Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 491, № 1, стр. 38-41

НАХОДКА HgS В ЛУННОМ РЕГОЛИТЕ ИЗ ПРОБ “АПОЛЛОНА-17”

А. П. Рыбчук 1, А. В. Мохов 1*, Т. А. Горностаева 1**, П. М. Карташов 1, академик РАН О. А. Богатиков 1

1 Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии Российской Академии наук
Москва, Россия

* E-mail: avm8okhov@gmail.com
** E-mail: goliaf77@mail.ru

Поступила в редакцию 05.12.2019
После доработки 05.12.2019
Принята к публикации 10.12.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

При исследовании образцов лунного реголита из проб “Аполлона-17” методами электронной микроскопии была обнаружена частица сульфида ртути размером ~3 мкм. По-видимому, она сохранилась благодаря покрывающему ее тонкому слою высококремниевого стекла, несущего защитные функции. Предположительно эта частица образовалась из газовой фазы путем конденсации паров Hg и S.

Ключевые слова: лунный реголит, минералы Луны, высокотемпературный конденсат, стекло, СЭМ, ЭДС

ВВЕДЕНИЕ

Целью продолжающейся уже несколько лет работы по изучению тонкодисперсных фракций лунного реголита является расширение базы знаний о лунной минералогии и процессах, приводящих к минералообразованию в специфических условиях лунной поверхности при интенсивном воздействии солнечного ветра, температурных перепадов и множественных метеоритных бомбардировок.

ОБЪЕКТ И МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЙ

В рамках сравнительного изучения образцов лунного реголита, доставленного советскими автоматическими станциями “Луна” и пробами, переданными NASA для исследований Академии наук СССР, был изучен образец миссии “Аполлона-17”. Отбор пробы производился в горном массиве между Морем Ясности и Морем Спокойствия.

Исследования проводились на сканирующем электронном микроскопе JSM-5610LV (Япония), оснащенном рентгеновским энергодисперсионным спектрометром (ЭДС) INCA-450 (Великобритания).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В ходе исследования в режиме отраженных электронов по контрасту была обнаружена яркая частица треугольной формы размером ~3 мкм (рис. 1), расположенная на поверхности более крупного фрагмента реголита с составом, отвечающим SiO2. На рис. 2 эта частица отображена во вторичных электронах, где видно, что поверхности обеих частиц покрыты тонкой высококремниевой стеклянной пленкой. В энергодисперсионном спектре от обнаруженной 3-х микронной частички, помимо пиков кислорода и кремния, в качестве основных зафиксированы пики серы и ртути (рис. 3). Пики же кремния и кислорода регистрируются в этом спектре, как от матрицы, так и от покрывающей весь этот агрегат пленки, что было подтверждено картинами распределения элементов по площади, выполненных с пониженным до 8 кВ ускоряющим напряжением для улучшения локальности.

Рис. 1.

Изображение частички HgS в отраженных электронах.

Рис. 2.

Изображение частички HgS во вторичных электронах.

Рис. 3.

Энергодисперсионный спектр от частицы HgS.

Полуколичественный пересчет этого спектра, выполненный по методике [1] с вращением относительно детектора и за вычетом углерода и силикатной составляющей, показал атомное соотношение Hg/S = 3.2/3.4, что, с учетом неправильной формы частицы, отвечает формуле одного из трех полиморфов HgS – кубического метациннабарита, гексагонального гиперциннабарита или тригональной киновари. Находка чистого моносульфида ртути является первой среди известных лунных минералов. До этого сообщалось об обнаружении ртутьсодержащего сульфида с формулой (Cu10Ag2Hg)13S14 в пробах реголита из моря Кризисов [2].

ОБСУЖДЕНИЕ

Одним из источников летучих элементов, попадающих на поверхность Луны (в том числе Hg и S), является метеоритное вещество. Наиболее обогащены этими элементами хондриты [3]. Концентрация Hg в различных хондритах колеблется в пределах от 0.01 до 7 ppm [4]. При изучении образцов углеродистых хондритов Allende и Murchison было определено, что сульфид ртути является основной Hg-содержащей фазой [5]. В челябинском метеорите, хондрите класса LL5, был диагностирован арзакит Hg2S2(Br,Cl)2 [6]. Сера также присутствует во всех типах метеоритов, в большей степени это касается хондритов и ахондритов, где она входит в состав различных сульфидов, прежде всего в троилит, и реже, в добреелит, найнинджерит или ольдгамит [7].

Другой возможный источник привноса Hg и S на поверхность Луны связан с периодом ее интенсивной вулканической активности [8]. В образцах “Аполлона-17” было определено общее содержание серы, которое колебалось от 550 до 1300 мкг на грамм грунта [9]. В работе [10] в оранжевых стеклах из образцов “Аполлона-17” были проанализированы составы расплавных включений, где также были обнаружены значительные количества серы (612–887 ppm). Ртутьсодержащий сульфид с формулой (Cu10Ag2Hg)13S14 предположительно фумарольно-эксгалятивного происхождения был обнаружен в реголите из пробы АС “Луна-24” [2].

Кроме того, в ходе импактных процессов из реголита и первичных пород Луны в газово-плазменное облако выбрасываются, в числе других, и легколетучие Hg и S. В результате эксперимента LCROSS (имитация импакта непосредственно на поверхности Луны) было установлено, что при температуре ~1000°С в облаке испаренного вещества присутствовало до ~120 кг Hg [11]. Гибсон и Мур [8] показали, что от 12% до 30% S из лунного реголита могут быть испарены при нагревании в вакууме до 750°С. Таким образом, многочисленные и постоянные импакты и микроимпакты должны были бы приводить к миграции летучих элементов по лунной поверхности.

Помимо импактных процессов, к перераспределению летучих элементов, в частности Hg и S, по поверхности Луны приводят температурные перепады, вызываемые суточным циклом. Согласно экспериментальным данным [12] в условиях, имитирующих лунный день, при температурах 130–150°С из лунного реголита испаряется до 15–20% свободной Hg. Прямые измерения содержаний ртути в лунном реголите на интервале в 30 см показали их возрастание с глубиной в три раза (от 6 × 10–6 до 9 × 10–6 мас. %) [13]. Была выдвинута гипотеза о существовании меридионального“ртутного ветра” между экватором и полюсами. Он вызван разницей температур поверхности в примерном диапазоне от +150°С до –150°С, что приводит к преимущественному испарению ртути в экваториальных областях и ее переносу к полюсам с последующей конденсацией.

Возникновение “ртутного ветра”, по мнению авторов [14], возможно также и в результате переноса паров ртути из горячей лавы в период вулканической деятельности на Луне и их конденсации на поверхности холодного континентального реголита. В результате вулканической деятельности вместе с Hg так же высвобождаются и значительно бόльшие количества S.

Цикличный нагрев и охлаждение поверхности, происходящие в течение лунных суток, так же служащие причиной возникновения “ртутного ветра” (“серного ветра”), могут привести к существенному перераспределению этих элементов по поверхности Луны. Это может послужить причиной неоднородного латерального распределения Hg и S.

Таким образом, атомарные ртуть и сера на поверхности Луны весьма мобильны. Поскольку моносульфиды Hg являются наиболее стойкими соединениями ртути, известными в химии, они являются естественными ее фиксаторами на местности. Этот эффект усиливается при условии, что ртутные фазы покрываются стеклянными импактными конденсатными пленками, препятствующими дальнейшей миграции ртути.

ВЫВОДЫ

По нашему мнению, наиболее вероятным “строительным материалом” для синтеза обнаруженного нами сульфида ртути служили атомарные ртуть и сера. Их соединение могло бы легко образоваться путем конденсации даже из разреженных паров.

Учитывая вышесказанное, нельзя однозначно прогнозировать, как именно распределены Hg и S по поверхности Луны; но в то же время очевидно, что их концентрация в месте отбора образцов пробы лунного реголита “Аполлона-17” была достаточной для формирования кристалла HgS. Консервация кристалла на длительный срок, включая доставку его на Землю, видимо, стала возможной благодаря тонкопленочному слою высококремниевого стекла, сыгравшего защитную роль.

Список литературы

  1. Мохов А.В. Аналитическая электронная микроскопия в изучении ультрадисперсной фракции лунного грунта // I Всеросс. молодеж. конф. “Минералы, строение, свойства, методы исследования”. Ильмены. 2009. С. 42–45.

  2. Мохов А.В., Карташов П.М., Горностаева Т.А., Богатиков О.А. Ртутьсодержащий сульфид из лунного реголита Моря Изобилия // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2014. № 2. Вып. 24. С. 231–236.

  3. Ehmann W.D., Huizenga J.R. Bismuth, Thalliumand Mercury in Stone Meteorites by Activation Analysis // Geochimet CosmochimActa. 1959. V. 17. № 1–2. P. 125–135.

  4. Reed Jr G.W., Jovanovic S. Mercury in Chondrites // J. Geophys. Res. 1967. V. 72. № 8. P. 2219–2228.

  5. Lauretta D.S., Klaue B., Blum J.D., Buseck P.R. Mercury Abundances and Isotopic Compositions in the Murchison (CM) and Allende (CV) Carbonaceous Chondrites // Geochim et Cosmochim Acta. 2001. V. 65. № 16. P. 2807–2818.

  6. Мороз Т.Н., Горяйнов С.В., Похиленко Н.П., Подгорных Н.М., Нишанбаев Т.П. Спектры комбинационного рассеяния света метеорита Челябинск // Метеорит Челябинск – год на Земле. 2014. P. 589–597.

  7. Gibson E.K., Moore C.B., Primus T.M., Lewis C.F. Sulfur in Achondritic Meteorites // Meteoritics. 1985. V. 20. № 3. P. 503–511.

  8. Иванов А.В. Летучие компоненты в образцах лунного реголита. Обзор // Астрономический Вестник. 2014. Т. 48. № 2. С. 120–138.

  9. Gibson Jr E.K., Moore G.W. Sulfur Abundances and Distributions in the Valley of Taurus-Littrow // Lunar and Planetary Science Conference Proceedings. 1974. V. 5. P. 1823–1837.

  10. Hauri E.H., Weinreich T., Saal A.E., Rutherford M.C., Van Orman J.A. High Pre-eruptive Water Contents Preserved in Lunar Melt Inclusions // Science.2011. V. 333. Iss. 6039. P. 213–215.

  11. Gladstone G.R., Hurley D.M., Retherford K.D., et al. LRO-LAMP Observations of the LCROSS Impact Plume //Science.2010. V. 330. № 6003. P. 472–476.

  12. Беляев Ю.И., Ковешникова Т.А. О содержании ртути в реголите моря Изобилия, Моря Спокойствия и Океана Бурь // В сб.: Лунный грунт из Моря Изобилия. М.: Наука. 1974.

  13. Krähenbühl U. Distribution of Volatile and Non-Volatile Elements in Grain-size Fractions of Apollo 17 Drive Tube 74001/2 //Lunar and Planetary Science Conf. Proc. 1980. V. 11. P. 1551–1564.

  14. Беляев Ю.И. О ртутном ветре между континентальными и морскими районами Луны// Геохимия. 1975. № 5. С. 768–770.

Дополнительные материалы отсутствуют.