Космогенные сферулы в океане
Ольга Савельева, Дмитрий Савельев, Светлана Москалёва
«Природа» №7, 2020
 Ольга Леонидовна Савельева — кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН. Область научных интересов — литология, стратиграфия. |
 Дмитрий Павлович Савельев — кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник того же института. Круг научных интересов охватывает вопросы петрологии, минералогии, геодинамики. |
 Светлана Васильевна Москалёва — научный сотрудник того же института. Специалист в области электронной микроскопии, минералогии. |
В атмосферу Земли ежедневно поступают тонны, а по некоторым оценкам, десятки и даже сотни тонн космического вещества [1, 2]. Большую его часть составляют микроскопические объекты. Преобразованные частицы космической пыли размером от 10 мкм до 2 мм, достигшие земной поверхности, называют микрометеоритами [3]. Значительная их часть нагревается и плавится во время прохождения через атмосферу, что приводит к образованию космогенных шариков (сферул) с характерными, иногда очень красивыми структурами (рис. 1, а, б). Кроме того, шарики возникают и за счет абляции более крупных тел.
Найти сферулы можно даже на крышах городских домов [4], но многие из них окажутся техногенными — брызгами от сварки, шлифовки и сверления металлов. Материал внеземного генезиса чаще собирают там, где привнос искусственных частиц минимален. Существуют, например, коллекции микрометеоритов изо льда и снега Гренландии и Антарктиды [5, 6]. Во время экспедиции корвета «Челленджер» 1872–1876 гг. космогенные сферулы были обнаружены в глубоководных железомарганцевых конкрециях, а также во вмещающей их красной глине [7]. С этого времени многие исследования были посвящены сферулам из глубоководных океанских осадков, Fe-Mn-конкреций и корок [8–10]. Внутренние области океанов удалены от источников техногенного заражения, и при правильной подготовке проб исследователь может быть уверен, что такие сферулы — природные.
Корки, состоящие из оксидов и гидроксидов Fe и Mn, покрывают поверхности твердых пород на океанских подводных горах на глубине от 400 до 7000 м. Низкие скорости роста корок (менее 10 мм за 1 млн лет) привели к тому, что космогенные сферулы в них сильно сконцентрированы по сравнению с любыми другими отложениями [11]. Например, на Магеллановых горах в западной части Тихого океана в некоторых Fe-Mn-корках содержатся тысячи сферул на килограмм материала [12].
Если антарктические коллекции более или менее отражают состав выпадавших из космоса частиц, то состав сферул в глубоководных осадках и Fe-Mn-образованиях за сотни тысяч или миллионы лет претерпел значительные изменения. Шарики преимущественно силикатного состава растворялись, а более устойчивые, с преобладанием магнетита, — сохранялись [13]. Доля богатых железом сферул в коллекции из водяной скважины на Южном полюсе составляет 3%, а в древних глубоководных отложениях она вырастает до 50% и даже более [4, 14]. Преобладание железных шариков в некоторых коллекциях зависит и от способа их отбора из осадков — при помощи сильного магнита. Не исключено, что на соотношение типов сферул в древних и современных отложениях могло также повлиять изменение во времени состава космического материала, поступающего на Землю [15].
Сферулы с Магеллановых гор. Большинство шариков, выделенных из раздробленного образца Fe-Mn-корки на гайоте Федорова Магеллановых гор, относится к двум типам [16]. Первый (G-тип космогенных сферул) состоит из оксидов железа, которые образуют скелетные кристаллы внутри силикатной основной массы (рис. 1, а, б; 2, а, б). В состав второго (I-тип) входят оксиды железа (рис. 1, в, г) — вюстит FeO и магнетит FeFe2O4 с примесью никеля и кобальта [14]. Внутри оксидной оболочки иногда присутствует металлическое ядро из сплава Fe и Ni, также с примесью Co (рис. 2, в, г). Среди железооксидных сферул (I-типа) встречаются экземпляры с полостями от выпавших ядер (рис. 1, г).
Рис. 2. Структуры космогенных сферул в полированных срезах: а, б — скелетные кристаллы оксидов железа в силикатной основной массе; в, г — сферулы, состоящие из железоникелевого ядра в оболочке из оксидов железа
Морфология поверхности и внутренняя структура выделенных сферул близки к современным микрометеоритам. Состав металлических ядер отвечает тэниту — никелистому метеоритному железу. Подобные ядра внутри шариков обнаружены экспедицией «Челленджера» и последующими исследованиями [7, 9, 13].
Надо отметить, что сферулы могут образоваться и в результате застывания капелек расплава при вулканических извержениях на Земле. Основное отличие космогенных сферул — присутствие железоникелевого ядра, а также некоторые особенности состава. Другой признак космогенного происхождения материала, состоящего из оксидов железа, — наличие вюстита, который не встречается в вулканогенных образованиях. Большинство сферул, выделенных из Fe-Mn-корки гайота Федорова, идентифицируются как космогенные [16].
Как же образовались структуры космогенных сферул? Скелетные кристаллы в сферулах G-типа сформировались при быстром остывании и окислении силикатно-металлического расплава. Частицы космической пыли влетали в атмосферу на огромной скорости, нагревались, плавились, примерно 2 с находились в расплавленном состоянии и, затормозив, быстро застывали [17]. Весь период входа в атмосферу занимал не более 5 с [8]. При плавлении содержащееся в космических частицах железо окислялось, а кристаллизация происходила уже в виде оксидов железа в силикатном матриксе.
Рис. 3. Некоторые модели возникновения и эволюции космогенных сферул при плавлении в атмосфере: а — металлическая частица межпланетной пыли плавится, окисляясь при этом снаружи; металлическое ядро смещается к краю под действием сил инерции и отделяется от оксидной оболочки; б — поверхность железного метеорита плавится, от нее отделяются расплавленные металлические капли (далее см. а); в — частица межпланетной пыли, состоящая из металлов и силикатов, плавится, образуя металлическую и силикатную фракции, которые разделяются силами инерции (далее см. а); г — расплавленная металлическая сферула окисляется снаружи, Fe-Ni-ядро сокращается, концентрируя тугоплавкие элементы; в результате на месте ядра остается «самородок» элементов платиновой группы. Компиляция по [8, 18, 19]
Сферулы I-типа могли образоваться разными способами (рис. 3). Некоторые из них произошли из космической пыли преимущественно железоникелевого состава (см. рис. 3, а). Когда такие частицы плавились в атмосфере, железо на периферии расплавленного шарика начинало окисляться. Металлы, более тугоплавкие (Ni, Co и платиноиды), чем железо, скапливались в неокисленном Fe-Ni-ядре [8, 18, 19], которое гораздо тяжелее оксидной оболочки. Под действием сил инерции при торможении оно смещалось в переднюю часть сферулы (по направлению ее полета). Встречаются сферулы с ядром, выступающим из оболочки. Иногда прямо на лету ядро отделялось от оксидной части, оставляя после себя полость.
Космогенные сферулы I-типа очень похожи на абляционные шарики, отделяющиеся от крупных железных (или богатых железом) метеоритов, когда их поверхность плавится во время полета через атмосферу (см. рис. 3, б). При обильном поступлении абляционных сферул их можно идентифицировать по некоторым особенностям химического состава (например, по более низкому содержанию кобальта в Fe-Ni-ядрах) [18]. Но коллекции, в которых преобладают абляционные сферулы, по-видимому, очень редки.
Эволюция сферулы I-типа бывает и более сложной. Некоторые исследователи предполагают, что частицы космической пыли, давшие начало сферулам I-типа, могли быть не только металлическими, но и силикатно-металлическими [8, 10]. Доказано, что сферулы с Fe-Ni-ядрами из глубоководных осадков Индийского океана образовались из космической пыли, которая имеет состав углистых хондритов различных классов [20, 21]. При входе в атмосферу космическая частица плавилась, при этом металлическая фаза отделялась от силикатного расплава из-за их несмесимости (см. рис. 3, в). Вследствие большой разницы в плотностях металлическая и силикатная фракции разделялись силами инерции, образуя две сферы, которые продолжали полет отдельно друг от друга. Что происходило дальше с выделившейся металлической сферулой, мы уже знаем: она начинала окисляться, формируя Fe-Ni-ядро и оксидную оболочку.
Если металлическое ядро не отделялось от оксидной оболочки, а процесс окисления продолжался, Fe, Ni и Co полностью переходили в окружающие вюстит и магнетит, и на месте ядра могла остаться только совсем небольшая капля самых тугоплавких металлов [8, 10]. Поскольку большинство метеоритов, в особенности железные, содержат много платиноидов, остаточный «самородок», образующийся в вюстит-магнетитовой сферуле, иногда сложен элементами платиновой группы (см. рис. 3, г). Более того, теоретически показано, что при экстремальной скорости частицы температура может подняться свыше 2400°С, ее оксидная оболочка испарится, и на Землю упадет маленький осколок, обогащенный самыми тугоплавкими платиноидами — осмием и иридием [8]. Однако пиковые температуры, которые испытывают микрометеориты размером менее миллиметра, редко превышают 1700°С [17].
Платиноиды в микрометеоритах. Н. Г. Рудрасвами с соавторами наблюдали частицы платиноидов в микрометеоритах, извлеченных из глубоководных осадков Индийского океана [10]. Они описали два типа выделений: размером в несколько микрометров с тугоплавкими иридием, осмием и рутением и размером меньше микрометра, с более летучими элементами — платиной, родием и палладием. Обе ассоциации встречены в одной и той же сферуле. Это означает, что платиноиды фракционируются на две подгруппы вследствие нагревания и окисления при поступлении в атмосферу. Одна наблюдаемая частица включала все платиноиды, кроме палладия — самого летучего из металлов платиновой группы, который, скорее всего, испарился почти полностью [10].
Сходные выделения платиноидов были описаны нами в коллекции, извлеченной из Fe-Mn-корки с Магеллановых гор [16]. В нескольких сферулах, состоящих из глобул магнетита в вюститовом матриксе, обнаружены микровыделения родистой платины размером менее 0,5 мкм. В одной сферуле мы нашли частицу размером 3 мкм, которая состояла из платины, осмия, иридия, рутения с примесью родия, железа и никеля.
Железомарганцевые корки подводных гор важны как потенциальный ресурс многих металлов, в том числе и платиноидов. Среднее содержание Pt в корках Мирового океана составляет, по разным оценкам, от 268 до 450 мг/т [22, 23]. Максимальные концентрации Pt в корках (до 3100 мг/т) обнаружены в северо-западной части Тихого океана [24].
На сегодняшний день наиболее обоснована гипотеза, по которой платина концентрируется в океанских Fe-Mn-корках из воды. Это происходит преимущественно путем сорбции комплексного аниона Pt на оксиде марганца вернадите, с последующим замещением марганца платиной [24, 25]. Платина в этой реакции окисляется, а марганец восстанавливается. Наши находки частиц платиноидов в сферулах из Fe-Mn-корки свидетельствуют в пользу того, что часть платины в гидрогенных корках связана с космическим веществом. П. Хальбах с соавторами считают, что доля космогенной платины в корках может достигать одной четвертой общего ее содержания [26].
Скорее всего, действуют оба механизма. Не исключено, что основным источником платиноидов в океанской воде также служит космогенный материал, ведь метеориты, особенно железные и железокаменные, на один-два порядка больше обогащены платиной по сравнению с большинством пород, составляющих земную кору и мантию.
***
В приведенном обзоре мы рассмотрели удивительно сложную историю падающей из космоса на Землю частицы, проследили, как за 5 с ее торможения успели образоваться прекрасные ажурные структуры и выделиться благородные металлы. Космогенные сферулы могут служить одним из источников платиноидов в глубоководных отложениях. Некоторые из них представляют собой результат интересного природного эксперимента, в микромасштабе повторяющего ранний этап развития планет: разделение на железоникелевое ядро и силикатную мантию.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект 18-17-0015).
Литература
1. Love S. G., Brownlee D. E. A direct measurement of the terrestrial mass accretion rate of cosmic dust // Science. 1993; 262(5133): 550–553.
2. Plane J. M. C. Cosmic dust in the Earth’s atmosphere // Chemical Society Reviews. 2012; 41: 6507–6518.
3. Rubin A. E., Grossman J. N. Meteorite and meteoroid: New comprehensive definitions // Meteoritics and Planetary Science. 2010; 45(1): 114–122.
4. Genge M. J., Larsen J., Ginneken M. Van, Suttle M. D. An urban collection of modern-day large micrometeorites: Evidence for variations in the extraterrestrial dust flux through the Quaternary // Geology. 2017; 45(2): 119–122.
5. Maurette M., Olinger C., Michel-Levy M. C. et al. A collection of diverse micrometeorites recovered from 100 tonnes of Antarctic blue ice // Nature. 1991; 351: 44–47.
6. Taylor S., Lever J. H., Harvey R. P. Numbers, types, and compositions of an unbiased collection of cosmic spherules // Meteoritics and Planetary Science. 2000; 35(4): 651–666.
7. Murray S., Renard A. F. Report on deep-sea deposits based on the specimens collected during the voyage of H. M. S. Challenger in the years 1872 to 1876. L., 1891.
8. Brownlee D. E., Bates D. A., Wheelock M. M. Extraterrestrial Pt-group nuggets in deep sea sediments // Nature. 1984; (303): 693–695.
9. Finkelman R. B. Magnetic particles extracted from manganese nodules: Suggested origin from stony and iron meteorites // Science. 1970; 167: 982–984.
10. Rudraswami N. G., Parashar K., Shyam Prasad M. Micrometer- and nanometer-sized platinum group nuggets in micrometeorites from deep-sea sediments of the Indian Ocean // Meteoritics and Planetary Science. 2011; 46(3): 470–491.
11. Hein J. R., Mizell K., Koschinsky A., Conrad T. A. Deep-ocean mineral deposits as a source of critical metals for high- and green-technology applications: Comparison with land-based resources // Ore Geology Reviews. 2013; 51: 1–14.
12. Торохов М. П., Мельников М. Е. Акцессорные минералы в гидрогенных железомарганцевых корках Тихого океана — россыпной механизм накопления // Доклады Российской академии наук. 2005; 405(4): 511–513.
13. Ginneken M. van, Genge M. J., Folco L., Harvey R. P. The weathering of micrometeorites from the Transantarctic Mountains // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2016; 179: 1–31.
14. Genge M. J., Engrand C., Gounelle M., Taylor S. The classification of micrometeorites // Meteoritics and Planetary Science. 2008; 43(3): 497–515.
15. Taylor S., Brownlee D. E. Cosmic spherules in the geological record // Meteoritics and Planetary Science. 1991; 26(3): 203–211.
16. Савельев Д. П., Ханчук А. И., Савельева О. Л. и др. Первая находка платины в космогенных сферулах железомарганцевых корок (гайот Федорова, Магеллановы горы, Тихий океан) // Доклады Российской академии наук. Науки о Земле. 2020; 491(2): 1–5.
17. Love S. G., Brownlee D. E. Heating and thermal transformation of micrometeoroids entering the Earth’s atmosphere // Icarus. 1991; 89(1): 26–43.
18. Bi D., Morton R. D., Wang K. Cosmic nickel-iron alloy spherules from Pleistocene sediments, Alberta, Canada // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1993; 57: 4129–4136.
19. Dekov V. M., Molin G. M., Dimova M. et al. Cosmic spherules from metalliferous sediments: A long journey to the seafloor. Neues Jahrbuch für Mineralogie-Abhandlungen // Journal of Mineralogy and Geochemistry. 2007; 183(3): 269–282.
20. Herzog G. F., Xue S., Hall G. S. et al. Isotopic and elemental composition of iron, nickel, and chromium in type I deep-sea spherules: Implications for origin and composition of the parent micrometeoroids // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1999; 63(9): 1443–1457.
21. Rudraswami N. G., Shyam Prasad M., Babu E. V. S. S. K., Vijaya Kumar T. Chemistry and petrology of Fe–Ni beads from different types of cosmic spherules: Implication for precursors // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2014; 145: 139–158.
22. Батурин Г. Н., Колесов Г. М. Благородные металлы в Fe-Mn и фосфатных отложениях океана // Материалы XVIII Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. Москва, 16–20 ноября 2009 г. М., 2009: 232–235.
23. Hein J. R., McIntyre B., Koschinsky A. The Global Enrichment of Platinum Group Elements in Marine Ferromanganese Crusts // Extended Abstracts, 10th International Platinum Symposium, 2005. Oulu, 2005; 98–101.
24. Koschinsky A., Hein J. R., Kraemer D. et al. Platinum enrichment and phase associations in marine ferromanganese crusts and nodules based on a multi-method approach // Chemical Geology. 2020; 539: 119426.
25. Maeno M. Y., Ohashi H., Yonezu K. et al. Sorption behavior of the Pt(II) complex anion on manganese dioxide (δ-MnO2): a model reaction to elucidate the mechanism by which Pt is concentrated into a marine ferromanganese crust // Mineralium Deposita. 2016; 51(2): 211–218.
26. Halbach P., Kriete C., Prause В., Puteanus D. Mechanisms to explain the platinum concentration in ferromanganese seamount crusts // Chemical Geology. 1989; 76: 95–106.
Рис. 1. Микрофотографии космогенных сферул, полученные на сканирующем электронном микроскопе: а, б — сферулы G-типа (скелетные кристаллы оксидов железа в силикатной основной массе); в, г — сферулы I-типа, состоящие из оксидов железа (г — с полостью от железоникелевого ядра). Здесь и далее фото авторов