Гипотезы, дискуссии, предложения
Железо из космоса
Д.М. ПЕЧЕРСКИЙ,
доктор геолого-минералогических наук ИФЗ РАН
В статье обобщены первые результаты изучения с помощью термомагнитного анализа распределения частиц металлического железа в осадках разного возраста. Установлен ряд закономерностей, отражающих неоднородность космической
Ф
КАПЕЛЬКА ИСТОРИИ
Откуда возникла задача изучить распространение частиц космического железа в осадках? Из очень модной ныне темы - отчего вымерли динозавры и не только динозавры (см., например, Земля и Вселенная, 2010, № 3). Значительная часть исследователей полагает, что из-за падения на Землю огромного астероида. А это должно было отразиться в космических компонентах, попавших в осадки. И вот большая группа исследователей из раз-
пыли: а) четкое разделение частиц железа на две группы: во-первых, на содержащую и не содержащую частицы железа и, во-вторых, на содержащую чистое железо и железо с небольшой примесью никеля; б) обнаружено глобальное обогащение части-
ных институтов и даже разных стран во главе с А.Ф. Грачёвым принялась искать эти компоненты, а именно изучать подробно тоненький слой осадка на самой границе мезозоя и кайнозоя (65,5 млн лет назад) в Гамсе (Австрия) и в других местах. Нет, не получилось вымирания живых организмов во время падения того самого астероида. Получилось, что главная причина существенного уничтожения жизни на Земле (примерно половина) в мощном плюмовом* вулканизме этого времени. А астероид упал на
цами железа осадков, возраст которых 12-13, 64-66, 84-86 и 94-96 млн лет с постоянной величиной примеси никеля 5-6%; в) частицы сплава, содержащего более 20% никеля, не имеют отношения к космической пыли и связаны с падением метеоритов.
Землю несколько позднее... Об этом написана не одна статья, в том числе в "Земле и Вселенной" (2006, № 1), и даже монография. Но данная статья вовсе не об этом. Дело в том, что при таких исследованиях мы, естественно, столкнулись с различными материалами - "пришельцами из космоса", в частности с частицами металлического железа, никеля. Тогда и возникла идея применить для массового изучения распространения частиц железа термомагнитный анализ (ТМА). И, конечно, захо-
* Плюм - это сильно разогретая огромная масса мантийного вещества, поднимающаяся от самого ядра Земли и извергающаяся на большой территории в виде мощного вулканизма.
68 © Печерский Д.М.
телось с помощью такого простого и быстрого метода, как ТМА, посмотреть на закономерности распространения в пространстве и времени частиц металлического железа. В дальнейшем были существенно расширены интервал времени и число объектов. Так как я геофизик - палеомагни-толог и петромагнитолог, то захотелось узнать, нет ли какой-либо связи в накоплении частиц железа с особенностями в поведении геомагнитного поля. Такую информацию можно получить благодаря палеомагнитным данным. К сожалению, явной связи не обнаружилось. Но результаты первых исследований такого рода все равно интересны, хотя бы потому, что они первые...
ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ТЕРМОМАГНИТНОГО
АНАЛИЗА
По данным многих измерений непосредственно в пылевых космических облаках, в атмосфере, во льду и снеге, в осадках обнаруживается космическая пыль, содержащая частицы металлического железа* и никеля. При этом сведения об их распределении на поверхности Земли и во времени весьма ограниченны, так как использовались лишь "прямые"
методы фиксации частиц, когда из большого объема материала -льда, снега, осадка, облака космической пыли и т.п. - извлекались ловушкой, промывкой, магнитной сепарацией и другими способами частицы железа. Затем анализировались, например с помощью микрозонда, их состав, структура и т.п. Такие методы требуют большого объема материала. В результате получаются осредненные данные, и число таких данных невелико.
Обширную и оперативную информацию о распределении металлического железа можно получить по данным термомагнитного анализа. Термомагнитный анализ - это определение температур перехода ферромагнитного материала (например, железа) в парамагнитное состояние в ходе нагрева. Такие температуры называются точками Кюри (ТС). Точка Кюри -фундаментальная характеристика магнитного материала, зависящая от его состава и строения кристаллической решетки. В магнитных минералах, содержащих примеси, не меняющие их кристаллическую структуру, точка Кюри является однозначной функцией состава магнитного минерала.
Главные достоинства ТМА по сравнению с другими методами исследования вещества:
- получение информации о минералах, содержащихся в горной поро-де,без их извлечения,
- очень высокая чувствительность (достаточно присутствия в породе менее 0,00001% железа и т.п. минералов),
- простота приготовления образцов (берется кусочек произвольной формы массой 0,1 г и меньше),
- быстрота анализа (примерно 10 мин на один анализ).
ТМА широко применяется в палеомагнитных и петромагнитных исследованиях различных геологических объектов, в том числе осадков. Главная цель таких измерений - выяснение природы основных носителей палеомагнитной записи. Соответственно температура ТМА, как правило, ограничивалась точками Кюри главных носителей такой информации - магнетита и гематита, то есть максимум около 700 °С, тогда как точки Кюри железа с небольшими примесями никеля составляют 700-770 °С. В результате информация о зернах металлического железа полностью пропадала.
Повышение температуры ТМА до 800 °С, то
Здесь и далее, говоря о частицах железа, я имею в виду как чистое железо без примесей, так и частицы сплава, содержащие менее 20% никеля.
69
Сравнение составов частиц железа и Fe-Ni сплава с определениями по линейной зависимости "точка Кюри -примесь никеля". Залитые кружки - образцы метеоритов и металлических частиц из осадков, полые кружки -образцы искусственных Ре-N сплавов.
есть всего на 100°, дало возможность наблюдать детальную картину распределения частиц металлического железа в пространстве и времени, чем и занялась лаборатория геомагнетизма ИФЗ РАН совместно с палео-магнитной лабораторией Казанского университета. ТМА проводился с помощью высокочувствительных экспресс-весов Кюри.
Известно, что в частицах космического железа основная примесь -это никель. Зависимость точки Кюри сплава железа и никеля должна быть близка линейной, и содержание никеля определяется простой формулой:
N1 (%) = 0,243 (770 - ТС), где 770 - точка Кюри чистого железа, ТС - точка Кюри образца.
Однако у сплавов, содержащих примесь никеля более 20%, из-за структурных изменений точки Кюри могут существенно отклоняться от линейной зависимости. Проверим, во-первых, насколько применима оценка содержания при-
70
100
90
80
3
I I и н о н о а в
0 §
и М 51
1
Й и
5
а
6
70-
60
50
40-
30
20
10
-е о 5- /
Л ) от *( с /
О / 7
< / /
/; / ( )
• А > А V, • >
/
/ / # /
/ /
/ /
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Примесь никеля, определенная микрозондом
меси никеля по линейной зависимости ТС-М к природным метеоритам и космическим частицам, содержащим Ре-М сплавы, и, во-вторых, насколько широко распространены в космической пыли частицы Ре-М сплава с примесью никеля больше 20%.
Для ответа на первый вопрос я использовал публикации Т. Нагаты, М. Фунаки (1986, 1987) и А.Ф. Грачёва (2009), где приводятся данные мик-розондового анализа и ТМА для металлических метеоритов и металлических частиц из осадков. Добавим информацию из справочников о составе и точках Кюри стандартных марок Ре-М сплавов (инвар, пермаллой и др.). Выясняется, что заметные отклонения от линейной зависимости
встречаются главным образом среди искусственных сплавов с содержанием никеля между 20 и 80%.
Ответ на второй вопрос я нашел в статьях Д.Е. Броунли (1987), А.Ф. Грачёва (2009), Д.У. Паркина (1964), М. Шимы и X. Ябуки (1988) и других исследователей. В них есть сведения о составе металлических частиц в космической пыли во льдах Антарктики и Гренландии, в осадках океана, в осадках из района Тунгусской катастрофы, в осадках Гамса и других объектах. По этим данным, космические частицы, содержащие никель между 20 и 80%, очень редки. Для остальных же вполне приемлема оценка содержания никеля по линейной зависимости ТС-№.
я О
а
п я а ю о о
5
н V
25-
20
15
10 —
1 ■ 1 ■ 1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Содержание никеля в Бе-№ частицах, %
В наших экспериментах точность определения точки Кюри составляет примерно 10%, чему соответствует содержание никеля в сплаве 2-2,5%,
« 400 о
еЗ 350 о.
(О
о
то есть можно принять, что ошибка каждого определения не превышает 3%. Недостатки в применении линейной зависимости ТС-М и точно-
н
300 250 200 150 100 50 0
1 1 ■
>л
?
т—I СО Г"-СО \0 С<|
СО
ООО
" " ? ? ?
П Г- »1
I
СП
7 ■?
со м о"
со ^ сч О о" гн
о\
о"
ч
со о"
3!
о 8
Содержание железа в осадках, 10^3 %
Гистограмма содержания никеля в Fe-Ni частицах из космической пыли. Повышенное количество частиц, содержащих более 80% никеля, относится фактически к одной "точке" из разреза Гаме (Австрия), то есть это явление сугубо локальное.
сти ТМА компенсируются простотой приготовления проб и их ТМА, быстротой и массовостью получения данных.
После вводно-мето-дического вступления обратимся к собственно результатам определения по ТМА концентрации частиц космического железа и содержания в них примеси никеля в осадках миоценового (9-17 млн лет назад) и мелового (62-130 млн лет назад) возраста из 15 разрезов Австрии (Гамс), Грузии (Квири-наки и Тетрицкаро), Казахстана (Кошак), Крыма (Верхоречье и Сельбух-ра), Поволжья (Ключи и Тепловка), Северного Кавказа (Аймаки, Басс, Гергебиль, Дженгутай и Маджалис) и Туркмении (Кара-Кала и Халац). Расстояния между объектами исследования достигают 1-3 тыс. км, что позволяет говорить о глобальном характере накопления космических
Сводная гистограмма содержания железа в изученны
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.