доклад Грачева А.Ф.... (365 Скачиваний)

«Все указывает на то, что космическая пыль падает непрерывно,
и возможно, эта непрерывность падения существует в каждой
точке биосферы, распределена равномерно на всю планету.
Удивительно, что это явление, можно сказать, совсем не изучено
и целиком исчезает из научного учета» (Вернадский, 1941)
Космическая пыль: состояние
проблемы и задачи исследований
А.Ф.Грачев,
ИФЗ РАН
Основные задачи и программа работ по изучению
космической пыли были впервые сформулированы
в ноябре 1963 г. на конференции, организованной
Нью-Йоркской Академии Наук.
Главные вопросы:
1.Космическая пыль, ее происхождение, распределение
в пространстве,
2.Ископаемая космическая пыль,
3.Химический состав космической пыли и методы
исследований
Что было известно 50 лет назад?
1. Впервые были изучены сферулы различной морфологии и состава из
галитов фанерзоя (T.Mutch). Были выделены 4 типа сферул:
обогащенные сульфидами, Fe сферулы, магнетитовые и сферулы
сложного состава (Fe, Ca, Si, Al). Скорость накопления сферул 1.4 X 108
to 1 X 109 т/год. Природа сферул не выяснена.
2. Металлические и стекловатые (SiO2) частицы обнаружены во льдах
Антарктиды (R.Schnidt и др.) . Оценка скорости накопления 10(5) т/год.
3. Впервые было проведено изучение изотопии гелия из глубоководных
отложений Тихого океана и доказано присутствие в них космогенной
компоненты ( M.Merrihue).
4. Впервые было проведено изучение состава пыли на высотах от 75 до 95
км (Skrivanek and Soberman).
Критерии космогенной природы вещества не были
разработаны (аномальные содержания Ir в земной
коре были обнаружены только в 1980 г.)
В 1969 г. В Ливиийской пустыни на
территории около 6500 км2 были
обнаружены частицы чистого стекла
(96.59–99.26 % SiO2) с возрастом 29.4 ± 0.5
Mлн. лет (Storzer and Wagner, 1977) и 28.5 ±
0.8 Mлн. лет (Bigazzi and De Michele, 1996).
По содержанию элементов группы
платины и изотопии осмия они имеют
космогенную природу (Koeberl, 2000).
Изучение космичеcкой пыли, собранной с
помощью ловушек на различном удалении от
Земли, начиная с первых полетов U-2 и
кончая современными системами
зондирования, показало, что она имеет
разные источники: кометы, астероиды,
метеориты различных типов.
Задача заключается не только в
установлении космогенной природы
вещества в геологическом разрезе, но и в
выявлении его источника.
Некоторые оценки скорости аккреции космической
пыли на поверхности Земли (Karner et al., 2003)
Метод и объект
исследования
Ir, лед Гренландии
Ir, лед Антарктиды
Ir, лед Антарктиды
3He, лед Гренландии
Измерения in situ
с помощью спутников
Ir и Os в осадках Тихого
океана
Ir в пелагических глинах
Os в глинах Тихого океана
3He, глины Тихого океана
3He, глины Атлантики
3He, глины Индийского
океана
Временной
интервал, в
годах
5000
8
6000
30
Современная
эпоха
0-100 000
Скорость
аккреции
(109г/год)
0.12
400
5000-30000
0.17
40±20
33-67 млн.
30-270 тыс.
0-40 млн.
250-450 тыс.
0-200 тыс.
78
49-56
0.4±0.2
0.29
0.3±0.1
50±25
Межпланетная космическая пыль (далее IDP) образует
характерные кластеры, состоящие из цепочек зерен различных
минералов, образующих агломераты стекла с включениями металлов и
сульфидов - так называемые GEMS (glass with embedded metal and
sulfides) [Bradley, 1994; Dai, Bradley, 2001].
Размер большинства части IDP лежит в пределах от 5 до 30 мкм, а
плотность меняется от 1 до 3 г/см3, составляя в среднем около 2 г/см3 (Love
et al., 1993).
В составе IDP (астероидной и кометной) преобладает хондритовый
материал (60%), далее идут сульфиды железа и никеля (30%) и меньшую
часть составляют силикаты (преимущественно оливин и пироксен)
[Jessberger et al., 1992].
Наиболее важным открытием последних лет является обнаружение
среди частиц IDP минералов досолнечного происхождения [Messenger et
al., 2003; Stadermann et al., 2006].
Минералы межпланетной пыли:
Наноалмаз,
Муассонит,
Графит,
Корунд,
Шпинель,
Хибонит (Ca,Ce)Al12O19) ,
Силикаты (оливин,пироксены, филлосиликаты),
Сульфиды
Циркон
Плагиоклаз
Перовскит
Fe-Ti оксиды
Нитрид кремния (Si3N4)
В результате реализации проекта Stardust было
собрано более 10000 частиц IDPs в окрестностях
кометы Вилд 2 [Brownlee et al., 2006]
0.35 0.29 1.6 0.12 0.22 3.2 2 2 mm
Частица IDP размером 8 µm, состоящая из
пирротина, энстатита и тонкозернистого
пористого материала с хондритовым
содержанием элеметов [Brownlee et al., 2006]
Структура GEMS на фоне мелкозернистой массы космической пыли.
Стрелками показаны нанокристаллы сульфидов железа на
поверхности и внутри GEMS (Dai, Bradley, 2001).
5 типов космической пыли с досолнечной изотопной
меткой (Е. Zinner, 2004)
D. Whittet. Dust in the Galactic Environment, 2003
Сага об алмазах
Алмазы в железных метеоритах δС13 = -5-6 ‰,
Алмазы импактные (Аризонский кратер и Попигай)
δС13= -5-7 и -8-20 ‰,
Алмазы из K-Pg разреза δ C13 = -11-19 ‰
Алмазы импактные (129000 лет, С.Ам)
Гелий в
алмазах
Муассонит (SiC) из разреза Гамс, К/Т граница, 65 млн. лет
Ferdinand Frederick Henri Moissan
Начиная с конца ХIХ в., до выявления аномалий Ir в
земной коре, наиболее распространенным типом
космических частиц в осадочных породах считались Fe
и Fe-Ni сферулы.
Отношение Fe/Ni (Fe/Ni = 19) некоторые исследователи
считают показателем отличия сферул земного и
космического происхождения (Rietmeijer, 1999).
Химический состав сферул (%) из осадочных пород
разных районов (Грачев, 2010)
Содержание редких элементов в 3-х типах сферул из
глубоководных осадков Тихого окена [Canapathy, 1982]
Содержание Ir (ppb) в глубоководных осадках Тихого
океана как доказательство импакта 34.4 млн.лет
[Canapathy, 1982]
Исследования содержания Ir на Земле
привело к новому критерию – высокие
концентрации Ir (> 1 ppb) стали рассматриваться
как признак импактного события (L.Alvares et al.,
1980). Позднее высокие концентрации Ir были
обнаружены в частицах стекла во льдах
Антарктиды (Ir до 7.5 ppb) (Koeberl, 1989).
Наиболее важный результат был получен при
изучении стекловатых сферул в песчаниках
палеоцена в Гренландии, в которых содержание
Ir достигает 5 ppb, кроме того в них же найдена Ni
шпинель (Robin, 1996). Образование Ni Sp
обычно связывается с абляцией метеоритов. В
сферулах магнетита отношение Fe/Ni =11.5.
Зап.Гренландия, песчаники
палеоцена (Robin et al.,1996).
Вверху - сферула магнетита,
Внизу – скелетные кристаллы
Ni шпинели.
Отношения Ni/Cu, Ir/Ni, Ir/Co –
нехондритовые!
Распределение РЗЭ в сферуле магнетита из
пограничного слоя на К/Т границе (65 млн. лет т.н.) в
разрезе Петриччио (Италия) [Montanari et al., 1983]
Металлические сферулы в стеклах метеоритного
кратера Босумтви (Гана) [A. El Coresy, 1966].
Состав (%): Fe 95.4, Ni 5.2, Co 0.6. Fe/Ni=18.4
Магнитные сферулы из вулканитов Курильских
островов [Сандомирова и др., 2003]
Сферула, состоящая из ядра
(Fe самородное) и оболочки
из магнетита
Сферула пирита и закрученная частица
самородного Al из пеплов Карымского вулкана
[Карпов и др., 2004]
Критерии космического происхождения
вещества в ископаемом состоянии:
1. Распределение редкоземельных элементов в породе и
мономинеральных фракциях
1. Содержание элементов группы платины в породе и
минералах
3. Изотопия благородных газов (He, Ne, Ar) для породы и
мономинеральных фракций.
4. Изотопия Os, Sm-Nd, Mg, Cr, Fe, Al, О, С для
мономинеральных фракций. Эти данные особенно
важны для сопоставления ископаемой космической
пыли с межпланетной.
Распределение РЗЭ и других элементов,
нормированное к хондриту, в космической пыли
(Антарктида) [Kurat et al.,1994]
Отсутствие фракционирования ЛРЗЭ!
Распределение Os, Ir и других элементов в
космической пыли (Антарктида) [Kurat et al.,1994]
Для глубоководных осадков изотопные отношения гелия (3Не/4He)
~10(–5). Это результат смешения солнечного гелия (3Не/4He ~ 3.7×10
(–4), поставляемого космической пылью, и терригенного (с 3Не/4He ~
10(–7)-10(–8).
Gams
Изотопия Ne частиц IDP из коллекции Лаборатории по
изучению космической пыли (NASA Johnson Space
Center) [Kehm et al., 2006]
Разрез Massiggnano (Италия). Максимум в содержании 3Не
и Ir по времени совпадает с образованием 100 км
Попигайской астроблемы и 90 км кратера Чесапик-Бей (35.6
млн. лет) [Farley et al., 1998].
Тихий океан, разрез глубоководных отложений [Kyte,
Wasson, 1986]
Определение признаков космогенной природы вещества
остается самой важной задачей будущих исследований
1.Ни высокое содержание Ni, ни высокое содержание
Ir, ни высокие отношения 3Не/4Не, отдельно взятые, не
позволяют различать импактные, космогенные и
вулканогенные частицы.
2. Единственный путь, исходя из опыта изучения
межпланетной пыли, состоит в изучении геохимии редких
и редкоземельных элементов и изотопии
мономинеральных фракций. В этом случае
представляется возможным выявлять присутствие
межпланетной пыли в ископаемом состоянии.
Наше современное знание о составе космического
вещества в ископаемом состоянии ( геологическом
разрезе) крайне ограничено.
За исключением находок микрометеоритов в
известняках нижнего ордовика (480 млн. лет т.н.) [Schmitz
et al., 1997] достоверных изотопно-геохимических
доказательств существования древнего космического
вещества нет, хотя оно несомненно существует в
геологическом разрезе.
Полное отсутствие данных по геохимии и изотопии
мономинеральных фракций космического вещества в
ископаемом состоянии делает невозможным проведение
сравнительного анализа межпланетной и ископаемой
пыли на Земле.
Воспроизводимость результатов - главное условие
Уроки истории изучения космических событий на границе Р/Т (251 млн.
лет т.н.)
Bowring, Erwin, 1998
В слое 25 разреза Мейшань Л. Бекккер [Becker et al.,
2001] в 2 образцах обнаружила фуллерены с
хондритовым отношением 3Не/4Не (концентрация 3He
0.052х10(-12) куб.см/г.
Повторное изучение того же слоя в разрезах
Мейшань (15 образцов) и Шангси (6 образцов)
показало, что концентрация Не составляет 0.005 х10(-12)
куб.см/г, т.е. в 100 раз ниже [Farley, Mukhopadhyay, 2001].
Fe-Ni-Si частицы из пограничного слоя на Р/Т границе
[Basu et al., 2003].
A – разрез Мейшань, Китай; В – разрез Графит Пик, Антарктида
(николи Х).
А - 70% зерен содержат Fe (98100%),в остальных зернах
обнаружен Ni (до 0.2%), Cr ( до
0.6%) и Si до (до 0.39%).
В – частицы Fe,Ni,P,Si;
сульфиды Fe, Ni.
Kaiho et al., 2001 End-Permian catastrophe by a bolide impact
:
Содержание As, Cu, Ni и других
элементов на границе Р/Т в
Словении [Dolenec et al., 2001].
Аномальных содержаний Ir в
разрезе на границе Р/Т нигде не
было обнаружено.
Роль вулканизма, связанного с
мантийным плюмом 251 млн. лет
т.н., в объяснении геохимических
особенностей осадков на Р/Т
границе.
Изучение космической пыли в ископаемом
состоянии требует организации
междисциплинарных исследований на
международном уровне.
Необходимым условием работы является
воспроизводимость результатов, что
подразумевает контрольные исследования
образцов в разных лабораториях.
Главная первоочередная задача –
организация межведомственной лаборатории, в
которой будет производиться пробоподготовка
образцов для аналитических исследований по
единой методике и их изучение.
Главные проблемы, над которой должна работать
будущая лаборатория, заключаются в исследовании:
1. вариаций состава и скорости накопления
космической пыли в истории Земли, начиная
с древнейших пород с возрастом 3.9 млрд.лет,
2. влияния космической пыли на развитие биосферы,
3. выявлении следов межпланетной пыли на Земле.