Khisina N.R., Wirth R.
НАНОМИНЕРАЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА: НОВЫЕ ФАКТЫ И НОВЫЕ ВОПРОСЫ
Изучение космического вещества методом просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ) позволяет получить информацию о различных формах нанонеоднородности, которая отражает условия образования исследуемых объектов. Приводятся результаты исследования лунного оливина и сферических частиц микрометеоритов. Образцы исследованы на просвечивающем электронном микроскопе с использованием техники микродифракции электронов (SAED), высокого разрешения (HRTEM), светлопольных (BF) и темнопольных (DF) изображений и аналитической просвечивающей электронной микроскопии (ATEM). Препарирование микросферул проводилось методом FIB.
Ламелярные шпинель-диопсидовые симплектиты в лунном оливине. Оптические наблюдения показали, что некоторые зерна оливина из мономинеральной фракции реголита «Луна-16» содержат ламели толщиной 0.5–1.0 мкм, ориентированные параллельно кристаллографической плоскости (100) оливина. Анализы, полученные методами EMPA и SEM, свидетельствуют о высоких концентрациях Cr и Ca в ламелях. Методом ТЕМ выявлено, что ламели образованы срастаниями хромита и диопсида и представляют, таким образом, шпинель-пироксеновый симплектит. Чередующиеся пластинки хромита и диопсида имеют толщину 40нм и 130 нм соответственно и ориентированы перпендикулярно границе раздела ламели и оливина; ориентационные соотношения между хромитом, диопсидом и вмещающим оливином (100)Ol // (111)Sp // (100)Cpx; [001]Ol // [011]Sp // [010]Cpx. Валовый минеральный состав ламелей соответствует FeCr2O4 + 2CaMgSi2O6. Согласно литературным данным, ламелярные симплектиты встречаются достаточно редко; данная форма симплектитов наблюдалась в оливинах некоторых земных пород и марсианского метеорита. Детальное исследование ламелярных шпинель-диопсидовых симплектитов в лунных оливинах до сих пор не проводилось. Полученные результаты свидетельствуют о том, что (1) симплектитовые ламели образованы путем твердофазового превращения; (2) образование симплектита сопровождалось субсолидусным окислением хрома Cr2+ ® Cr3+ и реакцией катионного обмена 2Mg = Cr + Ca; (3) хромит и диопсид являются, по всей вероятности, продуктами разложения некоторой фазы-предшественницы, состав которой на основании валовой химии ламелей может быть аппроксимирован как Ca2Mg2Fe(Cr3+)2Si4O16.
Предложена модель, объясняющая образование фазы-предшественницы в результате процесса депротонизации и окисления оливина с переходом точечных дефектов типа {Fe,2H-} в точечные дефекты типа {Fe,2Cr3+}, где Fe – вакансия. Данная модель легко применима к образованию ламелярных симплектитов в земных оливинах, поскольку последние обычно содержат до n•101–n•102 ppm Н2О и в них присутствуют как точечные дефекты типа {Fe,2H-}, так и ориентированные параллельно (100) ламели гидрооливина [MgFeH2SiO4]•n[(Mg,Fe)2SiO4]. Недавно аналогичная модель, рассматривающая дегидрогенизацию и окисление оливина, была предложена для объяснения
механизма образования оксидных включений в оливине из гранатового перидотита. Однако насколько гипотеза об образовании шпинель-пироксеновых симплектитов
путем депротонизации и окисления может быть применима к лунным оливинам, если общепринятым является представление об отсутствии на Луне Н2О? В этой связи, аргументом в пользу предложенной модели могут являться недавно опубликованные данные по исследованию лунных вулканических стекол методом SIMS, обнаружившие Н2О и свидетельствующие о возможном присутствии Н2О в лунной коре и мантии.
Если предложенная модель образования симплектитов верна, тогда нахождение ламелярных хромит-диопсидовых симплектитов в лунном оливине может рассматриваться как дополнительное свидетельство присутствия Н2О в лунных породах.
Нано- и микроструктурные особенности микросферул минерального вещества космического происхождения. Сферические частицы микрометеоритов NZ08-bn4-25.7 и NZ08-bn4-25.9 размером 300 микрон и 100 микрон соответственно извлечены из ледникового покрова архипелага Новая Земля. Обе микросферулы имеют одинаковую пространственно упорядоченную микротекстуру, образованную эквиразмерными (1х2микрона) идиоморфными кристаллами оливина, равномерно распределенными в стекле плагиоклазового или пироксенового состава. Между центральными и периферийными частями микросферул отсутствуют явные микроструктурные различия. Кристаллы высокомагнезиального оливина характеризуются обычным для оливина габитусом с удлинением вдоль направления [010] и имеют одинаковую ориентировку друг относительно друга, образуя в стекле необычную текстуру типа «кирпичной кладки». Относительная доля кристаллов оливина в стекле составляет 90 %. В интерстициальном стекле микрометеорита NZ08-bn4-25.7 присутствуют отдельные идиоморфные кристаллы магнетита размером 0.2–1.0 микрон. Интерстициальное стекло микрометеорита NZ08-bn4-25.9 насыщено пузырьками газа. Наличие газовых пузырьков и их концентрация на границе оливин-стекло свидетельствует о том, что кристаллизация оливина сопровождалась газовыделением в материнском расплаве. В свою очередь, это явление может иметь космическую природу, поскольку именно в условиях невесомости выделение газа из расплава путем дегазации затруднено и осуществляется путем образования пены.
Установленные микротекстурные особенности типичны для гомогенной изотермической кристаллизации из переохлажденного расплава. Согласно теории гомогенной кристаллизации, переохлажденный расплав имеет кластерно-упорядоченную структуру, а нуклеация происходит вне диффузионных слоев образующихся зародышей до тех пор, пока не начинают взаимодействовать друг с другом диффузионные слои соседних зародышей; частота нуклеации (т.е. плотность зародышеобразования) зависит от степени пересыщения. Этим определяется упорядоченно-ориентированный характер образующейся микротекстуры. Изотермические условия процесса гомогенной кристаллизации могут поддерживаться за счет выделения скрытой теплоты кристаллизации при отсутствии теплообмена с внешней средой. Такие условия реализуются при затвердевании капли расплава в условиях невесомости в космосе, но маловероятны при закалке и затвердевании космической микрочастицы, испытывающей плавление при входе в земную атмосферу. Ранее предполагалось, что космические микросферулы возникают в результате плавления при высокоскоростном входе микрометеороидов в атмосферу Земли; известно также образование микросферул в процессе абляции. Полученные данные не согласуются с этими представлениями и позволяют предполагать образование микросферул во внеземных условиях.
Работа выполнена при финансовой поддержке Отделения наук о Земле Российской Академии наук (грант ОНЗ-5) и Российского Фонда фундаментальных исследований (грант 09-05-00444-а).