Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 494, № 1, стр. 33-38

ВВЕДЕНИЕ

Характерным признаком высокоэнергетичного импакта является наличие процесса, в ходе которого из части газово-плазменного облака, состоящего из вещества в атомарном, ионном, кластерном и молекулярном состоянии, конденсируется ряд наноразмерных агрегатов и пленок. Высокотемпературный интервал конденсационного окна, вызванного быстрым падением температуры и концентрации в разлетающемся газово-плазменном облаке, чрезвычайно краток по времени, от сотых долей до первых секунд и вследствие этого продукты высокотемпературной конденсации имеют размеры, не превышающие нескольких сотен нанометров [1]. Изучение таких природных продуктов имеет, прежде всего, фундаментальное значение для выяснения механизмов формирования Вселенной, процесса конденсации в физике конденсированного состояния, а также оценки последствий атомных взрывов.

Изучение импактитов кратера Лонар и сравнение их с аналогами из кратера Жаманшин и лунным реголитом позволяют наглядно увидеть насколько значимо влияние состава мишени на состав продуктов конденсации.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Кратер Лонар является наиболее сохранившимся и изученным на Земле импактным кратером, наложенным на базальтовые породы. Он расположен в Индии, 19°58′ с.ш., 76°31′ в.д. в Деканской трапповой провинции. Кратер имеет чашеобразную форму с диаметром ~1.88 км и глубиной около 150 м, заполнен мелким соленым озером [2]. Возраст импактитов кратера Лонар ~570 000 лет [3]. Происхождение кратера обсуждалось в течение многих лет [4]. Его импактная природа была подтверждена находками ударных структур и материалов, таких как конусы разрушения, импактные стекла, а также маскелинит [2].

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Импактные стекла кратера Лонар из коллекции доктора геолого-минералогических наук А.Т. Базилевского и доктора геолого-минералогических наук М.А. Назарова (ГЕОХИ РАН) были полученны из Минералогического музея им. А.Е. Ферсмана РАН (номер каталога MET 97) и непосредственно от А.Т. Базилевского через кандидата геолого-минералогических наук О.И. Яковлева.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Поиск продуктов конденсационного процесса, характерных для высокоэнергетичного импакта. И, в случае находки таковых, провести сравнение с продуктами конденсации, обнаруженными нами ранее в кратере Жаманшин [5] и в лунном реголите [6].

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования выполнялись на просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) JEM-2100, оснащенном энергодисперсионным спектрометром (ЭДС) “Oxford INCA-450”. Препараты готовились методом суспензий, при котором измельченное механически вещество дополнительно диспергировалось ультразвуком. После этого капелька суспензии препарата в аналитически чистой воде наносилась на электронно-микроскопическую сеточку-подложку и высушивалась в термостате при 50°С.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В ходе выполнения поставленной задачи удалось обнаружить агрегаты высокотемпературного конденсата как пленочного высококремниевого (рис. 1, 2), так и глобулярного высококальциевого (рис. 3, 4). На их конденсационную природу указывают как их морфология и состав, так и их размер. На рис. 1 представлено ПЭМ-изображение фрагмента пленочного конденсата, состоящего из агрегата аморфных наноразмерных частиц высококремниевого состава, образовавшихся при гетерогенном конденсатном процессе. В его ЭДС-спектре (рис. 2) в пределах чувствительности метода не фиксируется никаких других элементов, кроме Si и O. Пики меди, присутствующие в данном спектре, флюоресцентно возбуждены от медной сеточки-подложки. На рис. 3 представлены несколько также аморфных, отдельных, но слипшихся высококальциевых глобулярных агрегатов, нарастающих на поверхность частицы расплавного стекла. Скорее всего, они сформировались при слиянии одиночных центров конденсации. В ЭДС-спектре (рис. 4) этого агрегата частиц, помимо кальция, фиксировались Si, Al, Mg, Fe. Его состав (мас. %): SiO₂ 24.09 ± 0.31; Al₂O₃ 28.92 ± 0.33; MgO 1.27 ± 0.12; CaO 45.02 ± 0.37; FeO 0.7 ± 0.09. В некоторых участках этих высококальциевых глобул зафиксированы начальные стадии раскристаллизации, что подтверждается появлением отдельных дифракционных рефлексов.

Рис. 1.

Высококремниевый конденсат в импактных стеклах кратера Лонар. ПЭМ.

Рис. 2.

ЭДС-спектр высококремниевого конденсата в импактных стеклах кратера Лонар. Пики меди от сеточки-подложки. ПЭМ.

Рис. 3.

Высококальциевый конденсат в импактных стеклах кратера Лонар. ПЭМ.

Рис. 4.

ЭДС-спектр от высококальциевого конденсата. Пики меди от сеточки-подложки. ПЭМ.

ОБСУЖДЕНИЕ

Как было показано в ходе экспериментов, кремнезем испаряется одним из первых наиболее интенсивно по сравнению с другими петрогенными компонентами мишени и составляет ~60% от общего объема газово-плазменного облака [7]. Преобладающее содержание кремнезема в импактнообразованном паре не зависит от состава пород мишени [8]. Так, согласно результатам по импульсному лазерному испарению образцов габбро-анортозитового состава из сборов “Apollo-16” содержание кремнезема в парах составляло ~85 мас. % на фоне его максимальных массопотерь из расплава [9]. Позднее эксперименты по испарению пород кислого состава [10] подтвердили эту тенденцию.

Что касается природных условий, то на Луне, где коренными породами являются анортозиты и базальты, высококремниевый конденсат был зафиксирован неоднократно [11, 12]. Позднее на Земле высококремниевый конденсат был обнаружен в крупном кратере Жаманшин, где породы мишени были представлены кристаллическими сланцами фундамента, перекрытые осадками карбонатно-песчано-глинистого состава [5]. Следует отметить, что на Земле большинство изученных импактных кратеров расположены на суше и, соответственно, наложены на кислые породы континентальной коры. Кратер Лонар, располагающийся на траппах базальтового состава, является редким исключением, поскольку другие аналогичные импактные структуры, находящиеся в ложе Мирового океана, нам недоступны. Обнаруженный в рамках настоящего исследования высококремниевый конденсат кратера Лонар подтверждает отсутствие определяющего влияния состава мишени на состав импактных конденсатов.

Вывод об отсутствии определяющего влияния состава мишени на состав импактных конденсатов имеет лишь качественный характер. Количественные соотношения образующихся конденсатных фаз будут зависеть от валового состава испаренных пород. Однако качественный состав компонентов конденсата будет схожим, что подтверждают данные, полученные в настоящем исследовании. Иными словами, исключительно условия высокоэнергетичного процесса образования данных конденсатов оказывают более значительное влияние на их качественный состав, чем валовой состав испаряемых пород мишени.

Можно предположить, что в случае импакта с мишенью из преимущественно карбонатитовых пород высокого содержания кремнезема в конденсате не будет. Однако в масштабах геологических тел, сопоставимых с объемами реальных импактных событий в земных условиях (исключающих микроимпакты), содержания кремния в них вполне достаточны для образования полного ряда конденсатных продуктов. Иными словами, отобрать образец мрамора или известняка объ- емом в кубический дециметр с содержаниями $ \ll $1 мас. % SiO₂ можно, но найти блок такого же состава объемом в 100 кубометров будет уже гораздо труднее. В кубические километры карбонатных пород, вовлеченных в импактное событие, непременно попадет высококремнистый материал – кремневые конкреции (как макро-, так и микроразмеров), рассеянное глинистое вещество или глинистые отложения, перекрывающие известняки, рассеянные включения кварца и магнезиальных силикатов в мраморах, кальцифиры и скарнированные участки мраморов, прослои и будины кристаллических сланцев в мраморах. Например, импактное событие в Жаманшине затронуло породы до глубин 500–600 м, включая как 200-метровую толщу карбонатно-глинистых осадков, так и метаморфические породы фундамента на сотни метров вглубь. В случае высокоэнергичного импакта с очень высокими давлением и температурой, плавлению и испарению подвергаются кубические километры очень разных по составу горных пород.

В газово-плазменном облаке экстремально высокие давления и температура поначалу снижаются очень быстро, но потом в областях с более умеренными параметрами скорость их снижения замедляется. Поэтому конденсационное окно для тугоплавких элементов (Са, Mg, Al, Ti) будет совсем скоротечным и завершится при температуре порядка 1850°С, в то время как для Si оно будет оставаться открытым до 1750°С [9], продолжаясь на протяжении первых единиц секунд [13]. Вероятно, этим объясняется крайне редкая встречаемость высокотемпературного высококальциевого конденсата, и обнаружение его в рамках настоящей работы является большой удачей. Отмеченный выше факт раскристаллизации высококальциевого конденсата, очевидно, является начальной стадией его разрушения. В то же время высококремниевый конденсат в силу своего состава плохо подвержен раскристаллизации и оказывается наиболее стойким к разрушению. Для высококальциевого конденсата, в составе которого присутствуют и другие элементы, процесс раскристаллизации выражен гораздо ярче, и обнаружить его в первозданном виде практически невозможно. Именно молодой возраст кратера Лонар позволил нам обнаружить, помимо высококремниевого, еще не успевший разрушиться высококальциевый конденсат.

Схожий высококальциевый конденсат недавно был зафиксирован нами на Луне [6]. Шарики размером до 0.5 мкм содержали Al–Ca-ядро, покрытое тонким слоем аморфного SiO₂. Очевидно, что ядро конденсировалось еще в высокотемпературной зоне конденсационного окна и потом покрывалось высококремниевым конденсатом в ходе падения температуры.

Поскольку на Земле на скорость разрушения аморфных импактных конденсатов оказывает влияние состав окружающей среды с присутствием водяных паров, то сохранность этого высококальциевого конденсата за время нахождения в земной атмосфере объясняется консервирующим эффектом высококремниевого покрытия. Однако высококальциевый конденсат, найденный нами в кратере Лонар, не имеет высококремниевого стеклянного покрытия и соответственно не защищен от агрессивного воздействия атмосферы.

В составе обнаруженного нами конденсата кратера Лонар, помимо Ca, зафиксированы еще и Si, Al, Mg и Ti. Согласно экспериментальным данным [14] в высокотемпературной области (2000–2400°С) в парах наряду с труднолетучими оксидами кальция, титана и алюминия постоянно присутствовал SiO. Кроме того, на примере испарения ларнита Ca₂SiO₄ и мервинита Ca₃Mg(SiO₄)₂ Герасимов и соавт. [15] доказали существование в конденсате молекул-кластеров CaSiO₃. Именно кластеры CaSiO₃ являются, по мнению авторов, наиболее устойчивой молекулярной группировкой при испарении различных силикатов. При этом кластеры могут объединять элементы, значительно отличающиеся по индивидуальной летучести.

Присутствие в составе обнаруженного нами высококальциевого конденсата кратера Лонар относительно низколетучих элементов, таких как Fe, Mg и Si, можно объяснить наличием этих элементов в газово-плазменном облаке в виде комплексов или кластеров, температуры конденсации которых точно неизвестны и могут лежать в том же диапазоне.

ВЫВОДЫ

Обнаруженный в кратере Лонар высококремниевый конденсат, аналогичный найденному в кратере Жаманшин и в лунном реголите, подтверждает отсутствие определяющего влияния состава силикатной мишени на состав импактных конденсатов и подтверждает подобие характера протекания мощного импактного процесса в высокотемпературной его области как в земных, так и внеземных условиях.

Наличие в кольцевых структурах высокотемпературных конденсатных стекол может быть одним из диагностических критериев, позволяющих отличать вулканогенные образования от импактных. К типу высокотемпературных конденсатов относятся стекла с высоким содержанием Al, Ca и Ti. Высококремниевые стекла можно приписать как к высокотемпературному, так и среднетемпературному интервалу. Поэтому обнаружение высококальциевых высокотемпературных конденсатных стекол является однозначным свидетельством импактного процесса. К низкотемпературным конденсатам относятся стекла, в составе которых могут превалировать наряду с Si такие элементы, как Na, Mg, K и Fe. Температура образования таких стекол ниже 1500°С. Такой конденсат может возникать не только при импакте, но и при вулканических процессах, включая фумарольные.

Впервые в земном импактном кратере Лонар обнаружен высококальциевый высокотемпературный конденсат. Его находка на практике подтверждает ранее сделанные в литературе теоретические выводы на основании результатов геохимических экспериментов.