Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 496, № 2, стр. 181-183

ВВЕДЕНИЕ

На аккреционной стадии развития Земли ударно-взрывные процессы могли играть важную роль в дифференциации ее вещества. Однако вклад этих процессов в геохимию планеты практически не изучен. Одним из наиболее эффективных и быстро развивающихся методов их изучения является ударный эксперимент, проводимый на легко-газовых метательных установках (см., например, последние работы [1–3]). В публикациях зарубежных авторов основное внимание концентрируется на вопросах ударной дегазации водо-, карбонат- и сульфат-содержащих пород и минералов. При этом вопросы ударного испарения и конденсации силикатного вещества по причине отсутствия соответствующих экспериментальных методик не рассматриваются. Разработанные нами в 80-е годы приемы сбора сконденсированного пара и его анализа с последующим сравнением с исходным веществом мишени позволяют выйти из возникающих методических трудностей [4].

В настоящей статье мы представляем новые экспериментальные данные по ударному испарению серпентинита. Основная задача нашего исследования состояла в решении общей проблемы дифференциации силикатного вещества и, в частности, серпентинита при ударном испарении. Результаты данного исследования могут подсказать и общее направление возможной эволюции состава планеты на стадии глобальной метеоритной бомбардировки. Мишень из серпентинита была выбрана не случайно, так как это вещество близко к составу матрицы примитивных хондритов, где серпентин является главным минералом. Кроме того, серпентинит представляет собой водосодержащую породу и рассматривается как основной носитель воды в процессах ударной дегидратации [5]. Образец мишени имел состав (среднее из 3 анализов в мас. %): SiO₂ 37.3; TiO₂ 0.1; Al₂O₃ 0.6; FeO 6.9; MnO 0.1; MgO 39.1; CaO 0.6; Cr₂O₃ 0.2; п.п.п. 14.5; Сумма: 99.4. Для изучения тренда изменения состава при испарении мы использовали отношение Mg/Si, которое в исходном образце равнялось 1.57 (отношение в атомных процентах).

УДАРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ И МЕТОД АНАЛИЗА

Была проведена серия ударных экспериментов (более 20 выстрелов) на двухступенчатой легко-газовой пушке в НИИ механики МГУ с мишенями разного состава. Результаты одного из экспериментов представлены в настоящей статье. Выстрел был произведен медным сферическим ударником массой ∼0.5 г со скоростью ∼6 км/с. Полет ударника проходил в 13-ти метровой герметизированной баротрассе, заполненной воздухом при давлении ∼5 × 10³ Па. Мишень из серпентинита в форме цилиндра высотой ∼7 см и диаметром ∼10 см устанавливалась в ударную камеру. Схема ударного эксперимента представлена на рис. 1. Ударник, попадая в камеру, разрушал мишень. При этом происходило дробление, плавление, испарение вещества мишени и ударника. Обломочный материал мишени был представлен фракциями от сантиметрового до субмикронного размера. В нем находились отдельные ошлакованные частицы размером ∼1–5 мм, содержащие в виде включений ударное стекло. Медный ударник был полностью расплавлен и частично испарен. Для сбора испаренного вещества (конденсата) использовали металлические полированные подложки из меди, закрытые диафрагмой, с отверстиями диаметром ∼2 мм, и металлической сеткой для отсекания частиц пыли. Подложки устанавливались на расстоянии 6–8 см от места удара. Испаренное вещество достигало подложки и образовывало на его поверхности аморфную пленку конденсата мощностью ∼0.1–0.2 мкм.

Рис. 1.

Схема ударной камеры.

Продукты конденсации исследовались методами аналитической электронной микроскопии на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) JSM-5610. В качестве аналитического блока использовался энергодисперсионный спектрометр (ЭДС) “Oxford Aztec”. Так как на подложке находился очень тонкий пленочный слой и часть падающего электронного пучка проходила сквозь вещество конденсата, возбуждая рентгеновское излучение в мишени, то в ЭДС-спектрах наблюдались пики Сu различной интенсивности. Чтобы учесть погрешность анализа тонкопленочного образца на медной подложке, измеренные в конденсатах отношения Mg/Si сопоставлялись с таковыми на фрагментах различной толщины синтетического эталона флогопита, приклеенного на медную подложку. В результате сравнения вычислялся поправочный коэффициент, позволяющий внести поправку и выполнить корректный анализ конденсата. Были исследованы конденсаты на трех медных подложках. Пятно конденсата имело форму, близкую к окружности диаметром 1–2 мм (рис. 2).

Рис. 2.

Общий вид подложки с конденсатной пленкой (выделено окружностью). 1 – фиксирующий скотч; 2 – Cu-подложка.

Микроскопический осмотр конденсатной пленки показал, что ее поверхность преимущественно ровная, хотя в центральных зонах пятна наблюдались микрократеры, образовавшиеся от ударов проникших через защитную сетку отдельных пылевых частиц (рис. 3). Заметим, что микрократеры возникли при попадании пылевых частиц на уже образованное конденсатное покрытие, что свидетельствует о бóльшей скорости распространения фронта пара относительно фронта пылевых частиц.

Рис. 3.

Микрократеры на поверхности конденсатной пленки.

РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА И ВЫВОДЫ

На каждой из 3 подложек было выполнено 35, 27 и 33 анализа конденсатов. В результате усреднения аналитических данных отношения Mg/Si в них соответственно равнялись: 0.86, 0.84 и 0.86. Таким образом, отношение Mg/Si в конденсате резко уменьшилось (примерно в 1.8 раза) по сравнению с исходным отношением в серпентините, что свидетельствует о преимущественном испарении кремния по сравнению с магнием. Экспериментальные данные однозначно показали селективный характер испарения ударного расплава. Показано также, что при ударном испарении может происходить глубокое разделение вещества между паром и остаточным расплавом. Тем самым в общем виде получен ответ на важный вопрос, поставленный нами в начале статьи: каков тренд изменения состава задает ударное испарение силикатного расплава и, в частности, расплава серпентинита.