W latach 2003-2008. Grupa rosyjskich i austriackich naukowców z udziałem Heinza Kohlmanna, znanego paleontologa i kuratora Parku Narodowego Eisenwurzen, badała katastrofę, która wydarzyła się 65 milionów lat temu, kiedy wyginęło ponad 75% wszystkich organizmów na Ziemi, w tym dinozaurów. Większość badaczy uważa, że wymarcie było związane z uderzeniem asteroidy, chociaż istnieją inne punkty widzenia
Ślady tej katastrofy na odcinkach geologicznych reprezentuje cienka warstwa czarnej gliny o grubości od 1 do 5 cm Jeden z tych odcinków znajduje się w Austrii, we wschodnich Alpach, w Parku Narodowym w pobliżu miasteczka Gams, położonego 200 km na południowy zachód od Wiednia. W wyniku badań próbek z tego odcinka przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego stwierdzono cząstki o nietypowym kształcie i składzie, które nie tworzą się w warunkach gruntowych i należą do pyłu kosmicznego.
Gwiezdny pył na Ziemi
Po raz pierwszy ślady materii kosmicznej na Ziemi zostały odkryte w czerwonych glinach głębinowych przez angielską ekspedycję, która badała dno Oceanu Światowego na statku Challenger (1872–1876). Zostały one opisane przez Murraya i Renarda w 1891 roku. Na dwóch stacjach na południowym Pacyfiku, podczas pogłębiania z głębokości 4300 m, odzyskano próbki bryłek ferromanganu i mikrosfer magnetycznych o średnicy do 100 µm, zwanych później „kulami kosmicznymi”. Jednak szczegóły żelaznych mikrosfer zebranych przez ekspedycję Challengera zostały zbadane dopiero w ostatnich latach. Okazało się, że kulki składają się w 90% z metalicznego żelaza, w 10% z niklu, a ich powierzchnia pokryta jest cienką warstwą tlenku żelaza.
Postać: 1. Monolit z sekcji Gams 1, przygotowany do pobierania próbek. Warstwy w różnym wieku są oznaczone literami łacińskimi. Litera „J” oznaczono przejściową warstwę gliny między okresem kredy i paleogenu (około 65 mln lat), w której stwierdzono nagromadzenie metalowych mikrosfer i płyt. Zdjęcie: A. F. Gracheva
Odkrycie tajemniczych kul w glinach głębinowych jest w rzeczywistości związane z początkiem badań kosmicznej materii na Ziemi. Jednak eksplozja zainteresowania badaczy tym problemem nastąpiła po pierwszych startach statków kosmicznych, za pomocą których można było wyselekcjonować księżycową glebę i próbki cząstek pyłu z różnych części Układu Słonecznego. Dzieła K. P. Florensky (1963), który badał ślady katastrofy w Tunguskiej i E. L. Krinov (1971), który badał pył meteorytów w miejscu upadku meteorytu Sikhote-Alin.
Film promocyjny:
Zainteresowanie badaczy mikrosferami metali doprowadziło do tego, że zaczęto je znajdować w skałach osadowych o różnym wieku i pochodzeniu. Mikrosfery metali znajdują się w lodzie Antarktydy i Grenlandii, w osadach głębinowych oceanów i grudkach manganu, w piaskach pustyń i plażach przybrzeżnych. Często można je znaleźć w kraterach meteorytowych i wokół nich.
W ostatnim dziesięcioleciu mikrosfery metali pochodzenia pozaziemskiego zostały znalezione w skałach osadowych w różnym wieku: od dolnego kambru (około 500 milionów lat temu) po współczesne formacje.
Dane o mikrosferach i innych cząstkach ze starożytnych osadów pozwalają ocenić objętości, a także równomierność lub nierównomierność napływu materii kosmicznej na Ziemię, zmianę składu cząstek docierających na Ziemię z kosmosu oraz pierwotne źródła tej substancji. Jest to ważne, ponieważ procesy te wpływają na rozwój życia na Ziemi. Wiele z tych pytań jest wciąż dalekich od rozwiązania, ale nagromadzenie danych i ich kompleksowe badanie niewątpliwie pozwolą na udzielenie na nie odpowiedzi.
Obecnie wiadomo, że całkowita masa pyłu krążącego wewnątrz orbity Ziemi wynosi około 1015 t. Na powierzchnię Ziemi spada rocznie od 4 do 10 tysięcy ton materii kosmicznej. 95% materii spadającej na powierzchnię Ziemi składa się z cząstek o wielkości 50–400 mikronów. Pytanie, jak zmienia się tempo napływu materii kosmicznej na Ziemię w czasie, pozostaje kontrowersyjne do dziś, pomimo wielu badań przeprowadzonych w ciągu ostatnich 10 lat.
Opierając się na wielkości cząstek pyłu kosmicznego, obecnie emitowany jest rzeczywisty pył kosmiczny międzyplanetarny o wielkości poniżej 30 mikronów i mikrometeorytach większych niż 50 mikronów. Jeszcze wcześniej E. L. Krinov zaproponował nazwanie najmniejszych fragmentów ciała meteorytu stopionego z powierzchniowych mikrometeorytów.
Ścisłe kryteria rozróżniania cząstek pyłu kosmicznego i cząstek meteorytu nie zostały jeszcze opracowane, a nawet na przykładzie badanej przez nas sekcji Gams wykazano, że cząstki metali i mikrosfery są bardziej zróżnicowane pod względem kształtu i składu niż przewidują to istniejące klasyfikacje. Prawie doskonały kulisty kształt, metaliczny połysk i właściwości magnetyczne cząstek uznano za dowód ich kosmicznego pochodzenia. Według geochemika E. V. Sobotowicza, „jedynym morfologicznym kryterium oceny kosmogenności badanego materiału jest obecność stopionych kul, w tym magnetycznych”. Jednak oprócz formy, która jest niezwykle zróżnicowana, fundamentalne znaczenie ma skład chemiczny substancji. Naukowcy odkryliże wraz z mikrosferami pochodzenia kosmicznego istnieje ogromna liczba kulek o innej genezie - związanej z aktywnością wulkaniczną, żywotną aktywnością bakterii czy metamorfizmem. Wiadomo, że mikrosfery żelaziste pochodzenia wulkanicznego znacznie rzadziej mają idealny kształt kulisty, a ponadto mają zwiększoną domieszkę tytanu (Ti) (ponad 10%).
Rosyjsko-austriacka grupa geologów i ekipa filmowa z wiedeńskiej telewizji w sekcji Gams we wschodnich Alpach. Na pierwszym planie - A. F. Grachev
Pochodzenie kosmicznego pyłu
Pochodzenie kosmicznego pyłu jest nadal przedmiotem dyskusji. Profesor E. V. Sobotowicz uważał, że kosmiczny pył może być pozostałością po pierwotnym obłoku protoplanetarnym, który B. Yu. Levin i A. N. Simonenko, wierząc, że drobna materia nie może trwać długo (Earth and Universe, 1980, nr 6).
Jest inne wytłumaczenie: powstawanie kosmicznego pyłu wiąże się z niszczeniem asteroid i komet. Jak zauważył E. V. Sobotowicza, jeśli ilość kosmicznego pyłu dostającego się do Ziemi nie zmienia się w czasie, to B. Yu. Levin i A. N. Symonenko.
Mimo dużej liczby opracowań nie można obecnie udzielić odpowiedzi na to fundamentalne pytanie, ponieważ szacunków ilościowych jest bardzo niewiele, a ich dokładność budzi kontrowersje. Niedawno dane z badań izotopów w ramach programu NASA dotyczącego cząstek pyłu kosmicznego pobranych w stratosferze sugerują istnienie cząstek pochodzenia przedsłonecznego. W składzie tego pyłu znaleziono minerały takie jak diament, moissanit (węglik krzemu) i korund, które zgodnie z izotopami węgla i azotu pozwalają przypisać ich powstanie czasowi przed powstaniem Układu Słonecznego.
Znaczenie badania pyłu kosmicznego w sekcji geologicznej jest oczywiste. W artykule przedstawiono pierwsze wyniki badań materii kosmicznej w przejściowej warstwie gliny na granicy kredy i paleogenu (65 mln lat temu) z sekcji Gams w Alpach Wschodnich (Austria).
Ogólna charakterystyka sekcji Gams
Cząstki pochodzenia kosmicznego uzyskano z kilku odcinków warstw przejściowych między kredą a paleogenem (w literaturze germańskiej - granica K / T), położonych w pobliżu alpejskiej wioski Gams, gdzie rzeka o tej samej nazwie w kilku miejscach otwiera tę granicę.
W odcinku Gams 1 z odsłonięcia wycięto monolit, w którym granica K / T jest bardzo dobrze wyrażona. Jego wysokość to 46 cm, szerokość - 30 cm w dolnej części i 22 cm - w górnej, grubość - 4 cm Dla ogólnego badania przekroju monolit podzielono po 2 cm (od dołu do góry) na warstwy oznaczone literami alfabetu łacińskiego (A, B, C … W), aw obrębie każdej warstwy, również po 2 cm, wykonuje się znakowanie numerami (1, 2, 3 itd.). Bardziej szczegółowo zbadano warstwę przejściową J na granicy faz K / T, gdzie zidentyfikowano sześć podwarstw o grubości około 3 mm.
Wyniki badań uzyskane w sekcji Gams 1 zostały w dużej mierze powtórzone podczas badania innej sekcji - Gams 2. Kompleks badań obejmował badanie przekrojów cienkich i frakcji monomineralnych, ich analizę chemiczną, a także fluorescencję rentgenowską, aktywację neutronów i rentgenowskie analizy strukturalne, izotopowe. analiza helu, węgla i tlenu, oznaczanie składu minerałów na mikrosondach, analiza magnetomineralogiczna.
Różnorodność mikrocząstek
Mikrosfery żelaza i niklu z warstwy przejściowej między kredą a paleogenem na odcinku Gams: 1 - mikrosfera Fe o gruboziarnistej siatkowatej powierzchni (górna część warstwy przejściowej J); 2 - Mikrosfera Fe z chropowatą, wzdłużnie równoległą powierzchnią (dolna część warstwy przejściowej J); 3 - Mikrosfera Fe z krystalograficznymi elementami fasetującymi i gruboziarnistą siatkową teksturą powierzchni (warstwa M); 4 - Mikrosfera Fe z cienką powierzchnią siatki (górna część warstwy przejściowej J); 5 - mikrosfera Ni z krystalitami na powierzchni (górna część warstwy przejściowej J); 6 - agregat spiekanych mikrosfer Ni z krystalitami na powierzchni (górna część warstwy przejściowej J); 7 - agregat mikrosfer Ni z mikrodiamentami (C; górna część warstwy przejściowej J); 8,9 - charakterystyczne formy cząstek metali z warstwy przejściowej między kredą a paleogenem na odcinku Gams w Alpach Wschodnich.
W przejściowej warstwie gliny między dwiema granicami geologicznymi - kredą i paleogenem, a także na dwóch poziomach w osadach leżących powyżej paleocenu w sekcji Gams, znaleziono wiele cząstek metali i mikrosfer pochodzenia kosmicznego. Są one znacznie bardziej zróżnicowane pod względem kształtu, tekstury powierzchni i składu chemicznego niż wszystkie znane dotychczas w przejściowych warstwach gliny z tego wieku w innych regionach świata.
W sekcji Gams materię kosmiczną reprezentują drobno zdyspergowane cząstki o różnych kształtach, wśród których najczęściej spotykane są mikrosfery magnetyczne o wielkości od 0,7 do 100 μm, składające się w 98% z czystego żelaza. Takie cząstki w postaci kulek lub mikrosferul występują w dużych ilościach nie tylko w warstwie J, ale także powyżej, w iłach paleocenu (warstwy K i M).
Mikrosfery składają się z czystego żelaza lub magnetytu, z których niektóre zawierają chrom (Cr), stop żelaza i niklu (awaruit) oraz czysty nikiel (Ni). Niektóre cząstki Fe-Ni zawierają zanieczyszczenia molibdenem (Mo). W przejściowej warstwie gliny między kredą a paleogenem wszystkie zostały odkryte po raz pierwszy.
Nigdy wcześniej nie spotkaliśmy się z cząstkami o dużej zawartości niklu i znaczącej domieszce molibdenu, mikrosfer z obecnością chromu i kawałków spiralnego żelaza. Oprócz mikrosfer i cząstek metali, w przejściowej warstwie gliny w Gamsach znaleziono spinel Ni, mikrodiamenty z mikrosferami czystego Ni, a także podarte płytki Au, Cu, których nie znaleziono w osadach leżących poniżej i powyżej.
Charakterystyka mikrocząstek
Metaliczne mikrosfery w sekcji Gams są obecne na trzech poziomach stratygraficznych: żelaziste cząstki o różnych kształtach są skoncentrowane w przejściowej warstwie gliny, w leżących nad nią drobnoziarnistych piaskowcach warstwy K, a trzeci poziom tworzą mułowce warstwy M.
Niektóre kule mają gładką powierzchnię, inne mają powierzchnię kratowo-guzowatą, a inne pokryte są siecią małych wielokątów lub układem równoległych pęknięć rozciągających się od jednej głównej szczeliny. Są wydrążone, przypominające muszle, wypełnione minerałami ilastymi i mogą mieć również wewnętrzną koncentryczną strukturę. Cząsteczki metali żelaznych i mikrosfery znajdują się w całej przejściowej warstwie gliny, ale są skoncentrowane głównie w dolnym i środkowym poziomie.
Mikrometeoryty to stopione cząstki czystego żelaza lub stopu żelazowo-niklowego Fe-Ni (awaruit); ich rozmiary wynoszą od 5 do 20 mikronów. Liczne cząstki awaruitu są ograniczone do górnego poziomu warstwy przejściowej J, podczas gdy czyste cząstki żelaziste są obecne w dolnej i górnej części warstwy przejściowej.
Cząsteczki w postaci płytek o krzyżowo-bulwiastej powierzchni składają się wyłącznie z żelaza, ich szerokość wynosi 10–20 µm, a długość do 150 µm. Są lekko łukowate i spotykają się u podstawy warstwy przejściowej J. W jej dolnej części spotyka się również płytki Fe-Ni z domieszką Mo.
Płyty ze stopu żelaza i niklu mają wydłużony kształt, lekko zakrzywiony, z podłużnymi rowkami na powierzchni, wymiary różnią się długością od 70 do 150 mikrometrów przy szerokości około 20 mikrometrów. Występują częściej w dolnej i środkowej części warstwy przejściowej.
Płyty żelaziste z podłużnymi rowkami mają identyczny kształt i rozmiar jak płyty ze stopu Ni-Fe. Są ograniczone do dolnej i środkowej części warstwy przejściowej.
Szczególnie interesujące są cząsteczki czystego żelaza, które mają kształt regularnej spirali i są wygięte w kształt haczyka. Składają się głównie z czystego Fe, rzadko jest to stop Fe-Ni-Mo. Zwinięte cząstki żelaza znajdują się w górnej części warstwy J oraz w leżącej nad nią międzywarstwie z piaskowca (warstwa K). Helikalną cząstkę Fe-Ni-Mo znaleziono u podstawy warstwy przejściowej J.
W górnej części warstwy przejściowej J znajdowało się kilka ziaren mikro diamentów spiekanych z mikrosferami Ni. Badania mikrosond kul niklowych przeprowadzone na dwóch instrumentach (spektrometrach z dyspersją fal i energii) wykazały, że kulki te składają się z prawie czystego niklu pod cienką warstwą tlenku niklu. Powierzchnia wszystkich kulek niklu jest usiana przezroczystymi krystalitami z wyraźnymi bliźniakami o wielkości 1–2 µm. Taki czysty nikiel w postaci kulek o dobrze skrystalizowanej powierzchni nie występuje ani w skałach magmowych, ani w meteorytach, gdzie nikiel z konieczności zawiera znaczną ilość zanieczyszczeń.
W badaniach monolitu z odcinka Gams 1 czyste sfery Ni znaleziono tylko w najwyższej części warstwy przejściowej J (w jej najwyższej części - bardzo cienkiej warstwie osadowej J 6, której grubość nie przekracza 200 μm), a według danych termomagnetycznej analizy nikiel metaliczny występuje w warstwa przejściowa, zaczynając od podwarstwy J4. Tutaj, wraz z kulkami Ni, znaleziono również diamenty. W warstwie usuniętej z sześcianu o powierzchni 1 cm2 liczba znalezionych ziaren diamentu wynosi dziesiątki (o wielkości od ułamków mikronów do kilkudziesięciu mikronów), a kulki niklu o tej samej wielkości - w setkach.
W próbkach z górnej części warstwy przejściowej pobranych bezpośrednio z odsłonięcia znaleziono diamenty z drobnymi cząstkami niklu na powierzchni ziarna. Istotne jest, że podczas badania próbek z tej części warstwy J ujawniono również obecność mineralnego moissanitu. Wcześniej w meksykańskiej warstwie przejściowej na granicy kredy i paleogenu znajdowano mikrodiamenty.
Znajduje się w innych obszarach
Mikrosfery Gamsa o koncentrycznej strukturze wewnętrznej są podobne do tych, które zostały wydobyte podczas ekspedycji Challenger w głębinowych glinach Oceanu Spokojnego.
Cząsteczki żelaza o nieregularnym kształcie z przetopionymi krawędziami, a także w postaci spirali i zakrzywionych haczyków i płyt, są bardzo podobne do produktów zniszczenia meteorytów spadających na Ziemię, można je uznać za żelazne meteoryty. Cząsteczki awaruitu i czystego niklu można przypisać do tej samej kategorii.
Zakrzywione cząsteczki żelaza są zbliżone do różnych form łez Pele - kropli lawy (lapilli), których wulkany wyrzucają z otworu wentylacyjnego podczas erupcji w stanie ciekłym.
Tak więc przejściowa warstwa gliny w Gams ma niejednorodną strukturę i jest wyraźnie podzielona na dwie części. W dolnej i środkowej części przeważają cząsteczki żelaza i mikrosfery, natomiast górna część warstwy wzbogacona jest o nikiel: cząsteczki awaruitu i mikrosfery niklu z diamentami. Potwierdzają to nie tylko rozkład cząstek żelaza i niklu w glinie, ale także dane z analiz chemicznych i termomagnetycznych.
Porównanie danych z analizy termomagnetycznej i analizy mikrosond wskazuje na skrajną niejednorodność w rozkładzie niklu, żelaza i ich stopów w warstwie J, jednak zgodnie z wynikami analizy termomagnetycznej czysty nikiel jest rejestrowany tylko w warstwie J4. Na uwagę zasługuje fakt, że żelazo helikalne występuje głównie w górnej części warstwy J i nadal występuje w pokrywającej ją warstwie K, gdzie występuje jednak niewiele izometrycznych lub lamelarnych cząstek Fe, Fe-Ni.
Podkreślmy, że tak wyraźne zróżnicowanie żelaza, niklu i irydu, przejawiające się w przejściowej warstwie gliny w Gamsie, występuje także w innych regionach. Na przykład w amerykańskim stanie New Jersey w przejściowej (6 cm) warstwie kulistej anomalia irydu ujawniła się ostro u podstawy, a minerały uderzeniowe są skoncentrowane tylko w górnej (1 cm) części tej warstwy. Na Haiti, na granicy kredy i paleogenu oraz w najwyższej części warstwy kulistej, występuje ostre wzbogacenie w Ni i kwarc szokowy.
Zjawisko tła dla Ziemi
Wiele cech znalezionych kulek Fe i Fe-Ni jest podobnych do kul odkrytych podczas ekspedycji Challenger w głębinowych glinach Oceanu Spokojnego, w rejonie katastrofy Tunguska oraz w miejscach upadku meteorytu Sikhote-Alin i meteorytu Nio w Japonii, a także w skałach osadowych pochodzących z różnych epok. obszary świata. Oprócz rejonów katastrofy Tunguskiej i upadku meteorytu Sikhote-Alin, we wszystkich innych przypadkach tworzenie się nie tylko sferul, ale także cząstek o różnej morfologii, składających się z czystego żelaza (czasami z zawartością chromu) i stopu niklu z żelazem, nie ma związku ze zdarzeniem uderzeniowym. Pojawienie się takich cząstek traktujemy jako efekt kosmicznego pyłu międzyplanetarnego spadającego na powierzchnię Ziemi - proces, który trwa nieprzerwanie od czasu powstania Ziemi i jest rodzajem zjawiska tła.
Wiele cząstek badanych w sekcji Gams ma skład zbliżony do ogólnego składu chemicznego materii meteorytu w miejscu upadku meteorytu Sikhote-Alin (według E. L. Krinova jest to 93,29% żelaza, 5,94% niklu, 0,38% kobaltu).
Obecność molibdenu w niektórych cząstkach nie jest nieoczekiwana, ponieważ obejmuje wiele rodzajów meteorytów. Zawartość molibdenu w meteorytach (żelazo, kamień i chondryty węglowe) waha się od 6 do 7 g / t. Najważniejsze z nich to znalezisko molibdenitu w meteorycie Allende w postaci inkluzji w stopie o następującym składzie metali (% wag.): Fe - 31,1, Ni - 64,5, Co - 2,0, Cr - 0,3, V - 0,5, P - 0,1. Należy zauważyć, że rodzimy molibden i molibdenit znaleziono również w pyle księżycowym pobranym przez automatyczne stacje Luna-16, Luna-20 i Luna-24.
Pierwsze odkryte kule czystego niklu o dobrze skrystalizowanej powierzchni nie są znane ani w skałach magmowych, ani w meteorytach, gdzie nikiel z konieczności zawiera znaczną ilość zanieczyszczeń. Taka struktura powierzchni kulek niklowych mogłaby powstać w przypadku upadku asteroidy (meteorytu), co doprowadziło do uwolnienia energii, która umożliwiła nie tylko stopienie materiału spadającego ciała, ale także jego odparowanie. Eksplozja mogła unieść opary metalu na dużą wysokość (prawdopodobnie dziesiątki kilometrów), gdzie miała miejsce krystalizacja.
Cząstki składające się z awaruitu (Ni3Fe) znaleziono razem z metalowymi kulkami niklu. Należą do pyłu meteorytów, a cząstki stopionego żelaza (mikrometeoryty) należy uważać za „pył meteorytów” (w terminologii EL Krinova). Kryształy diamentu napotkane razem z kulkami niklu prawdopodobnie powstały w wyniku ablacji (topnienia i parowania) meteorytu z tej samej chmury par podczas jego późniejszego chłodzenia. Wiadomo, że diamenty syntetyczne otrzymywane są przez spontaniczną krystalizację z roztworu węgla w roztopionym metalu (Ni, Fe) powyżej linii równowagi faz grafit - diament w postaci pojedynczych kryształów, ich przerostów, bliźniaków, agregatów polikrystalicznych, kryształów ramowych, kryształków w kształcie igieł, nieregularnych ziaren. W badanej próbce stwierdzono prawie wszystkie wymienione cechy typomorficzne kryształów diamentu.
To pozwala wnioskować, że procesy krystalizacji diamentu w chmurze oparów niklu i węgla podczas jego chłodzenia oraz spontanicznej krystalizacji z roztworu węgla w stopionym niklu w doświadczeniach są podobne. Ostatecznego wniosku o naturze diamentu można jednak wysnuć po szczegółowych badaniach izotopowych, do których konieczne jest uzyskanie dostatecznie dużej ilości substancji.
Tak więc badanie materii kosmicznej w przejściowej warstwie gliny na granicy kredy i paleogenu wykazało jej obecność we wszystkich jej częściach (od warstwy J1 do warstwy J6), ale oznaki zdarzenia zderzeniowego są rejestrowane tylko w warstwie J4, która ma 65 milionów lat. Tę warstwę kosmicznego pyłu można porównać ze śmiercią dinozaurów.