Метеоритная решетка

На фото — спил метеорита Нидлз (Needles). Узор на нем напоминает скрещенные иголки — это кристаллы минерала камасита, выросшие совместно с кристаллами тэнита (минерал между иголочками). Такая решетка образуется в большинстве железных метеоритов при их остывании в космических условиях, когда два кристаллизующихся минерала не могут смешиваться. И хотя needles по-английски действительно означает «иголки», свое имя этот метеорит получил не поэтому, а согласно официальным правилам — по месту падения у городка Нидлз (Needles, California) в штате Калифорния.

Тэнит и камасит — это два сплава железа и никеля: в камасите никеля меньше (до 15%), а в тэните больше (до 50%). Однако для того, чтобы увидеть этот узор, недостаточно просто распилить метеорит — спил у него будет абсолютно гладкий. Чтобы зерна минералов стали заметны, нужно протравить поверхность спила азотной кислотой. Такой игольчатый узор называется сложным термином «видманштеттенова структура» (или «видманштеттеновы фигуры»). По степени непринужденности произнесения этих слов всегда можно опознать человека, имеющего дело с метеоритами.

Спил неописанного железного метеорита на рынке в Марракеше, Марокко. Фото © Кирилл Власов, 25 декабря 2019 года

История столь зубодробительного названия началась в 1808 году, когда эти фигуры обнаружил граф Алоиз фон Бек Видманштеттен (Alois von Beckh Widmanstätten) — естествоиспытатель и директор венской императорской Фарфоровой мануфактуры Аугартен. Прокаливая железный метеорит в пламени горелки, он заметил, что некоторые его части меняли цвет раньше других, образуя причудливый клетчатый рисунок. Металлическое железо (Fe⁰) окислялось до железной окалины (Fe₂O₃), и для разных минералов этот процесс происходил с разной скоростью из-за различия их химических свойств. Граф не опубликовал своих изысканий, однако рассказал о них своему приятелю, другому графу-естествоиспытателю — Карлу Францу Антону фон Шрайберсу. Фон Шрайберс в то время заведовал коллекциями (Hof-Naturalien-Cabinet), которые позже лягут в основу венского Музея естествознания, и тоже увлекался метеоритами. Он-то и назвал эти структуры в честь своего товарища, описав их в 1820 году в своей монографии. А в 1847 году открыли минерал шрейберзит ((Fe,Ni)₃P), и имя Шрайберса вошло в мировую минералогическую терминологию.

А вот настоящего первооткрывателя этой структурной особенности гостей из космоса, как сравнительно недавно выяснили историки науки, слава обошла стороной. В 1804 году, обследуя в Неаполе спилы метеорита, привезенного из-под Красноярска академиком Симоном Палассом, английский минералог Вильям Томсон (William Thomson) подметил те самые узоры. Работа ученого во время наполеоновских войн осложнялась необходимостью постоянно переезжать подальше от театра военных действий и невозможностью эффективной коммуникации с коллегами. Так, известен эпизод, когда одно из его писем геологу Грегори Уатту, сыну Джеймса Уатта, было утеряно из-за убийства посыльного. В 1806 году Томсон вынужден был бежать от наступающих войск Наполеона в Палермо, где вскоре и умер в возрасте 46 лет. Поэтому неудивительно, что его открытие прошло незамеченным, а слава первооткрывателя надолго закрепилась за Видманштеттеном.

Фрагмент метеорита Палласово железо из Американского музея Естественной Истории. Фото с сайта ru.wikipedia.org

Механизм образования структур был впервые полностью объяснен лишь через сто лет, когда развитие рентгеновских методов сделало возможным определение структуры минералов, и оказалось, что у камасита и тэнита они разные. В самом простом варианте это объяснение звучит так: при охлаждении сплава железа, содержащего никель (а в наиболее часто встречающихся железных метеоритах класса октаэдритов его от 5 до 18%) до температуры не ниже 900°С сплав будет иметь структуру тэнита, а при меньших температурах эта структура не может вместить в себя всё железо, и начинает расти камасит. Новые кристаллы растут в стесненном пространстве, и наиболее выгодным расположением для них является закономерное, учитывающее ориентацию кристаллической структуры предшествовавшего тэнита — отсюда и решетчатое расположение. Позже были предложены и другие, более сложные объяснения.

Фазовая диаграмма системы железо-никель, показывающая формирование видманштеттеновых фигур. Так, при охлаждении сплава, содержащего около 10% никеля, рост кристаллов камасита начнется примерно при температуре 750 ⁰С. Фото с сайта en.wikipedia.org

Получить в лаборатории такие красивые структуры для сплавов железа и никеля невозможно: для них требуются очень и очень медленные условия охлаждения, по разным оценкам — от десятков до сотен градусов за миллион лет.

Фото © Кирилл Власов, коллекция Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского (ГЕОХИ РАН).

Кирилл Власов