Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 504, № 1, стр. 28-33

Наибольшая часть внеземного вещества на Земле представлена обломками равновесных обыкновенных хондритов (РОХ). РОХ сложены субмиллиметровыми силикатными сферулами – хондрами, образовавшимися в результате быстрого охлаждения капель расплава в газово-пылевом облаке на ранних этапах становления Солнечной системы. РОХ никогда не претерпевали процессов дифференциации и сегрегации ядро–мантия, что позволило им сохранить свойства первичного вещества. Однако в результате термального метаморфизма на родительских телах хондритов состав минералов РОХ по главным элементам был частично (петрографические типы РОХ 4 и 5) или полностью (тип 6) уравновешен [10].

Содержание редких элементов в минералах хондритов способно дать новую информацию об особенностях процессов и условиях образования РОХ. Так, изучение состава редких тугоплавких элементов в оливине, пироксене и стекле хондр неравновесных обыкновенных хондритов (НОХ) выявило различные виды кристаллизации порфировых хондр и позволило определить их относительные скорости остывания [12–14]. Состав умеренно летучих редких элементов обычно отражает взаимодействие хондры с окружающим газом в протопланетном облаке [18, 19]. Изучение состава редких элементов в минералах матрицы позволяет выявить образование этих элементов в схожих или различных с хондрами условиях протопланетного диска [11].

В этой работе нами определено влияние термального метаморфизма на состав силикатных минералов в порфировых хондрах равновесного обыкновенного хондрита Орловка (H5).

Метеорит Орловка – один из крупнейших экземпляров, обнаруженных в Западной Сибири. Его вес составляет 40.5 кг, а первоначальный размер 21 × 30 × 37 см. [2]. Метеорит был найден в июле 1928 г. крестьянином Н.К. Ахметовым во время работы на своем пахотном участке около д. Орловка (ныне граница Новосибирской и Омской областей). Через два года после находки образец был доставлен в Омский краеведческий музей, где после осмотра П.Л. Драверт отнес его к классу каменных метеоритов (steinmeteorite).

Первое петрографическое описание метеорита было составлено П.Н. Чирвинским [8]. Метеорит сложен оливиновыми хондрами с вкрапленниками сульфидного железа и пластинками самородного железа и никеля. Во второй половине XX века отечественными специалистами были определены валовый химический состав [3] метеорита и содержание в нем инертных газов (³He = 8.2 × 10^–8 см³/г, ²²Ne = 1.84 × 10^–8 см³/г, ³⁶Ar = 1.51 × 10^–8 см³/г) [5]. Изотопный состав Pb в метеорите Орловка был измерен в 1964 г. и оказался близок к составу Pb в силикатной части железокаменного метеорита Брагин, что могло быть вызвано контаминацией земным Pb при взаимодействии с почвенными водами. Вероятность такой контаминации очень высока, поскольку оба метеорита относятся к группе находок и долго лежали в грунте до момента обнаружения [6]. В 1965 г. был определен K–Ar-методом (4.2 млрд лет) и U–Th–He-методом (3.6 млрд лет) возраст метеорита Орловка, что подтвердило его древнее происхождение [1]. Вычисленный радиационный He–H- и Ne–Na-возраст показал, что хондрит был отделен от родительского тела около 4.0–5.6 млн лет назад [1, 9].

В этой работе проведено дальнейшее изучение вещества метеорита Орловка, образец которого был предоставлен Горным музеем Санкт-Петербургского горного университета. Химический состав главных элементов в минералах хондр определен методом EPMA в ИГГД РАН на микрозонде “Jeol” JXA-8230 с четырьмя волновыми дисперсионными спектрометрами (WDS). Точечные измерения состава минералов выполнялись с ускоряющим напряжением 20 кВ и током 20 нА. Диаметр сфокусированного пучка составил 3 мкм. В качестве стандартов использовались природные минералы, чистые оксиды и металлы. Для коррекции матричного эффекта использовался алгоритм ZAF. Линии Кα1 измерялись для всех элементов.

Содержание редких (TE) и редкоземельных элементов (REE) в минералах определено методом масс-спектрометрии вторичных ионов (SIMS) на ионном микрозонде “Cameca” IMS-4f в ЯФ ФТИАН. Перед измерениями препарат напылялся золотом. Условия съемки на ионном микрозонде “Cameca” IMS-4f: первичный пучок ионов 16О$_{2}^{ - }$, диаметр пучка ~20 мкм; ток ионов 5–7 нА; ускоряющее напряжение первичного пучка 15 кэВ. Погрешность измерений не превышала 10% для примесей с концентрациями >1 ppm и 20% для концентраций <1 ppm. Содержание редких элементов в породообразующих минералах определялось максимально близко к точкам анализа главных элементов методом EPMA. Спектры распределения REE минералов нормировались к хондриту CI [16].

Земное выветривание и импактный метаморфизм метеоритов влияют на мобилизацию редких элементов в силикатных минералах хондритов [15, 17]. Учитывая, что метеорит Орловка относится к группе находок и неизвестно, как долго он был подвергнут земному выветриванию, на первом этапе исследования авторы определили степень выветривания и ударную стадию этого метеорита по методикам [10, 20]. Метеорит Орловка отличается присутствием большого количества крупных пор и трещин, заполненных никелистым железом (тэнит-камасит), сульфидами или их вторичными минералами. Вторичные минералы встречаются довольно редко, замещают около 20–30% минералов, что отражает малую степень выветривания метеорита, соответствующей степени W2. Большое количество трещин, заполненных рудными минералами, но отсутствие двойников оливина, позволяет оценить ударную стадию метеорита Орловка как S3.

В метеорите Орловка были изучены оливин и плагиоклаз трех крупных (от 0.5 до 1 мм) порфировых хондр PO-1, PO-2 и POP-3 (рис. 1). Хондры PO-1 и PO-2 сложены идиоморфными вкрапленниками оливина, интерстиции между которыми занимают неполностью раскристаллизованный плагиоклаз. Хондра POP-3 сложена в равной степени оливином и энстатитом, плагиоклаз практически отсутствует.

Рис. 1.

Фотографии и минеральный состав хондр РО-1 (а), РО-2 (б) и РОР-3 (в) метеорита Орловка в обратно-отраженных электронах. Ol – оливин, Px – пироксен, Pl – плагиоклаз, Tro – троилит, Kam – камасит.

Оливин в метеорите Орловка по составу главных элементов гомогенен (табл. 1) и относится к форстериту (Fo 79–80). Оливин хондры PO-1 отличается высоким содержанием тугоплавких Ti, Y, Al и умеренно летучих Ba, Rb несовместимых элементов, по сравнению с оливином хондр PO-2 и POP-3 (табл. 1). В оливине хондр проявлена сильная прямая корреляция Nb и Zr (r = 0.75) (рис. 2). При этом оливин хондры PO-1 обладает наибольшим средним содержанием Nb и Zr, оливин хондры PO-2 – наименьшим, а для оливина POP-3 характерны промежуточные значения. Содержание редких элементов (ТЕ) в оливине метеорита Орловка близко к хондритовым значениям (рис. 3а), при этом спектры распределения TE в метеорите сильно дифференцированы. На рис. 3а наблюдается явное разделение хондр по содержанию в оливине Y, Al, Nb, Sr, Ba и Ni.

Рис. 2.

Соотношение редких элементов (ppm) в оливине (а) и плагиоклазе (б) хондр РО-1, РО-2 и РОР-3 метеорита Орловка.

Рис. 3.

Содержания редких элементов в оливине (а) и плагиоклазе (б) хондр метеорита Орловка, нормированные к CI хондриту. Данные о составе минералов НОХ приведены по [12, 16].

Плагиоклаз в метеорите Орловка слабо раскристаллизован и чаще всего представлен смесью плагиоклаза и пироксена. В порфировых хондрах плагиоклаз характеризуется олигоклаз-андезиновым (An 19–49, Or 2–9) составом и минимальной степенью раскристаллизованности. Особенности распределения ТЕ в хондрах метеорита Орловка сохраняются и для плагиоклаза. Плагиоклаз хондры PO-1 обогащен тугоплавкими (Nb, Y) элементами и REE относительно плагиоклаза хондры PO-2. Прямая корреляция отношения Nb/Zr, наблюдаемая в оливине обеих хондр, фиксируется только в плагиоклазе хондры PO-1 (рис. 2 б). Содержание умеренно летучих совместимых (Sr, Ba, Rb) и несовместимых (V, Cr) элементов в плагиоклазе обеих хондр находится примерно на одном уровне (рис. 3б). В целом содержание ТЕ в плагиоклазе хондр выше, чем в хондритах. Спектр распределения ТЕ имеет ярко выраженную положительную Eu-аномалию. Содержание HREE преобладает над LREE (0.5 < (La/Sm)_N < < 3.3; 0.2 < (Ce/Yb)_N < 2.3).

Наблюдаемые различия в содержании ТЕ в оливине и плагиоклазе РОХ отражают сохранение индивидуальных особенностей хондр при воздействии термального метаморфизма на родительских телах хондритов. Оливин хондр РО-1 и РОР-3 обогащен ТЕ относительно хондры РО-2 и минералов НОХ (рис. 3а). При этом содержание ТЕ в оливине РОХ значительно варьирует и не демонстрирует признаков уравновешивания. Плагиоклаз хондр отличается меньшими вариациями содержания ТЕ, тем не менее, как и оливин, сохраняет геохимические особенности хондр. Плагиоклаз хондры РО-1 обогащен TE, не только относительно хондры РО-2, но и плагиоклаза неравновесного углистого хондрита (НУХ) Vigarano (рис. 3б). Обнаруженная неуравновешенность содержания редких элементов в метеорите Орловка подтверждает полученные ранее геохимические данные для равновесного обыкновенного хондрита Бушхов (L6) [7].

Однако, несмотря на сохранение геохимических особенностей хондр и сильную вариативность содержания ТЕ в оливине, влияние термального метаморфизма нельзя полностью исключить. Плагиоклаз метеорита Орловка обеднен REE относительно мезостазиса (стекла) хондр НОХ (рис. 3б). При образовании плагиоклаза в результате нагрева и раскристаллизации мезостазиса происходит мобилизация REE, их вынос за пределы хондры и образование апатита и высоко-Са пироксена.

Геохимические различия порфировых хондр метеорита Орловка предполагают неоднородность источника расплава. Образование хондр в основном рассматривается как результат плавления минеральных предшественников (precursor) хондр или прямой конденсации небулярного газа в расплав [10]. Учитывая относительную гомогенность газово-пылевого облака и множественные находки реликтовых зерен оливина в порфировых хондрах, полученные данные в большей степени поддерживают предположение о появлении хондр в результате плавления материалов-прекурсоров. Обогащение тугоплавкими (Zr, Nb) и редкоземельными элементами минералов хондры РО-1 может объясняться присутствием кальций-алюминиевых включений среди прекурсорного материала некоторых хондр [4].

Таким образом, оливин порфировых хондр метеорита Орловка не испытал уравновешивания в отношении редких элементов (ТЕ) при термальном метаморфизме. Хондры петрологического типа РОХ 5 сохранили свои геохимические особенности, заключающиеся в обогащенности или обедненности ТЕ относительно друг друга и хондр НОХ. Обнаруженное геохимическое различие хондр поддерживает гипотезу о плавлении минеральных прекурсоров хондр в газово-пылевом облаке.