În perioada 2003-2008. Un grup de oameni de știință ruși și austrieci, cu participarea lui Heinz Kohlmann, un renumit paleontolog și curator al Parcului Național Eisenwurzen, a studiat o catastrofă care a avut loc în urmă cu 65 de milioane de ani, când mai mult de 75% din toate organismele de pe Pământ, inclusiv dinozaurii, au dispărut. Majoritatea cercetătorilor cred că dispariția a fost asociată cu un impact asteroid, deși există și alte puncte de vedere
Urmele acestei catastrofe în secțiuni geologice sunt reprezentate de un strat subțire de argilă neagră de la 1 la 5 cm grosime. Una dintre aceste secțiuni se află în Austria, în Alpii de Est, în Parcul Național de lângă micul oraș Gams, situat la 200 km sud-vest de Viena. În urma studierii probelor din această secțiune folosind un microscop electronic cu scanare, s-au găsit particule de formă și compoziție neobișnuite, care nu se formează în condiții de sol și sunt clasificate ca praf cosmic.
Praful de stele pe Pământ
Pentru prima dată, urme de materie spațială pe Pământ au fost descoperite în argile roșii de adâncime de către o expediție engleză care a explorat fundul Oceanului Mondial pe nava Challenger (1872–1876). Au fost descrise de Murray și Renard în 1891. La două stații din Oceanul Pacific de Sud, când dragarea de la o adâncime de 4300 m, au fost ridicate probe de noduli de feromanganeză și microsfere magnetice cu diametrul de până la 100 µm, numite ulterior „bile spațiale”. Cu toate acestea, detaliile microsferelor de fier ridicate de expediția Challenger au fost cercetate abia în ultimii ani. S-a dovedit că bilele sunt 90% fier metalic, 10% nichel, iar suprafața lor este acoperită cu o crustă subțire de oxid de fier.
Figura: 1. Monolit din secțiunea Gams 1, pregătit pentru eșantionare. Straturile de diferite vârste sunt indicate în litere latine. Stratul de argilă de tranziție între perioadele Cretacic și Paleogen (vechi de aproximativ 65 de milioane de ani), în care s-a găsit o acumulare de microsfere și plăci metalice, este marcat cu litera „J”. Fotografie de A. F. Gracheva
De fapt, descoperirea unor bile misterioase în argile de adâncime este asociată cu începutul studiului materiei cosmice de pe Pământ. Cu toate acestea, o explozie de interes în rândul cercetătorilor pentru această problemă a avut loc după primele lansări de nave spațiale, cu ajutorul cărora a devenit posibilă selectarea solului lunar și a probelor de particule de praf din diferite părți ale sistemului solar. Lucrările lui K. P. Florensky (1963), care a studiat urmele catastrofei de la Tunguska, și E. L. Krinov (1971), care a studiat praful meteoric la locul căderii meteoritului Sikhote-Alin.
Video promotional:
Interesul cercetătorilor pentru microsferele metalice a dus la faptul că acestea au început să fie găsite în roci sedimentare de diferite vârste și origini. Microsferele metalice se găsesc în gheața din Antarctica și Groenlanda, în sedimentele adânci ale oceanului și în nodulii de mangan, în nisipurile deșerturilor și plajele de coastă. Ele se găsesc adesea în și în jurul craterelor meteorite.
În ultimul deceniu, microsfere metalice de origine extraterestră au fost găsite în roci sedimentare de diferite vârste: de la Cambrian inferior (acum aproximativ 500 de milioane de ani) până la formațiuni moderne.
Datele privind microsferele și alte particule din sedimentele antice fac posibilă judecarea volumelor, precum și a uniformității sau a denivelărilor afluxului de materie cosmică pe Pământ, modificarea compoziției particulelor care ajung pe Pământ din spațiu și sursele primare ale acestei substanțe. Acest lucru este important deoarece aceste procese afectează dezvoltarea vieții pe Pământ. Multe dintre aceste întrebări sunt încă departe de a fi soluționate, dar acumularea de date și studiul lor cuprinzător le vor permite, fără îndoială, să li se răspundă.
Se știe acum că masa totală de praf care circulă în interiorul orbitei terestre este de aproximativ 1015 tone. De la 4 la 10 mii tone de materie cosmică cade anual pe suprafața Pământului. 95% din materia care cade pe suprafața Pământului este formată din particule de 50-400 microni. Întrebarea despre modul în care rata de intrare a materiei cosmice pe Pământ se schimbă în timp rămâne controversată până acum, în ciuda numeroaselor studii efectuate în ultimii 10 ani.
Pe baza dimensiunii particulelor de praf cosmic, în prezent, praful cosmic interplanetar real este emis cu o dimensiune mai mică de 30 microni și micrometeoriți mai mari de 50 microni. Chiar mai devreme E. L. Krinov a propus să numească cele mai mici fragmente ale unui corp meteoric topite de la suprafață micrometeoriți.
Criteriile stricte pentru a distinge praful cosmic și particulele de meteorit nu au fost încă dezvoltate și chiar folosind exemplul secțiunii Gams studiat de noi, s-a demonstrat că particulele metalice și microsferele sunt mai diverse ca formă și compoziție decât cele prevăzute de clasificările existente. Forma sferică aproape perfectă, luciul metalic și proprietățile magnetice ale particulelor au fost considerate drept dovezi ale originii lor cosmice. Potrivit geochimistului E. V. Sobotovich, „singurul criteriu morfologic pentru evaluarea cosmogenității materialului studiat este prezența bilelor topite, inclusiv a celor magnetice”. Cu toate acestea, pe lângă forma, care este extrem de diversă, compoziția chimică a substanței este fundamental importantă. Cercetătorii au aflatcă, împreună cu microsferele de origine cosmică, există un număr imens de bile de o geneză diferită - asociate cu activitatea vulcanică, activitatea vitală a bacteriilor sau metamorfismul. Se știe că microsferele feruginoase de origine vulcanogenă au mult mai rar o formă sferică ideală și, în plus, au un amestec crescut de titan (Ti) (mai mult de 10%).
Un grup ruso-austriac de geologi și o echipă de filmare de la Vienna TV la secțiunea Gams din Alpii de Est. În prim-plan - A. F. Grachev
Originea prafului cosmic
Originea prafului cosmic este încă în discuție. Profesorul E. V. Sobotovich credea că praful cosmic ar putea reprezenta rămășițele norului protoplanetar original, împotriva căruia B. Yu. Levin și A. N. Simonenko, crezând că materia fină nu poate persista mult timp (Pământ și Univers, 1980, nr. 6).
Există o altă explicație: formarea prafului cosmic este asociată cu distrugerea asteroizilor și a cometelor. Așa cum E. V. Sobotovici, dacă cantitatea de praf cosmic care intră pe Pământ nu se schimbă în timp, atunci B. Yu. Levin și A. N. Symonenko.
În ciuda numărului mare de studii, răspunsul la această întrebare fundamentală nu poate fi dat în prezent, deoarece există foarte puține estimări cantitative, iar acuratețea lor este controversată. Recent, datele din studiile de izotopi din cadrul programului NASA privind particulele de praf cosmic prelevate în stratosferă sugerează existența particulelor de origine pre-solară. În compoziția acestui praf s-au găsit minerale precum diamantul, moissanita (carbură de siliciu) și corindonul, care, pe baza izotopilor de carbon și azot, fac posibilă atribuirea formării lor timpului anterior formării sistemului solar.
Importanța studierii prafului cosmic într-o secțiune geologică este evidentă. Acest articol prezintă primele rezultate ale studiului materiei spațiale în stratul de argilă de tranziție la limita Cretacic-Paleogen (acum 65 de milioane de ani) din secțiunea Gams, din Alpii de Est (Austria).
Caracteristicile generale ale secțiunii Gams
Particulele de origine cosmică au fost obținute din mai multe secțiuni ale straturilor de tranziție dintre Cretacic și Paleogen (în literatura germanică - limita K / T), situată în apropierea satului alpin Gams, unde râul cu același nume deschide această limită în mai multe locuri.
În secțiunea Gams 1, un afară a fost tăiat un monolit, în care limita K / T este foarte bine exprimată. Înălțimea sa este de 46 cm, lățimea - 30 cm în partea inferioară și 22 cm - în partea superioară, grosimea - 4 cm. Pentru un studiu general al secțiunii, monolitul a fost împărțit după 2 cm (de jos în sus) în straturi desemnate prin litere ale alfabetului latin (A, B, C … W), și în interiorul fiecărui strat, tot după 2 cm, se efectuează marcarea cu cifre (1, 2, 3 etc.). Stratul de tranziție J la interfața K / T a fost studiat mai detaliat, unde s-au distins șase substraturi cu o grosime de aproximativ 3 mm.
Rezultatele cercetărilor obținute în secțiunea Gams 1 s-au repetat în mare măsură la studierea unei alte secțiuni - Gams 2. Complexul de studii a inclus studiul secțiunilor subțiri și a fracțiilor monominerale, analiza lor chimică, precum și fluorescența cu raze X, activarea neutronilor și analizele structurale cu raze X, izotopice analiza heliului, carbonului și a oxigenului, determinarea compoziției mineralelor pe un microbuz, analiza magnetomineralogică.
Varietate de microparticule
Microsfere de fier și nichel din stratul de tranziție dintre Cretacic și Paleogen în secțiunea Gams: 1 - Microsferă Fe cu o suprafață grosieră reticular-nodulară (partea superioară a stratului de tranziție J); 2 - Microsferă Fe cu o suprafață paralelă longitudinală dură (partea inferioară a stratului de tranziție J); 3 - Microsferă Fe cu elemente de fațetare cristalografice și o textură superficială asemănătoare ochiurilor de plasă (stratul M); 4 - Microsferă Fe cu o suprafață subțire de plasă (partea superioară a stratului de tranziție J); 5 - Microsferă Ni cu cristalite la suprafață (partea superioară a stratului de tranziție J); 6 - agregat de microsfere Ni sinterizate cu cristalite la suprafață (partea superioară a stratului de tranziție J); 7 - agregat de microsfere Ni cu microdiamante (C; partea superioară a stratului de tranziție J); 8,9 - forme caracteristice ale particulelor de metal din stratul de tranziție dintre Cretacic și Paleogen în secțiunea Gams din Alpii de Est.
În stratul de tranziție de argilă dintre cele două limite geologice - Cretacic și Paleogen, precum și la două niveluri în sedimentele deasupra Paleocenului în secțiunea Gams, s-au găsit multe particule metalice și microsfere de origine cosmică. Ele sunt mult mai diverse ca formă, textură de suprafață și compoziție chimică decât toate cunoscute până acum în straturile de lut tranzitorii din această epocă în alte regiuni ale lumii.
În secțiunea Gams, materia spațială este reprezentată de particule fin dispersate de diferite forme, printre care cele mai frecvente sunt microsferele magnetice cu dimensiuni cuprinse între 0,7 și 100 μm, constând din 98% fier pur. Astfel de particule sub formă de bile sau microsferule se găsesc în număr mare nu numai în stratul J, ci și mai sus, în argile din paleocen (straturile K și M).
Microsferele sunt compuse din fier pur sau magnetit, dintre care unele conțin crom (Cr), un aliaj de fier și nichel (avaruit) și nichel pur (Ni). Unele particule de Fe-Ni conțin impurități de molibden (Mo). În stratul de tranziție de lut între Cretacic și Paleogen, toate au fost descoperite pentru prima dată.
Niciodată nu am întâlnit particule cu un conținut ridicat de nichel și un amestec semnificativ de molibden, microsfere cu prezență de crom și bucăți de fier în spirală. În plus față de microsfere și particule metalice, Ni-spinel, microdiamante cu microsfere de Ni pur, precum și plăci rupte de Au, Cu, care nu se găsesc în depozitele subiacente și suprapuse, au fost găsite în stratul de argilă de tranziție din Gams.
Caracteristicile microparticulelor
Microsferele metalice din secțiunea Gams sunt prezente la trei niveluri stratigrafice: particulele feruginoase de diferite forme sunt concentrate în stratul de argilă de tranziție, în gresii suprapuse cu granulație fină ale stratului K, iar al treilea nivel este format din siltstones ale stratului M.
Unele sfere au o suprafață netedă, altele au o suprafață cu zăbrele, iar altele sunt acoperite cu o rețea de mici poligonale sau un sistem de fisuri paralele care se extind de la o fisură principală. Ele sunt goale, asemănătoare cochiliei, umplute cu un mineral de argilă și pot avea, de asemenea, o structură concentrică internă. Particulele de metal Fe și microsferele se găsesc în întregul strat de argilă de tranziție, dar sunt concentrate în principal în orizonturile inferioare și medii.
Micrometeoriții sunt particule topite de fier pur sau un aliaj de fier-nichel Fe-Ni (avaruit); dimensiunile lor sunt de la 5 la 20 microni. Numeroase particule de avaruită sunt limitate la nivelul superior al stratului de tranziție J, în timp ce particulele feruginoase pure sunt prezente în părțile inferioare și superioare ale stratului de tranziție.
Particulele sub formă de plăci cu suprafața tuberculoasă încrucișată constau doar din fier, lățimea lor este de 10-20 µm, iar lungimea lor este de până la 150 µm. Acestea sunt ușor arcuite și se întâlnesc la baza stratului de tranziție J. Plăcile Fe-Ni cu impurități Mo se găsesc și în partea sa inferioară.
Plăcile realizate dintr-un aliaj de fier și nichel au o formă alungită, ușor curbată, cu caneluri longitudinale la suprafață, dimensiunile variază în lungime de la 70 la 150 microni cu o lățime de aproximativ 20 microni. Sunt mai frecvente în părțile inferioare și medii ale stratului de tranziție.
Plăcile feruginoase cu caneluri longitudinale sunt identice ca formă și dimensiune cu plăcile din aliaj Ni-Fe. Ele sunt limitate la părțile inferioare și mijlocii ale stratului de tranziție.
Particulele de fier pur, care au forma unei spirale regulate și sunt îndoite sub formă de cârlig, prezintă un interes deosebit. Acestea constau în principal din Fe pur, rareori este un aliaj Fe-Ni-Mo. Particulele de fier înfășurate se găsesc în partea superioară a stratului J și în stratul intermediar de gresie (strat K). O particulă elicoidală Fe-Ni-Mo a fost găsită la baza stratului de tranziție J.
În partea superioară a stratului de tranziție J, au existat mai multe boabe de microdiamante sinterizate cu microsfere Ni. Studiile efectuate pe microbuze ale bilelor de nichel, efectuate pe două instrumente (cu spectrometre de dispersie a undelor și energiei), au arătat că aceste bile constau din nichel aproape pur sub o peliculă subțire de oxid de nichel. Suprafața tuturor bilelor de nichel este presărată cu cristalite limpezi cu gemeni pronunțați cu dimensiuni de 1-2 mm. Un astfel de nichel pur sub formă de sfere cu o suprafață bine cristalizată nu se găsește nici în rocile magmatice, nici în meteoriți, unde nichelul conține în mod necesar o cantitate semnificativă de impurități.
La studierea monolitului din secțiunea Gams 1, bile de Ni pur au fost găsite numai în partea superioară a stratului de tranziție J (în partea sa superioară - un strat sedimentar foarte subțire J6, a cărui grosime nu depășește 200 μm) și, conform datelor analizei magnetice termice, nichelul metalic este prezent în strat de tranziție, începând cu substratul J4. Aici, împreună cu bile de Ni, au fost găsite și diamante. Într-un strat îndepărtat dintr-un cub cu o suprafață de 1 cm2, numărul de boabe de diamant găsite este în zeci (cu o dimensiune de la fracțiuni de microni la zeci de microni), și bile de nichel de aceeași dimensiune - în sute.
În probele din partea superioară a stratului de tranziție prelevate direct din afloriment, au fost găsite diamante cu particule fine de nichel pe suprafața bobului. Este semnificativ faptul că atunci când s-au studiat probe din această parte a stratului J, s-a relevat și prezența mineralului moissanit. Anterior, microdiamantele au fost găsite în stratul de tranziție la limita Cretacic-Paleogen din Mexic.
Găsiți în alte domenii
Microsferele lui Gams cu o structură internă concentrică sunt similare cu cele care au fost exploatate de expediția Challenger în argilele de adâncime ale Oceanului Pacific.
Particulele de fier de formă neregulată, cu margini topite, precum și sub formă de spirale și cârlige și plăci curbate sunt foarte asemănătoare cu produsele de distrugere a meteoriților care cad pe Pământ, pot fi considerate fier meteoric. Particulele de avaruit și nichel pur pot fi alocate aceleiași categorii.
Particulele de fier curbate sunt apropiate de diferite forme de lacrimi Pele - picături de lavă (lapilli), pe care vulcanii le evacuează din aerisire în timpul erupțiilor în stare lichidă.
Astfel, stratul de argilă de tranziție de la Gams are o structură eterogenă și este clar împărțit în două părți. În părțile inferioare și medii, particulele de fier și microsferele predomină, în timp ce partea superioară a stratului este îmbogățită cu nichel: particule avaruite și microsfere de nichel cu diamante. Acest lucru este confirmat nu numai de distribuția particulelor de fier și nichel în lut, ci și de datele analizelor chimice și termomagnetice.
Compararea datelor analizei termomagnetice și a analizei microbuzelor indică o eterogenitate extremă în distribuția nichelului, fierului și aliajului acestora în stratul J; totuși, conform rezultatelor analizei termomagnetice, nichelul pur este înregistrat numai din stratul J4. De remarcat este faptul că fierul elicoidal apare în principal în partea superioară a stratului J și continuă să apară în stratul K suprapus, unde, totuși, există puține particule izometrice sau lamelare de Fe, Fe-Ni.
Subliniem că o diferențiere atât de clară în fier, nichel și iridiu, manifestată în stratul de argilă de tranziție din Gams, este prezentă și în alte regiuni. De exemplu, în statul american New Jersey, în stratul sferulic de tranziție (6 cm), anomalia iridium s-a manifestat brusc la baza sa, iar mineralele de impact sunt concentrate doar în partea superioară (1 cm) a acestui strat. În Haiti, la limita Cretacic-Paleogen și în partea superioară a stratului sferul, există o îmbogățire bruscă în Ni și cuarț de șoc.
Fenomen de fundal pentru Pământ
Multe caracteristici ale sferulelor Fe și Fe-Ni găsite sunt similare cu bilele descoperite de expediția Challenger în argilele de mare adâncime ale Oceanului Pacific, în zona catastrofei Tunguska și în locurile de cădere ale meteoritului Sikhote-Alin și meteoritul Nio din Japonia, precum și în roci sedimentare de diferite vârste din multe zone ale lumii. Pe lângă regiunile catastrofei de la Tunguska și căderea meteoritului Sikhote-Alin, în toate celelalte cazuri formarea nu numai a sferulelor, ci și a particulelor de diverse morfologii, constând din fier pur (uneori cu un conținut de crom) și un aliaj de nichel cu fier, nu are nicio legătură cu evenimentul de impact. Considerăm apariția unor astfel de particule ca rezultat al prafului cosmic interplanetar care cade pe suprafața Pământului - un proces care se desfășoară continuu de la formarea Pământului și este un fel de fenomen de fond.
Multe particule studiate în secțiunea Gams au o compoziție apropiată de compoziția chimică brută a materiei meteorite la locul căderii meteoritului Sikhote-Alin (conform E. L. Krinov, acesta este 93,29% fier, 5,94% nichel, 0,38% cobalt).
Prezența molibdenului în unele particule nu este neașteptată, deoarece include multe tipuri de meteoriți. Conținutul de molibden din meteoriți (fier, piatră și condrite carbonice) variază între 6 și 7 g / t. Cea mai importantă a fost găsirea molibdenitei în meteoritul Allende sub forma unei includeri în aliaj a următoarei compoziții metalice (% în greutate): Fe - 31,1, Ni - 64,5, Co - 2,0, Cr - 0,3, V - 0,5, P - 0,1. Trebuie remarcat faptul că molibdenul și molibdenita native au fost găsite și în praful lunar prelevat de stațiile automate Luna-16, Luna-20 și Luna-24.
Primele sfere descoperite de nichel pur cu o suprafață bine cristalizată nu sunt cunoscute nici în rocile magmatice, nici în meteoriți, unde nichelul conține în mod necesar o cantitate semnificativă de impurități. O astfel de structură a suprafeței bilelor de nichel ar putea apărea în cazul căderii unui asteroid (meteorit), ceea ce a dus la eliberarea de energie, ceea ce a făcut posibilă nu numai topirea materialului corpului care cade, ci și evaporarea acestuia. Vaporii metalici ar fi putut fi ridicați de explozie la o înălțime mare (probabil zeci de kilometri), unde a avut loc cristalizarea.
Particulele compuse din avaruit (Ni3Fe) se găsesc împreună cu bile metalice de nichel. Acestea aparțin prafului meteoric, iar particulele de fier topit (micrometeoriți) ar trebui considerate „praf de meteorit” (în terminologia EL Krinov). Cristalele de diamant întâlnite împreună cu bile de nichel au apărut probabil ca urmare a ablației (topirii și evaporării) unui meteorit din același nor de vapori în timpul răcirii sale ulterioare. Se știe că diamantele sintetice sunt obținute prin cristalizare spontană dintr-o soluție de carbon într-o topitură metalică (Ni, Fe) deasupra liniei de echilibru a fazei grafit-diamant sub formă de cristale unice, creșterile lor, gemeni, agregate policristaline, cristale cadru, cristale în formă de ac, cereale neregulate. Aproape toate caracteristicile tipomorfe enumerate ale cristalelor de diamant au fost găsite în eșantionul studiat.
Acest lucru ne permite să concluzionăm că procesele de cristalizare a diamantului într-un nor de vapori de nichel-carbon în timpul răcirii sale și cristalizarea spontană dintr-o soluție de carbon într-o topire de nichel în experimente sunt similare. Cu toate acestea, concluzia finală despre natura diamantului poate fi făcută după studii izotopice detaliate, pentru care este necesar să se obțină o cantitate suficient de mare de substanță.
Astfel, studiul materiei spațiale în stratul argilos de tranziție la limita Cretacic-Paleogen și-a arătat prezența în toate părțile (de la stratul J1 până la stratul J6), dar semnele unui eveniment de impact sunt înregistrate numai din stratul J4, care are 65 de milioane de ani. Acest strat de praf cosmic poate fi comparat cu moartea dinozaurilor.
