Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2020, T. 495, № 1, стр. 14-17

ВВЕДЕНИЕ

Выпадающие на Землю каменные метеориты содержат значительную часть хондритов типа H (high относится к содержанию восстановленного железа), что указывает на их важную роль в формировании планет земной группы. В настоящее время утвердилась “луковичная” или послойная модель внутренней структуры родительских тел H-хондритов [1]. В ней, по аналогии со структурой Земли, петрологический тип H6 соответствует “ядру”, H5 – “нижней мантии”, H4 – “верхней мантии” и H3 – “коре”. Расплавленное ядро в действительности не возникает, и данное разделение помогает только лучше понять особенности хондритов различных типов по составу и степени теплового метаморфизма. Глубина залегания и размер родительского тела определяет скорость охлаждения вещества и максимальную температуру окружавшей среды. Численное моделирование позволило достаточно надежно оценить размер родительских тел (радиус до 200 км), время их формирования (первые 10 млн лет) и тепловой режим, обусловленный радиоактивным распадом Al²⁶ [2]. Луна и Земля сформировались значительно позднее (первые 100 млн лет) и падение крупных H планетозималей на их поверхности вызывало существенные изменения состава первичной коры и верхней мантии [3].

Как известно, важным механизмом формирования металлического ядра у планетозималей является проникновение капель расплава, содержащего сидерофильные элементы, через силикатную матрицу [4]. Этот процесс сильно затруднен тем, что капли расплава Fe–Ni и сульфидов для оливин-содержащих пород хондритов являются плохо смачивающими жидкостями [5]. Для этих условий теоретические исследования показали, что для преодоления порога перколяции необходимо объемное содержание металлического расплава как минимум 6%. Но недавние эксперименты уточнили, что данный порог существенно понижается при наличии значительных сдвиговых деформаций за счет формирования связанной сети капель расплава [6, 7]. Этот механизм применим и для планет земной группы, хотя формирование их внутренней структуры прошло через фазу развитого магматического океана (МО). На ранней стадии эволюции металлические расплавы опускались на дно МО и двигались дальше к центру планеты через суб-солидусную силикатную мантию. В отличие от планетозималей, где сдвиговые деформации в основном производились столкновениями [8], у планет с МО важную роль играли приливные взаимодействия.

Очевидно, что основные механические свойства H-хондритов, такие как прочность, модуль Юнга и коэффициент Пуассона, играли при деформации важную роль. В ряде работ были проведены статические исследования физических характеристик хондритов, в основном при стандартных условиях поверхности Земли, давление 1 атм [9]. Динамические условия и повышенное внешнее давление использовались при создании паспорта прочности горных пород и ряда важных материалов, разработаны методики для внеземного вещества [10, 11]. Если учесть размеры предполагаемых родительских тел, то малое внешнее давление явно недостаточно для адекватного рассмотрения процессов столкновения и приливных деформаций [12]. Мы исследовали динамическими методами механические свойства хондрита NWA 12370, петрологический тип H5, в зависимости от внешнего гидростатического давления до 50 МПа. Выявлены существенные вариации основных упругих величин, таких как модуль Юнга и коэффициент Пуассона, и сделаны оценки эффекта для возможных деформаций астероидов S-типа.

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Динамические УЗВ физико-механические испытания образцов H5-хондрита выполнены на установке ПИК-УЗ-УЭП (АО “Геологика”, г. Новосибирск). Данная установка предназначена для измерения электрических и упругих свойств породы в условиях, моделирующих пластовые. ПИК УЗ-УЭП может создавать пластовые условия (всестороннее давление до 100 МПа, температура до 150°С) с контролируемым внутрипоровым давлением насыщающих флюидов в условиях трехосного нагружения образцов для ультразвуковых исследований. Внешний вид установки представлен на рис. 1.

Как известно, скорости распространения продольной и поперечной ультразвуковой волны зависят от плотности и упругих характеристик среды. ПИК УЗ УЭС состоит из двух ультразвуковых датчиков, источника сигнала, осциллографа, измерителя RLC и системы реле. Источник генерирует сигнал частотой 1 МГц. Сигнал поступает на один из датчиков, который возбуждает импульсы S- и P-волн. Волны проходят через образец, установленный в кернодержатель, детектируются вторым ультразвуковым датчиком измерения и поступают на осциллограф. Источник имеет три выходных сигнала: S-волна, P-волна и сигнал синхронизации источника с осциллографом. При проведении физико-механических испытаний керна происходит синхронизированное с осциллографом отображение графиков S- и P-волн в координатах время–амплитуда. С помощью встроенной программы обработки сигналов, исполнитель в интерактивном режиме отмечает время вступления каждой волны и происходит автоматический расчет скорости P- и S-волны (см. рис. 2 ).

Расчет динамических упругих характеристик (модуль Юнга и коэффициент Пуассона) проводился по формулам (1) и (2):

где R – отношение продольных и поперечных волн, V_p – скорость продольных волн, V_s – скорость поперечных волн, μ – динамический коэффициент Пуассона, E – динамический модуль Юнга, ρ – плотность пород.

Исследования выполнены для цикла с увеличением гидростатического (всестороннего обжимного) давления и цикла разгрузки для ступеней давления от атмосферного до 50 МПа (см. табл. 1), плотность образцов H5 составляла 3.518 г/см³.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Астероиды S-типа (силикатные) наиболее близки по своим наблюдаемым характеристикам к обыкновенным хондритам [13]. В частности, в их число входят Эрос (миссия Шумейкер, ЕКА) и Итокава (миссия Хаябуса, Япония), детально исследованные межпланетными зондами (АМС). В настоящее время наибольшим по размеру уцелевшим астероидом S-типа является Эвномия (диаметр 330 км). Расположение представителей данного класса во внутренней зоне пояса астероидов, между 2.2 и 3 а.е., позволяет предположить их важный вклад в формировании планет земной группы.

Проведенные измерения показали существенную зависимость упругих свойств исследуемого H5-хондрита, NWA 12370, от внешнего гидростатического давления. При повышения давления от 1 до 50 МПа, модуль Юнга изменяется приблизительно от 96 до 104 ГПа, а коэффициент Пуассона от 0.18 до 0.2. Для средней плотности хондритов 3.5 г/см³, планетозимали радиусом от 100 до 250 км (размер Весты) имеют давление в центре от 11 до 64 МПа. Поскольку залегание H5-типа предполагается непосредственно возле “ядра” родительского тела, необходимо учитывать влияние внешнего давления на физические свойства хондритов при изучении их участия в процессах на ранних этапах развития Солнечной системы и в будущих миссиях АМС удаленного зондирования.

Понимание особенностей связи внутренней структуры и упругих свойств хондритов важно как для оценки их вклада в состав коры и верхней мантии Луны и Земли, так и для уточнения механизмов формирования металлического ядра у планет земной группы через усиление перколяции сдвиговыми деформациями.