Астрономический вестник, 2020, T. 54, № 2, стр. 165-170

ВВЕДЕНИЕ

В ходе аккреции планетезималей происходила дегазация примитивного вещества при постепенном нагреве и частичном плавлении. Сформированная таким образом первичная атмосфера (включавшая в себя также летучие компоненты протопланетного диска) впоследствии была утеряна. Однако часть исходных газовых компонентов осталась заключенной внутри каменного тела, став одним из источников, формировавших вторичную атмосферу планеты (Sakuraba и др., 2019; Shaefer, Fegley, 2010). Летучие компоненты, доставленные на землю в ходе Поздней тяжелой бомбардировки, также внесли существенный вклад в состав газовой оболочки планеты (Court, Sephton, 2014; Norman, 2019; Trigo-Rodriguez, Martin-Torres, 2012).

Исследование поведения летучих компонентов, в частности их дегазации из доступного для изучения примитивного вещества при нагреве, позволяет более конкретно оценить валовый состав резервуара газовых компонентов, сформировавших первичную и вторичную атмосферу планет земной группы. Для этих целей нами была разработана методика прокаливания метеоритного материала с последующим количественным измерением состава выделившихся газовых продуктов. Первичные концентрации, измеренные в ходе такой дегазации можно с некоторой долей приближения принять за ювенильные концентрации газов, содержащихся в метеоритном веществе и планетезималях. Подобный систематический анализ содержания летучих в метеоритах также позволяет расширить понятие о характеристике миграции и распределению газовых компонентов в протопланетном диске на момент формирования астероидов разных типов (до начала планетарной аккреции).

В прошлой работе (Стенников и др., 2019; Stennikov и др., 2019) нами было проведено прокаливание образца метеорита Челябинск (LL5) в атмосфере гелия при температурах 200–800°С, что является нижним пределом термического разложения основных минералов. В ходе дегазации с помощью газового хроматографа были установлены следующие основные летучие компоненты: H₂O, CO₂, CO, H₂, CH₄, N₂ и H₂S; было определено изменение концентрации этих компонентов во времени.

В данной работе продолжается экспериментальное изучение состава выделяемых газов при нагреве метеорита. Объектом исследования стал упавший в 2018 году в Нигерии метеорит Aba Panu – обыкновенный каменный хондрит типа L3. Исследование изотопии кислорода трех проб методом лазерного фторирования дало следующие значения: δ¹⁷O = 3.724, 3.625, 3.684; δ¹⁸O = 5.160, 4.980, 5.089; Δ¹⁷O = 1.000, 0.996, 0.997‰ (Meteoritical Bulletin, № 107). Такие значения указывают на граничное положение метеорита Aba Panu между LL и L группами обыкновенных хондритов (Clayton и др., 1991), что делает его исследование особенно интересным.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для проведения экспериментов использовался специально сконструированный прибор, подробно описанный в работе (Стенников и др., 2019, рис. 1). В замкнутый нагревательный контур, заполняемым гелием, подается кварцевая лодочка с перетертым образцом метеорита. Затем образец нагревается до заданной температуры и каждые 15 мин происходит отбор летучих газоплотным шприцом, и смесь тут же отправляется на анализ в газовый хроматограф.

Рис. 1.

Тепловые контуры концентраций компонентов в зависимости от температуры и времени. Изолинии обозначают концентрации в мкг/г образца. (а) – H₂O, (б) – CO₂, (в) – N₂, (г) – H₂, (д) – CH₄, (е) – H₂S, (ж) – CO.

Рис. 1.

Окончание.

Режим проведения анализа. Определение летучих компонентов происходило на газовом хроматографе “КристалЛюкс-4000М” (Йошкар-Ола, Россия), который позволяет определять содержание веществ с точностью до миллионных долей (ppm) при установленной градуировке прибора c капиллярной колонкой HP-PLOT/Q (30 м × 0.537 мм × 40.0 мкм) и колонкой СаА, молекулярные сита (2 м × 3 мм × × 0.25–0.177 мм). Поток газа-носителя гелия марки 6.0 составлял 20 мл/мин, давление на входе в колонку составляло 1 атм, температура термостата 110°С. В качестве детекторов использовали: ПФД при анализе серосодержащих газов, ДТП-1 при анализе H₂, N₂, CH₄, и CO, ДТП-2 при анализе CO₂ и H₂O.

Описание эксперимента. В прошлой работе (Стенников и др., 2019) было установлено, что при увеличении степени измельчения выход газовых продуктов в среднем увеличивается, поэтому в данном эксперименте использовался перетертый в шаровой мельнице (~10 мкм) образец метеоритного вещества с массой одной навески ~0.75 г. Нагрев варьировался от 200 до 800°С с шагом в 100°С – суммарно было проведено 7 экспериментов; отбор газа для анализа осуществлялся 7 раз в течение 1.5 ч.

Характеристика метеорита. Метеорит Aba Panu по классификации относится к типу L3, стадия шокового метаморфизма S4, степень выветривания W0. Визуально на поверхности разрезов преобладает серая матрица, усеянная хорошо развитыми хондрами и их фрагментами. Изучение нескольких срезов метеорита показало, что светлые участки составляют менее 10% площади. Некоторые хондры достигают в размере 4 мм, но большинство – от 0.1 до 1 мм в поперечнике. Жилок ударного расплава мало. Среди хондр доминируют PO, POP, RP, PP и BO типы. В тонком шлифе особенно заметны BO и PO хондры с красно-фиолетовым стеклом (в обычном поляризованном свете), изотропным под скрещенными поляризаторами. Силикатные минералы испытали сильную ударную нагрузку – оливин демонстрирует мозаицизм, волнистое погасание, и планарные дефекты структуры. Наблюдения под сканирующим электронным микроскопом показали, что большая часть металла/сульфида в матрице встречается в виде мелких капель, жилок и карманов расплава, достигающих в размере 5 мм. Большие Fe-Ni зерна имеют поликристаллическую структуру, где каждый кристалл имеет камаситовое ядро, окруженное темным “гравированным” мартенситом, а затем обрамлено внешним слоем богатого Ni металла. Троилит преимущественно монокристаллический, редко поликристаллический. Зерна хромита редки.

Данные геохимических исследований: оливин – Fa_{24.3 ± 5.7} (разброс значений Fa_7.5–32.8), n = 18; среднее содержание Cr₂O₃ = 0.08, среднее отклонение Cr₂O₃ = 0.07, разброс значений от 0.02 до 0.3; FeO/MnO = 55.8 ± 12.6. Низкокальциевый пироксен – Fs_{17.0 ± 11.6}Wo_2.0 ± 1.9 (разброс значений Fs_2.4–49.2Wo_0.3–6.0), n = 17. Высококальциевый пироксен – Fs_8.7Wo_49.2, n = 1. Состав изотропного стекла (красно-фиолетового цвета в обычном поляризованном свете) в хондрах BO и PO типа – Or_1.4 ± 0.8Ab_{87.6 ± 4.8}, n = 6, TiO₂ до 1 мас. % (Meteoritical Bulletin, № 107).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В ходе проведения семи экспериментов по прокаливанию перетертого метеоритного вещества при температуре от 200 до 800°С (с шагом в 100°С) были определены следующие летучие компоненты: H₂O, N₂, CO₂, CO, CH₄, H₂ и H₂S. Полученные в ходе дегазации вещества, также как и в прошлый раз, можно условно поделить на макро- и микрокомпоненты. К первым относятся H₂O, N₂, CO₂, их концентрация находится в диапазоне 3–120 мкг/г образца; ко вторым – все остальные (концентрация изменяется в пределах 0.0–0.9 мкг/г).

Результаты экспериментов представлены на рис. 1. Каждый график составлен из 7 профилей при разной температуре; изолинии изменения концентрации построены в результате экстраполяции полученных данных.

Поведение концентрации воды от температуры-времени (рис. 1а) довольно изменчиво. При 200–300°С в первые 15 мин происходит резкое возрастание концентрации до максимальных значений (>120 мкг/г), затем постепенный спад до ~110 мкг/г с небольшими колебаниями в ±5 мкг/г. При 400°С по достижению максимума идет плавное уменьшение концентрации от 120 до 110 мкг/г. Во время прокаливания при 500–600°С по достижению максимума (100–110 мкг/г) на 15–30 мин идет резкое падение концентрации до ~50 мкг/г с последующими колебаниями около 80 мкг/г. Доходя до температуры 700–800°С, концентрация воды с 120 мкг/г линейно убывает до 80 мкг/г, затем стремится к равновесному значению 100 мкг/г.

Углекислый газ (рис. 1б) присутствует на всех точках измерения. Его наибольшая концентрация фиксируется в первой точке наблюдения, постепенно увеличиваясь от 6 до 12 мкг/г с максимумом при 500°С. При более высоких температурах концентрация выделившегося СО₂ в первой точке постепенно уменьшается до 3 мкг/г. Со временем меняется и равновесная концентрация: для 200°С значение стремится к 4 мкг/г, для 300–600°С – к 6 мкг/г, а для 700–800°С равновесное значение приходится на 3.5 мг/г.

Содержание азота (рис. 1в) линейно повышается при удержании заданной температуры, в двух случаях (при 400 и 700°С) концентрация начинает повышаться в 4 раза быстрее. Для всех температурных профилей максимальные значения концентрации находятся в пределах 13–27 мкг/г, кроме двух вышеупомянутых, где эти значения достигают 66–70 мкг/г. Подобная картина наблюдалась и при прокаливании метеорита Челябинск (Стенников и др., 2019): для температур 200, 500 и 800°С на точке 90 мин наблюдалась максимальная концентрация в 82, 45 и 81 мкг/г соответственно, при характерном максимуме азота в 10–13 мкг/г для остальных температур. Так как перед подготовкой разных навесок цельный кусок метеорита перетирался и тщательно перемешивался, то, вероятно, в эти пробы попали некоторые редкие “кластеры” с большим количеством азота.

Водород детектируется уже при температуре 200°С в небольшом количестве (~0.05 мкг/г), с увеличением температуры его количество линейно возрастает до максимума в 0.93 мкг/г при 800°С (рис. 1г). Пиковая концентрация по времени наблюдается в точке 15 мин на всем диапазоне температур. После этой отметки его концентрация начинает медленно снижаться, с локальными повышениями на отметках 45 и 75 мин.

Концентрации CO и CH₄ коррелируют с концентрацией H₂ (рис. 1д, 1ж). Минимальная концентрация монооксида углерода регистрируется уже при 200°С. С увеличением температуры его средняя концентрация увеличивается в среднем на 0.05 мкг/г с каждым шагом на 100°С. Пиковой содержание CO наблюдается в точке 15 мин, с увеличением времени оно постепенно уменьшается.

Метан также присутствует в продуктах реакции при 200°С. Его концентрация линейно увеличивается до 0.20 мкг/г, достигает отметки 0.30 мкг/г при 800°С. Картина изменения содержания CH₄ во времени во многом аналогична H₂. Положения максимума концентрации находятся в точках 15, 45 и 75 мин.

Сероводород не обнаруживается при 200°С (рис. 1е). Минимальные значения концентраций начинают прослеживаться только с 300°С, и составляют 0.008–0.011 мкг/г. В интервале температур 600–800°С выход H₂S увеличивается в 40–50 раз; максимальная концентрация приходится на отметке 15 мин, затем почти не изменяется. В точке 700°С и 45 мин наблюдается локальное понижение содержания сероводорода в два раза, которое далее возвращается к среднему значению. Наблюдаемое резкое возрастание концентрации H₂S с температурой, скорее всего, является следствием протекания реакций восстановления железа из троилита или серы из SO₂ (образующийся при взаимодействии FeS и H₂O/CO₂), которые при более низких температурах не происходят.

Результаты серии экспериментов показывают в целом картину, близкую к дегазации метеорита LL5 (Стенников и др., 2019). Основные продукты термической дегазации метеорита по-прежнему являются CO₂, N₂ и H₂O, причем только азот ведет себя инертно. Водород, метан и монооксид углерода появляются уже при 200°С, в то время как для метеорита Челябинск требовались более высокие температуры для их образования. H₂S прослеживается в минимальных количествах с 300°С, всплеск его концентрации также приходится на температуру 700–800°С, однако образованный сероводород более стабилен, и не пропадает после выделения, как в случае LL5.

Достаточно любопытны скачки в концентрации азота. В данном эксперименте его повышенная концентрация наблюдается при температурах 400 и 700°С, в то время как при дегазации LL5 эти всплески проявляются при 200, 500 и 800°С. Учитывая широкий разброс температур, это явление вряд ли является следствием протекания какой либо химической реакции, и, как и было сказано выше, скорее всего происходит из-за редкого включения некоторых кластеров или прожилок, содержащих повышенные (по сравнению с основной матрицей) значения N₂. Такими кластерами могут являться металлические прожилки, в которых благодаря высокому коэффициенту распределения между металлическим и силикатным расплавом может скапливаться азот во время образования метеоритного тела или перераспределяться в результате ударного события.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследован состав газовых компонентов, заключенных внутри метеорита Aba Panu типа L3. На основании этих и данных работы (Стенников и др., 2019) можно составить представления о характере миграции и концентрации разных летучих компонентов в протопланетном диске на момент формирования резервуаров хондритов разного типа, а также о ювенильных концентрациях газов в малых каменных телах и планетезималях. В дальнейшем также планируется изучение состава выделяемых газов из метеорита типа H и углистых хондритов.

Из табл. 1 видно уменьшение содержания в L хондрите таких газов, как CO₂, N₂ и CO, и увеличение содержания H₂O, H₂ и H₂S, количество CH₄ примерно одинаковое. Это, по-видимому, связано с тем, что область формирования родительских тел данного типа метеоритов располагалась ближе к Солнцу. Повышенные температура и более высокое содержание соединений железа по сравнению с областью формирования LL родительских тел, привели к увеличенному расходу CO как газа-восстановителя. Вместе с тем, необходимо учитывать разные степени ударного метаморфизма выбранных образцов: Челябинск – LL5, Aba Panu – L3. Челябинск подвергался более сильному нагреву в ходе своей эволюции чем Aba Panu, это сместило содержание ювенильных газов в высокотемпературную область, а также высвободило часть исходных газов. Можно приблизительно оценить потери газов при аккреции примитивного вещества, сравнив концентрации летучих для хондритов одной группы, но разной степени ударного преобразования: от 3 до 6. Для более точного сравнительного анализа процессов и условий хондритов разных типов, необходимо приведение результатов экспериментов к одинаковой базе. Представленные результаты экспериментов по дегазации метеоритов типа L3 являются первым шагом в этом направлении.

Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (проект №17-17-01279).