Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 492, № 2, стр. 49-52

ВВЕДЕНИЕ

Сильное влияние на спектральные характеристики реголита Луны и других безатмосферных тел, оказывает наличие в минеральных частицах нанофазного металлического железа (np-Fe⁰) [1–3], которое образуется в процессе космического выветривания. Такое железо повсеместно встречается в образцах реголита в виде глобул размером ~5–20 нм. Особенно часто нанофазное железа (np-Fe⁰) наблюдается в тонкой аморфной пленке на поверхности минеральных частиц [4]. Предполагается, что при микрометеоритной бомбардировке глобулы железа образуются в результате конденсации пара, возникшего при ударном испарении лунных пород [1]. Наноглобулы в виде отдельных образований или в виде цепочек наблюдаются также в стеклах агглютинатов [5], по-видимому, попав туда при захвате железа, первоначально сконденсированного на поверхности частиц реголита.

Как показали экспериментальные исследования, в образовании нанофазного железа на Луне, помимо солнечного ветра и конденсации железа из пара, образованного в результате удара, задействован еще один механизм, который мы определили, как термовосстановление железа в расплаве. Кроме того, цепочечные структуры из np-Fe⁰, наблюдаемые в импактном стекле лунного реголита, хорошо воспроизводятся в эксперименте.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для моделирования микрометеоритных ударных процессов на Луне был использован импульсный лазер на Nd-стекле с плотностью потока излучения ~10⁶–10⁷ Вт/см² и длительностью импульса 10^–3 с. Расчетная температура в точке лазерного “удара” составляла ~4000–5000 К, что соответствовало температуре возникающей при скоростях соударения порядка 10–15 км/с [6]. В герметичную камеру, имеющую форму цилиндра объемом ~500 см³, помещалась мишень – образец из базальтового стекла 1.5 × 1.5 см. [7]. Для эксперимента был взят образец стекла, полученного из толеитового базальта. Базальт был расплавлен в кварцевом тигле при 1300°С в течение 30 мин. Химический состав образца, представленный в табл. 1, был получен по результатам рентгено-флуоресцентного анализа.

Необходимо отметить, что лазерное моделирование не в состоянии в точности отразить все характерные особенности ударных процессов. Например, в рассматриваемом эксперименте энергия лазерного импульса соответствует энергии частиц, чей размер варьирует в пределах микрон–десятки микрон, а скорости до первых десятков км/с. Но удар таких частиц образует кратер в десятки и сотни микрон, а экспериментальный лазерный “удар” оставляет кратер на порядoк больший, в данном случае примерно 6 мм в диаметре и 0.6 мм глубиной [8]. Тем не менее, при соответствующем подборе параметров взаимодействия лазерного излучения с веществом мишени удается воспроизвести определенные условия микрометеоритного удара как по температуре, так и по давлению. Особый интерес вызывает высокое давление, возникающее за счет импульса отдачи расширяющейся парогазовой смеси, что приводит к формированию ударной волны, распространяющейся вглубь мишени [9]. Согласно теоретической модели И.Н. Бурдонского [8], величину импульса давления можно оценить по формуле

где I – интенсивность лазерного излучения; ρ – плотность вещества мишени; γ – коэффициент адиабаты. При заданных в экспериментах параметрах – I = 10⁷ Вт/см², ρ = 3 г/см³ и γ (для вулканических пород) ≈2, можно достигнуть импульсного давления ~3.5 кб. Таким образом, в распространяющейся в расплаве ударной волне возникают градиенты температуры и давления и соответствующие диффузионные потоки компонентов расплава, что неизбежно должно приводить к их разделению.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В стекле кратера наблюдаются светлые и темные области (рис. 1). Как показал микрозондовый анализ, если темные области слабо отличаются от исходного состава стекла, то светлые области отличаются значительно (табл. 1). Светлые области заметно обогащены труднолетучими оксидами (Al₂О₃, CaО, TiO₂), обеднены легколетучими (Na₂О, K₂О) и, особенно, умеренно летучим SiO₂ (разница составляет более 15 мас. %). Изменение содержания труднолетучих и легколетучих полностью соответствуют рядам летучести петрогенных оксидов (за исключением FeO) [10] и поэтому состав светлых областей кратерного стекла легко объясним испарением легко- и умеренно летучих оксидов и соответствующим накоплением труднолетучих.

Наличие в кратерном стекле многочисленных глобул нанофазного железа, местами упорядоченных в тонкие, протяженные цепи (рис. 1, 2), является главным результатом эксперимента. Размер глобул варьирует от первых нанометров до микрона. Цепочки наноглобул подразделяются на два типа. Первый тип представлен частицами железа, расположенными на кромке кратера. Местами частицы сливаются в непрерывные металлические дорожки. Предполагается, что формирование крупных частиц в сотни нанометров происходит при коалесценции в жидкой фазе – крупные частицы собираются из мелких. Цепочки из наноглобул железа второго типа локализуются в объеме кратерного стекла, формируя дугообразные, выпуклые сторону дна кратера структуры. Хорошо заметна определенная взаимосвязь цепочек железа с параллельно идущими вдоль них осветленными участками стекла. Следует подчеркнуть, что образование нанофазного железа происходило во внутреннем объеме базальтового расплава, в котором отсутствовали восстановительные агенты, а расположение самих глобул в толще кратерные стекла предполагает их формирование без испарительно-конденсационного механизма. Ранее считалось, что формирование np-Fе⁰ происходит либо в результате реакции оксида железа с агентом восстановителем (водородом) [11], либо в результате конденсации ударно-образованного пара, содержащего уже восстановленное железо [1, 4]. В данном случае образование железа в металлическом состоянии происходит в результате термовосстановительного процесса, также активно влияющего на механизм испарительной дифференциации [12, 13]. Похожие результаты в лазерном эксперименте с обыкновенным хондритом были получены недавно в работе [14]. Что касается пространственной корреляции цепочек железа с контурами светлых и темных областей стекла, то, по-видимому, такая структурированная форма расположения наносферул может быть обусловлена прохождением фронта ударной волны. В многокомпонентном расплаве, а тем более в гетерогенной среде (глобулы железа в расплаве), ударная волна может возбудить бародиффузионные потоки, что неизбежно должно привести к разделению вещества по массе. В случае сильного различия масс (m₂/m₁ ≫ 1), а в данном случае глобул железа (m₂) и атомно-молекулярных частиц расплава (m₁), эффект разделения может быть значительным [15].

Таким образом, экспериментально показан механизм образования нанофазного железа в толще расплава термовосстановительным путем при прохождении ударной волны. Данный механизм также должен учитываться при описании np-Fe⁰, широко распространенного в частицах лунного реголита.