Under 2003-2008. En grupp ryska och österrikiska forskare med deltagande av Heinz Kohlmann, en känd paleontolog och kurator för Eisenwurzen National Park, studerade en katastrof som hände för 65 miljoner år sedan, då mer än 75% av alla organismer på jorden, inklusive dinosaurier, dog ut. De flesta forskare tror att utrotningen var associerad med en asteroidpåverkan, även om det finns andra synpunkter
Spår av denna katastrof i geologiska sektioner representeras av ett tunt lager svart lera från 1 till 5 cm tjockt. En av dessa sektioner ligger i Österrike, i östra Alperna, i nationalparken nära den lilla staden Gams, som ligger 200 km sydväst om Wien. Som ett resultat av att studera proverna från detta avsnitt med hjälp av ett svepelektronmikroskop, hittades partiklar av ovanlig form och sammansättning, som inte bildas under markförhållanden och tillhör kosmiskt damm.
Stardust på jorden
För första gången upptäcktes spår av rymdfrågor på jorden i röda djuphavslera av en engelsk expedition som utforskade botten av världshavet på Challenger-skeppet (1872–1876). De beskrevs av Murray och Renard 1891. På två stationer i södra Stilla havet återhämtades prover av ferromangan-noduler och magnetiska mikrosfärer upp till 100 µm i diameter, senare kallade "rymdbollar" vid muddring från 4300 m djup. Uppgifterna om järnmikrosfärerna som uppkommit av Challenger-expeditionen har dock undersökts först de senaste åren. Det visade sig att kulorna är 90% metalliskt järn, 10% nickel och att deras yta är täckt med en tunn skorpa av järnoxid.
Figur: 1. Monolit från avsnittet Gams 1, förberedd för provtagning. Lager i olika åldrar anges med latinska bokstäver. Övergångslärskiktet mellan krita- och paleogenperioderna (ålder cirka 65 miljoner år), där en ansamling av mikrosfärer och plattor av metall hittades markeras med bokstaven "J". Foto av A. F. Gracheva
Upptäckten av mystiska bollar i djuphavslera är faktiskt associerad med början på studien av kosmisk materia på jorden. En explosion av intresse bland forskare för detta problem inträffade efter de första lanseringarna av rymdfarkoster, med hjälp av vilket det blev möjligt att välja månjord och prover av dammpartiklar från olika delar av solsystemet. K. P.s verk Florensky (1963), som studerade spåren efter Tunguskakatastrofen, och E. L. Krinov (1971), som studerade meteordamm på platsen för Sikhote-Alins meteorit.
Kampanjvideo:
Forskarnas intresse för metallmikrosfärer ledde till att de började hittas i sedimentära bergarter av olika åldrar och ursprung. Metallmikrosfärer finns i isen på Antarktis och Grönland, i djupa havssediment och manganknoder, i ökensand och kuststränder. De finns ofta i och runt meteoritkratrar.
Under det senaste decenniet har metallmikrosfärer av utomjordiskt ursprung hittats i sedimentära bergarter i olika åldrar: från Nedre Kambrium (för cirka 500 miljoner år sedan) till moderna formationer.
Data om mikrosfärer och andra partiklar från gamla sediment gör det möjligt att bedöma volymerna, liksom enhetligheten eller ojämnheten i tillströmningen av kosmisk materia till jorden, förändringen i sammansättningen av partiklar som kommer till jorden från rymden och de primära källorna till detta ämne. Detta är viktigt eftersom dessa processer påverkar utvecklingen av livet på jorden. Många av dessa frågor är fortfarande långt ifrån lösta, men ackumuleringen av data och deras omfattande studie kommer utan tvekan att göra det möjligt att svara på dem.
Det är nu känt att den totala dammmassan som cirkulerar inuti jordens omlopp är cirka 1015 ton. Från 4 till 10 tusen ton kosmisk materia faller årligen på jordytan. 95% av materialet som faller på jordytan består av partiklar på 50–400 mikron. Frågan om hur flödet av kosmisk materia till jorden förändras över tiden förblir kontroversiellt fram till nu, trots många studier som genomförts under de senaste tio åren.
Baserat på storleken på kosmiska dammpartiklar avges för närvarande det faktiska interplanetära kosmiska dammet med en storlek på mindre än 30 mikron och mikrometeoriter större än 50 mikron. Ännu tidigare E. L. Krinov föreslog att kalla de minsta fragmenten av en meteorisk kropp smält från ytan mikrometeoriter.
Stränga kriterier för att urskilja kosmiskt damm och meteoritpartiklar har ännu inte utvecklats, och till och med med hjälp av exemplet i avsnittet Gams som studerats av oss har det visat sig att metallpartiklar och mikrosfärer är mer olika i form och sammansättning än vad som föreskrivs i befintliga klassificeringar. Partiklarnas nästan perfekta sfäriska form, metalliska glans och magnetiska egenskaper betraktades som bevis på deras kosmiska ursprung. Enligt geokemisten E. V. Sobotovich, "det enda morfologiska kriteriet för att bedöma materialet som studeras är kosmogenitet är närvaron av kondenserade kulor, inklusive magnetiska kulor". Förutom formen, som är extremt varierad, är ämnets kemiska sammansättning avgörande. Forskarna fick reda på detatt det tillsammans med mikrosfärer av kosmiskt ursprung finns ett enormt antal bollar av olika ursprung - associerade med vulkanaktivitet, den vitala aktiviteten hos bakterier eller metamorfism. Det är känt att ferruginösa mikrosfärer av vulkaniskt ursprung är mycket mindre benägna att ha en ideal sfärisk form och dessutom har en ökad blandning av titan (Ti) (mer än 10%).
En rysk-österrikisk grupp geologer och ett filmbesättning från Wien TV vid Gams-sektionen i östra Alperna. I förgrunden - A. F. Grachev
Ursprunget till kosmiskt damm
Ursprunget till kosmiskt damm diskuteras fortfarande. Professor E. V. Sobotovich trodde att kosmiskt damm kunde representera resterna av det ursprungliga protoplanetära molnet, mot vilket B. Yu. Levin och A. N. Simonenko och trodde att fin materia inte kunde bestå länge (Jorden och universum, 1980, nr 6).
Det finns en annan förklaring: bildandet av kosmiskt damm är förknippat med förstörelsen av asteroider och kometer. Som noterats av E. V. Sobotovich, om mängden kosmiskt damm som kommer in i jorden inte förändras över tiden, så B. Yu. Levin och A. N. Symonenko.
Trots det stora antalet studier kan svaret på denna grundläggande fråga för närvarande inte ges, eftersom det finns mycket få kvantitativa uppskattningar och deras noggrannhet är kontroversiell. Nyligen antyder data från isotopstudier under NASA-programmet av kosmiska dammpartiklar som samplats i stratosfären förekomsten av partiklar av pre-sol-ursprung. I sammansättningen av detta damm hittades mineraler som diamant, moissanit (kiselkarbid) och korund, som enligt isotoperna av kol och kväve gör det möjligt att tillskriva deras bildning till tiden innan solsystemet bildades.
Vikten av att studera kosmiskt damm i ett geologiskt avsnitt är uppenbart. Den här artikeln presenterar de första resultaten av studien av rymdmaterial i övergångslerlagret vid krita-paleogengränsen (65 miljoner år sedan) från Gams-sektionen, i östra Alperna (Österrike).
Allmänna egenskaper för avsnittet Gams
Partiklar av rymdursprung erhölls från flera sektioner av övergångsskikten mellan krita och paleogen (i den germanska litteraturen - K / T-gränsen), som ligger nära den alpina byn Gams, där floden med samma namn på flera platser öppnar denna gräns.
I avsnittet Gams 1 skars en monolit från outcropen, där K / T-gränsen mycket väl uttrycks. Dess höjd är 46 cm, bredd - 30 cm i nedre delen och 22 cm - i den övre delen, tjocklek - 4 cm. För en allmän studie av sektionen delades monoliten efter 2 cm (från botten till toppen) i skikt betecknade med bokstäver i det latinska alfabetet (A, B, C … W), och inom varje lager, även efter 2 cm, görs en markering med siffror (1, 2, 3, etc.). Övergångsskiktet J vid K / T-gränssnittet studerades mer detaljerat, där sex underlag med en tjocklek av cirka 3 mm identifierades.
Forskningsresultaten som erhölls i avsnittet Gams 1 upprepades till stor del när man studerade ett annat avsnitt - Gams 2. Studiekomplexet omfattade studier av tunna sektioner och monominerala fraktioner, deras kemiska analys samt röntgenfluorescens, neutronaktivering och röntgenstrukturanalyser, isotopisk analys av helium, kol och syre, bestämning av mineralkompositionen i en mikroprobe, magnetomineralogisk analys.
Olika mikropartiklar
Järn- och nickelmikrosfärer från övergångsskiktet mellan krita och paleogen i Gams-sektionen: 1 - Fe-mikrosfär med en grov retikulär-tuberös yta (övre delen av övergångsskiktet J); 2 - Fe mikrosfär med en grov längsgående parallell yta (den nedre delen av övergångsskiktet J); 3 - Fe mikrosfär med kristallografiska fasetteringselement och en grov nätliknande ytstruktur (lager M); 4 - Fe-mikrosfär med en tunn meshyta (övre delen av övergångsskiktet J); 5 - Ni-mikrosfär med kristalliter på ytan (övre delen av övergångsskiktet J); 6 - aggregat av sintrade Ni-mikrosfärer med kristalliter på ytan (övre delen av övergångsskiktet J); 7 - aggregat av Ni-mikrosfärer med mikrodiamanter (C; överdel av övergångsskiktet J); 8,9 - karaktäristiska former av metallpartiklar från övergångsskiktet mellan krita och paleogen i Gams-sektionen i östra Alperna.
I övergångslärskiktet mellan de två geologiska gränserna - Krita och Paleogen, liksom på två nivåer i de överliggande sedimenten i Paleocen i Gams-sektionen, hittades många metallpartiklar och mikrosfärer av kosmiskt ursprung. De är mycket mer varierande i form, ytstruktur och kemisk sammansättning än alla hittills kända i övergångslärskikten i denna tid i andra regioner i världen.
I avsnittet Gams representeras rymdmaterial av finfördelade partiklar av olika former, bland vilka de vanligaste är magnetiska mikrosfärer som sträcker sig i storlek från 0,7 till 100 mikrometer, bestående av 98% rent järn. Sådana partiklar i form av kulor eller mikrosfärer finns i stort antal inte bara i skikt J utan också ovan i leror av Paleocen (skikt K och M).
Mikrosfärer består av rent järn eller magnetit, varav en del innehåller krom (Cr), en legering av järn och nickel (avaruite) och rent nickel (Ni). Vissa Fe-Ni-partiklar innehåller molybden (Mo) föroreningar. I övergångsskiktet av lera mellan krita och paleogen upptäcktes de alla för första gången.
Aldrig tidigare har vi stött på partiklar med högt nickelinnehåll och en betydande blandning av molybden, mikrosfärer med närvaro av krom och bitar av spiraljärn. Förutom metallmikrosfärer och partiklar hittades Ni-spinel, mikrodiamanter med mikrosfärer av rent Ni, såväl som sönderrivna plattor av Au, Cu, som inte finns i de underliggande och överliggande avsättningarna, i det övergående lerlagret i Gams.
Egenskaper hos mikropartiklar
Metalliska mikrosfärer i Gams-sektionen finns på tre stratigrafiska nivåer: ferruginösa partiklar av olika former koncentreras i övergångslerskiktet, i de överliggande finkorniga sandstenarna i K-skiktet, och den tredje nivån bildas av siltstenar i M-skiktet.
Vissa sfärer har en jämn yta, andra har en gitter-knobbig yta, och andra är täckta med ett nätverk av små polygonala eller ett system med parallella sprickor som sträcker sig från en huvudspricka. De är ihåliga, skalliknande, fyllda med lermineraler och kan också ha en inre koncentrisk struktur. Fe-metallpartiklar och mikrosfärer finns i hela övergångslärskiktet, men är huvudsakligen koncentrerade i nedre och mellanliggande horisonter.
Mikrometeoriter är sammansmälta partiklar av rent järn eller Fe-Ni järn-nickellegering (avaruite); deras storlekar är från 5 till 20 mikron. Många avaruitpartiklar är begränsade till den övre nivån av övergångsskiktet J, medan rena ferruginösa partiklar finns i de nedre och övre delarna av övergångsskiktet.
Partiklar i form av plattor med en tvär-tuberös yta består endast av järn, deras bredd är 10–20 µm och deras längd är upp till 150 µm. De är något bågformade och möts vid basen av övergångsskiktet J. I dess nedre del påträffas också Fe-Ni-plattor med en blandning av Mo.
Plattor av en legering av järn och nickel har en långsträckt form, något krökt, med längsgående spår på ytan, dimensionerna varierar i längd från 70 till 150 um med en bredd av cirka 20 um. De är vanligare i övergångsskiktets nedre och mellersta delar.
Ferruginösa plattor med längsgående spår har identisk form och storlek som Ni-Fe-legeringsplattor. De är begränsade till de nedre och mellersta delarna av övergångsskiktet.
Partiklar av rent järn, som har formen av en vanlig spiral och är böjda i form av en krok, är av särskilt intresse. De består huvudsakligen av ren Fe, sällan Fe-Ni-Mo-legering. Rullade järnpartiklar finns i den övre delen av J-skiktet och i det överliggande sandstensskiktet (K-skiktet). En spiralformad Fe-Ni-Mo-partikel hittades vid basen av övergångsskiktet J.
I den övre delen av övergångsskiktet J fanns flera korn av mikrodiamanter sintrade med Ni-mikrosfärer. Mikroprobstudier av nickelkulor, utförda på två instrument (med våg- och energidispersiva spektrometrar), visade att dessa kulor består av nästan rent nickel under en tunn film av nickeloxid. Ytan på alla nickelkulor är prickade med klara kristalliter med uttalade tvillingar 1–2 µm i storlek. Sådan ren nickel i form av sfärer med en välkristalliserad yta finns varken i vulkaniska bergarter eller i meteoriter, där nickel nödvändigtvis innehåller en betydande mängd föroreningar.
När man studerade monoliten från Gams 1-sektionen hittades bollar av rent Ni endast i den översta delen av övergångsskiktet J (i dess översta del - ett mycket tunt sedimentskikt J6, vars tjocklek inte överstiger 200 μm), och enligt data för termisk magnetisk analys finns metalliskt nickel i övergångsskikt, börjar med underskikt J4. Här, tillsammans med Ni-kulor, hittades också diamanter. I ett lager avlägsnat från en kub med en yta på 1 cm2 är antalet hittade diamantkorn i tiotalet (med en storlek från fraktioner av mikron till tiotals mikron) och nickelkulor av samma storlek - i hundratals.
I prover från den övre delen av övergångsskiktet som tagits direkt från utsidan hittades diamanter med fina nickelpartiklar på kornytan. Det är betydelsefullt att när man studerar prover från denna del av skikt J avslöjades också närvaron av mineral moissanit. Tidigare hittades mikrodiamanter i övergångsskiktet vid krita-paleogengränsen i Mexiko.
Hitta inom andra områden
Mikrosfärer med gams med en koncentrisk inre struktur liknar de som utvinns av Challenger-expeditionen i Stilla havets djuphavslera.
Järnpartiklar av oregelbunden form med smälta kanter, liksom i form av spiraler och böjda krokar och plattor, liknar mycket de produkter som förstörs av meteoriter som faller till jorden, de kan betraktas som meteoriskt järn. Partiklar av avaruite och rent nickel kan tilldelas samma kategori.
Böjda järnpartiklar ligger nära olika former av Pele-tårar - lavadroppar (lapilli), som vulkaner matar ut från ventilen under utbrott i flytande tillstånd.
Således har övergångslärskiktet vid Gams en heterogen struktur och är tydligt uppdelat i två delar. I de nedre och mellersta delarna råder järnpartiklar och mikrosfärer, medan den övre delen av skiktet berikas med nickel: avaruitpartiklar och nickelmikrosfärer med diamanter. Detta bekräftas inte bara av fördelningen av järn- och nickelpartiklar i leran utan också av data från kemiska och termomagnetiska analyser.
Jämförelse av data för termomagnetisk analys och mikroprobe-analys indikerar en extrem heterogenitet i fördelningen av nickel, järn och deras legering inom J-skiktet; enligt resultaten av termomagnetisk analys registreras emellertid rent nickel endast från J4-skiktet. Anmärkningsvärt är det faktum att spiralformigt järn förekommer huvudsakligen i den övre delen av J-skiktet och fortsätter att förekomma i K-skiktet över det, där det emellertid är få isometriska eller lamellära Fe, Fe-Ni-partiklar.
Låt oss betona att en sådan tydlig differentiering av järn, nickel och iridium, som manifesteras i övergångslerlagret i Gams, också finns i andra regioner. Till exempel i det amerikanska delstaten New Jersey, i det övergående (6 cm) sfäriska skiktet, manifesterade sig iridiumanomalin kraftigt vid basen, och slagmineraler koncentreras bara i den övre (1 cm) delen av detta lager. I Haiti, vid krita-paleogengränsen och i det översta delen av sfärulagret, finns det en kraftig anrikning av Ni och chockkvarts.
Bakgrundsfenomen för jorden
Många funktioner i de hittade Fe- och Fe-Ni-sfärerna liknar bollarna som upptäcktes av Challenger-expeditionen i djuphavslera i Stilla havet, i området Tunguska-katastrofen och fallplatserna i Sikhote-Alin-meteoriten och Nio-meteoriten i Japan, liksom i sedimentära bergarter i olika åldrar från många delar av världen. Förutom regionerna i Tunguska-katastrofen och fallet av Sikhote-Alin-meteoriten har bildandet av inte bara sfärer, utan också partiklar av olika morfologier, bestående av rent järn (ibland med krominnehåll) och en legering av nickel med järn, ingen anknytning till påverkan. Vi betraktar utseendet på sådana partiklar som ett resultat av att kosmiskt interplanetärt damm faller ner på jordytan - en process som har pågått kontinuerligt sedan jordens bildande och är ett slags bakgrundsfenomen.
Många av de partiklar som studerats i avsnittet Gams är nära sammansättningen av den kemiska sammansättningen av meteoritmaterialet på platsen för Sikhote-Alin-meteoritens nedgång (enligt E. L. Krinov är detta 93,29% järn, 5,94% nickel, 0,38% kobolt).
Förekomsten av molybden i vissa av partiklarna är inte oväntat eftersom den innehåller många typer av meteoriter. Halten av molybden i meteoriter (järn, sten och kolhaltiga kondriter) varierar från 6 till 7 g / ton. Det viktigaste var fyndet av molybdenit i Allende-meteoriten i form av en inkludering i legeringen av följande metallkomposition (viktprocent): Fe - 31,1, Ni - 64,5, Co - 2,0, Cr - 0,3, V - 0,5, P - 0,1. Det bör noteras att nativt molybden och molybdenit också hittades i månstoft som samplats av de automatiska stationerna Luna-16, Luna-20 och Luna-24.
De första upptäckta sfärerna av rent nickel med en välkristalliserad yta är inte kända vare sig i vulkaniska bergarter eller i meteoriter, där nickel nödvändigtvis innehåller en betydande mängd föroreningar. En sådan struktur på ytan av nickelkulor kan uppstå i fallet med en asteroid (meteorit) som faller, vilket ledde till frigöring av energi, vilket gjorde det möjligt att inte bara smälta materialet i den fallande kroppen utan också att avdunsta det. Metallångorna kunde ha lyftts av explosionen till en stor höjd (troligen tiotals kilometer), där kristallisering ägde rum.
Partiklar som består av avaruite (Ni3Fe) finns tillsammans med metallkulor av nickel. De tillhör meteordamm och smält järnpartiklar (mikrometeoriter) bör betraktas som "meteoritdamm" (i terminologin för EL Krinov). Diamantkristallerna som påträffades tillsammans med nickelkulor uppstod troligen som ett resultat av ablation (smältning och avdunstning) av en meteorit från samma ångmoln under dess efterföljande kylning. Det är känt att syntetiska diamanter erhålls genom spontan kristallisation från en kollösning i en metallsmälta (Ni, Fe) ovanför grafit-diamantfasjämviktslinjen i form av enstaka kristaller, deras växter, tvillingar, polykristallina aggregat, ramkristaller, nålformade kristaller, oregelbundna korn. Nästan alla listade typomorfa egenskaper hos diamantkristaller hittades i det studerade provet.
Detta gör att vi kan dra slutsatsen att processerna med diamantkristallisation i ett moln av nickel-kolånga under dess kylning och spontan kristallisation från en kollösning i en nickelsmälta i experiment är likartade. Den slutliga slutsatsen om diamantens natur kan dock göras efter detaljerade isotopstudier, för vilka det är nödvändigt att erhålla en tillräckligt stor mängd ämne.
Således visade studien av kosmisk materia i det övergångsliga leriga lagret vid krita-paleogengränsen sin närvaro i alla delar (från lager J1 till lager J6), men tecken på en kollisionshändelse registreras endast från lager J4, som är 65 miljoner år gammalt. Detta lager av kosmiskt damm kan jämföras med dinosauriernas död.
