широко распространены металлические частицы в небольших концентрациях (очень редко превышающих 10-3%, обычно порядка 10-4% и менее).
По составу металлические частицы в осадках можно разделить на три группы: 1) чистое железо, 2) камасит с преимущественной концентрацией Ni 5—6%, 3) Fe—Ni сплав, содержащий более 20% Ni вплоть до чистого никеля (рис. 1). Первая и вторая группы распространены повсеместно,
отражая свое закономерное присутствие в космической пыли, тогда как третья имеет локальное распространение и связана, вероятнее всего, с падением метеоритов и, возможно, частично имеет земное происхождение. Концентрация в осадках других магнитных минералов космического происхождения, таких как тэнит и тетрат-энит, менее 10-5%, а шрейберзит, троилит и пирротин (внеземного происхождения) в осадках практически не встречаются. Это невозможно объяснить только окислением железа, так как процесс вторичного окисления более вероятен для камасита, но именно он — главный сохранившийся компонент металлических частиц в осадках.
N, % 20
10
Ппгмп........rrrm mn i n п гП
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Содержание никеля, %
Рис. 1. Гистограмма содержания никеля (%) в металлических частицах из осадков по данным ТМА [Печерский, Шаронова, 2012].
0
Температура, °C 900 800 700 600 500 400 300 200 100
а + y + y / \ ' ' / \ / / / /
_1_
_l_I_I_I_I_I_I
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Концентрация никеля в Fe-Ni сплаве
Рис. 2. Фазовая диаграмма равновесия Fe—Ni сплавов [Cassiamani et al., 2006]. Линия 1 — граница области стабильного существования камасита (a-фаза), тэни-та (у-фаза) и тетратэнита (у'-фаза), выше линии 1 существует только тэнит; 2 — точки Кюри камасита; 3 — точки Кюри тэнита.
Сравнение результатов исследований металлических частиц в осадках с аналогичными данными по метеоритам поможет выяснить связь космической пыли, в частности, металлических частиц в ней, и метеоритов. Кроме того, как показал анализ мировых данных и видно из ряда обзоров [Гуськова, 1972; Kohout, 2009; Rochette et al., 2009; Terho et al., 1993; Weiss et al., 2009 и др.], исследования магнитных свойств метеоритов до сих пор сводились, во-первых, к измерениям магнитной восприимчивости, во-вторых, к попыткам оценить природу естественной остаточной намагниченности и палеонапряженности времени формирования космических тел-источников метеоритов, в-третьих, к измерениям магнитных свойств отдельно взятых метеоритов, гранул из хондритов, в-четвертых, к выяснению магнитных признаков тетратэнита, роли деформаций, ударной остаточной намагниченности и т.п. [Nagata et al., 1986; 1987; Rochette et al., 2009; Sugiura, Strangway, 1981; 1987; Uehara, Nakamura, 2006; Wasilewski, 1988; и др.] Магнитоминералогические обобщения, включающие комплекс термомагнитного, микрозондового и других видов анализа материала до сих пор не проводились.
Исследованию магнитных свойств, ТМА до 800°С в сочетании с МЗА с целью выяснения общих черт метеоритов и посвящена настоящая работа.
ОБЗОР ДАННЫХ О МАГНИТНЫХ МИНЕРАЛАХ МЕТЕОРИТОВ
По данным Meteoritical Bulletin (2000-2010) в метеоритах присутствуют следующие магнитные минералы.
1. Fe—Ni сплавы: камасит, сплав с небольшим содержанием Ni (обычно 5—6%), тэнит, содержащий чаще 20—30% и гораздо реже более 40% Ni, аваруит с концентрацией Ni более 60%. В Meteoritical Bulletin (2000—2010), тэнит упоминается в 2— 3 раза реже, чем камасит, преобладание камасита над тэнитом подчеркивается и средним содержанием никеля в железных метеоритах (8.81 ± 3.48%), аваруит упоминается только в трех случаях. Камасит (a-фаза) имеет упорядоченную объемно-центрированную кубическую решетку, у тэнита и аваруита (у-фаза) — неупорядоченная гранецен-трированная кубическая решетка, у тетратэнита (у'-фаза) — упорядоченная гранецентрированная кубическая решетка. Как видно из фазовой диаграммы состояния Fe—Ni сплавов (рис. 2), ниже черной линии присутствует система камасит-тэнит-тетратэнит в зависимости от содержания никеля и температуры, выше черной линии присутствует только тэнит. Видно также, что в области температур, близких к точкам Кюри (Тс) камасита и тэнита, происходит структурный переход a о у, температуру которого при ТМА легко спутать с Тс. В большинстве случаев камасит содержит не более 10% Ni, а для такого состава температура структурного перехода камасит ^ тэнит выше Тс камасита, следовательно, при ТМА метеоритов, как правило, фиксируется именно Тс камасита.
Фазовая диаграмма (рис. 2) показывает также, что тэнит, содержащий менее 30% Ni, имеет отрицательную Тс, т.е. при комнатной температуре и выше такой тэнит — парамагнетик. Следовательно, в интервале концентраций никеля в сплаве от 0 до 30% обнаруженные у метеорита Тс > 500°С относятся исключительно к камаситу. В свою очередь, Тс камасита, содержащего более 50% Ni, ниже комнатной температуры, т.е. в этой области концентраций ТМА должен фиксировать исключительно тэнит. Отметим, что для тетратэнита и тэнита есть магнитный признак их различия [Nagata et al., 1986; 1987]: у тетратэнита на порядки выше коэрцитивная сила, чем у тэнита, поэтому при необратимом фазовом переходе тетратэнит ^ тэнит коэрцитивная сила (Нс), остаточная коэрцитивная сила (Hcr) и отношение остаточной намагниченности насыщения к намагниченности насыщения (M^/MJ резко падают. Плоская форма кривой М(Т) до 500—700°С характерна для тетратэнита, а резкий спад М(Т) выше 700°С — признак структурного перехода камасит ^ ^ тэнит [Nagata et al., 1986; 1987; Wasilewski, 1988]. Удельная намагниченность насыщения Fe—Ni-сплава, содержащего менее 20% Ni, практически постоянна (Ms = 217.75 Ам2/кг при комнатной температуре), с увеличением содержания Ni выше 20% ее зависимость близка к линейной, у чистого никеля Ms = 56.7 Ам2/кг [Бозорт, 1956].
Отметим еще один важный факт, всегда наблюдаемый при ТМА Fe—Ni сплавов: "отставание"
температуры перехода тэнит ^ камасит (Ту ^ а) при остывании образца от температуры перехода кама-сит ^ тэнит (Та ^ Y) при его нагреве. Этот температурный сдвиг обусловлен тем, что границы фазовых областей на диаграмме равновесия Fe—Ni сплавов могут быть определены, только если скорость охлаждения не превышала ~10°С в сутки [Бозорт, 1956]. Наблюдаемый сдвиг кривых М(Т) в цикле нагрев—охлаждение является однозначным признаком присутствия в образце Fe—Ni сплава.
2. Шрейберзит (Fe, Ni)3P — ферромагнетик с содержанием никеля от 5% до 50%. Магнитные свойства природного шрейберзита почти не изучены. Для искусственных Fe—Ni фосфидов наблюдаются практически линейные зависимости MSs и Tc от содержания никеля [Meyer, Cadeville, 1962; Gambino et al., 1967].
3. Когенит (Fe, Ni)3C — ферромагнетик, иногда встречающийся в метеоритах (упоминается только дважды). Магнитные свойства когенита изучены очень слабо. Tc цементита (искусственный аналог когенита) 210°С, Ms = 128 Ам2/кг.
4. Fe-сульфиды. Среди них львиная доля в метеоритах принадлежит троилиту (FeS) — антиферромагнетику с очень низкой намагниченностью. Кроме троилита, нередко встречаются пирро-m^FeS1 + x), пентландит (Fe, Ni)9S8, добреелит (FeCr2S4) и другие сульфиды. Из них только моноклинный пирротин (0.1 < x < 0.25) — ферримаг-нетик с Ms = 16 Ам2/кг, Тс = 325—360°С. Гексагональный пирротин — антиферромагнетик (0 < x < <0.1) с Ms < 0.1 Ам2/кг, Тс = 325°С. Отметим, что Fe-сульфиды являются потенциальным источником магнетита — продукта их окисления в околоземном пространстве и на Земле.
5. Магнетит (Fe3O4) — ферримагнетик, широко распространенный в земных горных породах. Судя по литературным
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.