Загадочные шарики в древних земных слоях

Рис. 1. Монолит из разреза Гамс 1, подготовленный для отбора образцов. Латинскими буквами обозначены слои разного возраста. Переходный слой глины между меловым и палеогеновым периодами (возраст около 65 млн. лет), в котором найдено скопление металлических микросфер и пластин отмечен буквой «J». Фото А.Ф. Грачёва

В течение 2003–2008гг. группа российских и австрийских ученых при участии Хайнца Кольманна, известного палеонтолога, куратора Национального парка «Айзенвурцен», проводила изучение катастрофы, случившейся 65 млн. лет назад, когда на Земле вымерло более 75% всех организмов, в том числе и динозавры. Большинство исследователей считают, что вымирание было связано с падением астероида, хотя есть и другие точки зрения.

Следы этой катастрофы в геологических разрезах представлены тонким слоем черных глин мощностью от 1 до 5 см. Один из таких разрезов находится в Австрии, в Восточных Альпах, в Национальном парке недалеко от маленького городка Гамс, расположенного в 200 км к юго-западу от Вены. В результате изучения образцов из этого разреза c помощью сканирующего электронного микроскопа обнаружены необычные по форме и составу частицы, которые в наземных условиях не образуются и относятся к космической пыли.

Космическая пыль на Земле

Впервые следы космического вещества на Земле обнаружены в красных глубоководных глинах английской экспедицией, исследовавшей дно Мирового океана на судне «Челленджер» (1872–1876). Их описали Меррей и Ренард в 1891 г. На двух станциях в южной части Тихого океана при драгировании с глубины 4300 м были подняты образцы железомарганцевых конкреций и магнитных микросфер диаметром до 100 мкм, получивших впоследствии название «космические шарики». Однако детально микросферы железа, поднятые экспедицией на «Челленджере», были исследованы только в последние годы. Выяснилось, что шарики на 90% состоят из металлического железа, на 10% – из никеля, а их поверхность покрыта тонкой корочкой оксида железа.

С обнаружением загадочных шариков в глубоководных глинах, собственно, и связано начало изучения космического вещества на Земле. Однако взрыв интереса исследователей к этой проблеме произошел после первых запусков космических аппаратов, с помощью которых стало возможным отбирать лунный грунт и образцы пылевых частиц из разных участков Солнечной системы. Важное значение имели также работы К.П. Флоренского (1963), изучавшего следы Тунгусской катастрофы, и Е.Л. Кринова (1971), исследовавшего метеорную пыль на месте падения Сихотэ-Алиньского метеорита.

Интерес исследователей к металлическим микросферам привел к тому, что их стали обнаруживать в осадочных породах разного возраста и происхождения. Металлические микросферы найдены во льдах Антарктики и Гренландии, в глубоководных океанических осадках и марганцевых конкрециях, в песках пустынь и приморских пляжей. Часто встречаются они в метеоритных кратерах и рядом с ними.

В последнее десятилетие металлические микросферы внеземного происхождения находят в осадочных породах разного возраста: от нижнего кембрия (около 500 млн. лет назад) до современных образований.

Данные о микросферах и других частицах из древних отложений позволяют судить об объемах, а также о равномерности или неравномерности поступления космического вещества на Землю, об изменении состава поступавших на Землю частиц из космоса и о первоисточниках этого вещества. Это важно, поскольку эти процессы влияют на развитие жизни на Земле. Многие из этих вопросов еще далеки от разрешения, однако накопление данных и всестороннее их изучение, несомненно, позволит ответить на них.

Сейчас известно, что общая масса пыли, обращающейся внутри земной орбиты, порядка 10¹⁵ т. На поверхность Земли ежегодно выпадает от 4 до 10 тыс. т космического вещества. 95% падающего на поверхность Земли вещества составляют частицы размером 50–400 мкм. Вопрос же о том, как меняется во времени скорость поступления космического вещества на Землю, остается спорным до сих пор, несмотря на множество исследований, проведенных в последние 10 лет.

Исходя из размеров частиц космической пыли, в настоящее время выделяют собственно межпланетную космическую пыль размером менее 30 мкм и микрометеориты крупнее 50 мкм. Еще раньше Е.Л. Кринов предложил мельчайшие оплавленные с поверхности осколочки метеорного тела называть микрометеоритами.

Строгие критерии разграничения космической пыли и метеоритных частиц пока не разработаны, и даже на примере изученного нами разреза Гамс показано, что металлические частицы и микросферы разнообразнее по форме и составу, чем предусмотрено имеющимися классификациями. Практически идеальная сферическая форма, металлический блеск и магнитные свойства частиц рассматривались как доказательство их космического происхождения. По мнению геохимика Э.В. Соботовича, «единственным морфологическим критерием оценки космогенности исследуемого материала является наличие оплавленных шариков, в том числе магнитных». Однако помимо формы, крайне разнообразной, принципиально важен химический состав вещества. Исследователи выяснили, что наряду с микросферами космического происхождения существует огромное количество шариков иного генезиса – связанные с вулканической деятельностью, жизнедеятельностью бактерий или метаморфизмом. Известны данные о том, что железистые микросферы вулканогенного происхождения значительно реже бывают идеальной сферической формы и к тому же имеют повышенную примесь титана (Ti) (более 10%).

Российско-австрийская группа геологов и съемочная группа Венского телевидения на разрезе Гамс в Восточных Альпах. На переднем плане – А.Ф.Грачев

Происхождение космической пыли

Вопрос о происхождении космической пыли по-прежнему предмет дискуссии. Профессор Э.В. Соботович полагал, что космическая пыль может представлять собой остатки первоначального протопланетного облака, против чего в 1973 г. возражали Б.Ю. Левин и А.Н. Симоненко, считая, что мелкодисперсное вещество не могло долго сохраняться (Земля и Вселенная, 1980, № 6).

Существует и другое объяснение: образование космической пыли связано с разрушением астероидов и комет. Как отмечал Э.В. Соботович, если количество космической пыли, поступающей на Землю, не меняется во времени, то правы Б.Ю. Левин и А.Н. Симоненко.

Несмотря на большое число исследований, ответ на этот принципиальный вопрос в настоящее время не может быть дан, ибо количественных оценок очень мало, а их точность дискусcионна. В последнее время данные изотопных исследований по программе NASA частиц космической пыли, отобранных в стратосфере, позволяют предполагать существование частиц досолнечного происхождения. В составе этой пыли были обнаружены такие минералы, как алмаз, муассанит (карбид кремния) и корунд, которые по изотопам углерода и азота позволяют относить их образование ко времени до формирования Солнечной системы.

Важность изучения космической пыли в геологическом разрезе очевидна. В данной статье приведены первые результаты исследования космического вещества в переходном слое глин на границе мела и палеогена (65 млн. лет назад) из разреза Гамс, в Восточных Альпах (Австрия).

Общая характеристика разреза Гамс

Частицы космического происхождения получены из нескольких разрезов переходных слоев между мелом и палеогеном (в германоязычной литературе – граница К/Т), расположенных недалеко от альпийской деревни Гамс, где одноименная река в нескольких местах вскрывает эту границу.

В разрезе Гамс 1 из обнажения был вырезан монолит, в котором граница К/T выражена очень хорошо. Его высота – 46 см, ширина – 30 см в нижней части и 22 см – в верхней, толщина – 4 см. Для общего изучения разреза монолит был разделен через 2 см (снизу вверх) на слои, обозначенные буквами латинского алфавита (A, B,C…W), а в пределах каждого слоя также через 2 см проведена маркировка цифрами (1, 2, 3 и т.д.). Более детально изучался переходный слой J на границе К/T, где были выделены шесть субслоев мощностью около 3 мм.

Результаты исследований, полученные в разрезе Гамс 1, во многом повторены при изучении другого разреза – Гамс 2. В комплекс исследований входило изучение шлифов и мономинеральных фракций, их химический анализ, а также рентгено-флуоресцентный, нейтронно-активиационный и рентгено-структурный анализы, изотопный анализ гелия, углерода и кислорода, определение состава минералов на микрозонде, магнитоминералогический анализ.

Многообразие микрочастиц


Железные и никелевые микросферы из переходного слоя между мелом и палеогеном в разрезе Гамс: 1 – микросфера Fe с грубой сетчато-бугристой поверхностью (верхняя часть переходного слоя J); 2 – микросфера Fe с грубой продольно-параллельной поверхностью (нижняя часть переходного слоя J); 3 – микросфера Fe с элементами кристаллографической огранки и грубой ячеисто-сетчатой текстурой поверхности (слой M); 4 – микросфера Fe с тонкой сетчатой поверхностью (верхняя часть переходного слоя J); 5 – микросфера Ni с кристаллитами на поверхности (верхняя часть переходного слоя J); 6 – агрегат спекшихся микросфер Ni с кристаллитами на поверхности (верхняя часть переходного слоя J ); 7 – агрегат микросфер Ni с микроалмазами (С; верхняя часть переходного слоя J); 8, 9 – характерные формы металлических частиц из переходного слоя между мелом и палеогеном в разрезе Гамс в Восточных Альпах

В переходном слое глины между двумя геологическими границами – мелом и палеогеном, а также на двух уровнях в вышележащих отложениях палеоцена в разрезе Гамс найдено множество металлических частиц и микросфер космического происхождения. Они значительно разнообразнее по форме, текстуре поверхности и химическому составу, чем все известные до сих пор в переходных слоях глины этого возраста в других регионах мира.

В разрезе Гамс космическое вещество представлено мелкодисперсными частицами различной формы, среди которых наиболее распространенными являются магнитные микросферы размером от 0.7 до 100 мкм, состоящие на 98% из чистого железа. Такие частицы в виде шариков или микросферул в большом количестве встречены не только в слое J, но и выше, в глинах палеоцена (слои K и М).

Микросферы состоят из чистого железа или магнетита, некоторые из них имеют примеси хрома (Cr), сплава железа и никеля (аваруита), а также из чистого никеля (Ni). Некоторые частицы Fe-Ni содержат примесь молибдена (Mo). В переходном слое глины между мелом и палеогеном все они обнаружены впервые.

Никогда прежде не попадались и частицы с высоким содержанием никеля и значительной примесью молибдена, микросферы с наличием хрома и куски спиралевидного железа. Кроме металлических микросфер и частиц в переходном слое глины в Гамсе обнаружены Ni-шпинель, микроалмазы с микросферами чистого Ni, а также рваные пластины Au, Cu, которые не встречены в ниже- и вышележащих отложениях.

Характеристика микрочастиц

Металлические микросферы в разрезе Гамс присутствуют на трех стратиграфических уровнях: в переходном слое глины сосредоточены разнообразные по форме железистые частицы, в вышележащих мелкозернистых песчаниках слоя K, а третий уровень образуют алевролиты слоя M.

Некоторые сферы имеют гладкую поверхность, другие - сетчато-бугристую поверхность, третьи покрыты сеткой мелких полигональных или системой параллельных трещин, отходящих от одной магистральной трещины. Они бывают полыми, скорлуповидными, заполненными глинистым минералом, могут иметь и внутреннее концентрическое строение. Металлические частицы и микросферы Fe встречаются по всему переходному слою глины, но в основном сосредоточены на нижних и средних горизонтах.

Микрометеориты представляют собой оплавленные частицы чистого железа или железо-никелевого сплава Fe-Ni (аваруит); их размеры – от 5 до 20 мкм. Многочисленные частицы аваруита приурочены к верхнему уровню переходного слоя J, тогда как чисто железистые присутствуют в нижней и верхней частях переходного слоя.

Частицы в виде пластин с поперечно-бугристой поверхностью состоят только из железа, их ширина – 10–20 мкм, длина – до 150 мкм. Они слегка дугообразно изогнуты и встречаются в основании переходного слоя J. В его нижней части также встречены пластины Fe-Ni с примесью Mo.

Пластины из сплава железа и никеля имеют удлиненную форму, слегка изогнуты, с продольными бороздками на поверхности, размеры колеблются в длину от 70 до 150 мкм при ширине около 20 мкм. Чаще они встречаются в нижней и средней частях переходного слоя.

Железистые пластины с продольными бороздками по форме и размерам идентичны пластинам сплава Ni-Fe. Они приурочены к нижней и средней частям переходного слоя.

Особый интерес представляют частицы чистого железа, имеющие форму правильной спирали и изогнутые в виде крючка. В основном они состоят из чистого Fe, редко это сплав Fe-Ni-Mo. Частицы спиралевидного железа встречаются в верхней части переходного слоя J и в вышележащем прослое песчаника (слой K). Спиралевидная частица Fe-Ni-Mo найдена в основании переходного слоя J.

В верхней части переходного слоя J присутствовало несколько зерен микроалмазов, спекшихся с Ni-микросферами. Микрозондовые исследования никелевых шариков, проведенные на двух приборах (с волновыми и энергодисперсионными спектрометрами), показали, что эти шарики состоят из практически чистого никеля под тонкой пленкой окиси никеля. Поверхность всех никелевых шариков усеяна четкими кристаллитами с выраженными двойниками размером 1–2 мкм. Столь чистый никель в виде шариков с хорошо раскристаллизованной поверхностью не встречается ни в магматических породах, ни в метеоритах, где никель обязательно содержит значимое количество примесей.

При изучении монолита из разреза Гамс 1 шарики чистого Ni встречены только в самой верхней части переходного слоя J (в самой верхней его части – очень тонком осадочном слое J ₆, толщина которого не превышает 200 мкм), а по данным термагнитного анализа металлический никель присутствует в переходном слое, начиная с субслоя J₄. Здесь наряду с шариками Ni обнаружены и алмазы. В слое, снятом с кубика площадью 1 см², количество найденных зерен алмаза исчисляется десятками (с размером от долей микронов до десятков микронов), а никелевых шариков таких же размеров – сотнями.

В образцах верхней части переходного слоя, взятых непосредственно из обнажения, были обнаружены алмазы с мелкими частицами никеля на поверхности зерна. Существенно, что при изучении образцов из этой части слоя J, выявлено также присутствие и минерала муассанита. Ранее микроалмазы были найдены в переходном слое на границе мела и палеогена в Мексике.

Находки в других районах

Микросферы Гамса с концентрическим внутренним строением аналогичны тем, что были добыты экспедицией «Челленджер» в глубоководных глинах Тихого океана.

Частицы железа неправильной формы с оплавленными краями, а также в виде спиралей и изогнутых крючков и пластин обладают большим сходством с продуктами разрушения падающих на Землю метеоритов, их можно рассматривать как метеоритное железо. К этой же категории могут быть отнесены частицы аваруита и чистого никеля.

Изогнутые железные частицы близки разнообразным формам слез Пеле – капель лавы (лапиллей), которые выбрасывают в жидком состоянии вулканы из жерла при извержениях.

Таким образом, переходный слой глины в Гамсе имеет гетерогенное строение и отчетливо подразделяется на две части. В нижней и средней частях преобладают частицы и микросферы железа, тогда как верхняя часть слоя обогащена никелем: частицами аваруита и микросферами никеля с алмазами. Это подтверждается не только распределением частиц железа и никеля в глине, но также данными химического и термомагнитного анализов.

Сравнение данных термомагнитного анализа и микрозондового анализа свидетельствует о чрезвычайной неоднородности в распределении никеля, железа и их сплава в пределах слоя J, однако по результатам термомагнитного анализа чистый никель фиксируется только, со слоя J₄. Обращает на себя внимание и то, что спиралевидное железо встречается преимущественно в верхней части слоя J и продолжает встречаться в перекрывающем его слое K, где, однако, мало частиц Fe, Fe-Ni изометричной или пластинчатой формы.

Подчеркнем, что столь явная дифференциация по железу, никелю, иридию, проявленная в переходном слое глины в Гамсе, имеется и в других районах. Так, в американском штате Нью-Джерси в переходном (6 см) сферуловом слое иридиевая аномалия резко проявилась в его основании, а ударные минералы сосредоточены только в верхней (1 см) части этого слоя. На Гаити на границе мела и палеогена и в самой верхней части сферулового слоя отмечается резкое обогащение Ni и ударным кварцем.

Фоновое явление для Земли

Многие особенности найденных сферул Fe и Fe-Ni аналогичны шарикам, обнаруженным экспедицией «Челленджер» в глубоководных глинах Тихого океана, в районе Тунгусской катастрофы и местах падения Сихотэ-Алиньского метеорита и метеорита Нио в Японии, а также в осадочных горных породах разного возраста из многих районов мира. Кроме районов Тунгусской катастрофы и падения Сихотэ-Алиньского метеорита, во всех других случаях образование не только сферул, но и частиц различной морфологии, состоящих из чистого железа (иногда с содержанием хрома) и сплава никеля с железом, никакой связи с импактным событием не имеет. Мы рассматриваем появление таких частиц как результат падения на поверхность Земли космической межпланетной пыли – процесса, который непрерывно продолжается с момента образования Земли и представляет собой своего рода фоновое явление.

Многие частицы, изученные в разрезе Гамс близки по составу к валовому химическому составу метеоритного вещества в месте падения Сихотэ-Алиньского метеорита (по данным Е.Л. Кринова, это 93.29% железа, 5.94% никеля, 0.38% кобальта).

Присутствие молибдена в некоторых частицах не является неожиданным, поскольку его включают метеориты многих типов. Содержание молибдена в метеоритах (железных, каменных и углистых хондритах) находится в пределах от 6 до 7 г/т. Самым важным стала находка молибденита в метеорите Алленде в виде включения в сплаве металла следующего состава (вес.%): Fe – 31.1, Ni – 64.5, Co – 2.0, Cr – 0.3, V – 0.5, P – 0.1. Следует отметить, что самородный молибден и молибденит были обнаружены и в лунной пыли, отобранной автоматическими станциями «Луна-16», «Луна-20» и «Луна-24».

Впервые найденные шарики чистого никеля с хорошо раскристаллизованной поверхностью не известны ни в магматических породах, ни в метеоритах, где никель обязательно содержит значимое количество примесей. Такая структура поверхности никелевых шариков могла возникнуть в случае падения астероида (метеорита), которое привело к выделению энергии, позволившей не только расплавить материал упавшего тела, но и испарить его. Пары металла могли быть подняты взрывом на большую высоту (вероятно, на десятки километров), где и происходила кристаллизация.

Частицы, состоящие из аваруита (Ni₃Fe), найдены вместе с металлическими шариками никеля. Они относятся к метеорной пыли, а оплавленные частицы железа (микрометеориты) следует рассматривать как «метеоритную пыль» (по терминологии Е.Л. Кринова). Кристаллы алмаза, встреченные вместе с шариками никеля, вероятно, возникли в результате абляции (плавления и испарения) метеорита из того же облака пара при его последующем охлаждении. Известно, что синтетические алмазы получают методом спонтанной кристаллизации из раствора углерода в расплаве металлов (Ni, Fe) выше линии фазового равновесия графит–алмаз в форме монокристаллов, их сростков, двойников, поликристаллических агрегатов, каркасных кристаллов, кристаллов игольчатой формы, неправильных зерен. Практически все из перечисленных типоморфных особенностей кристаллов алмаза были обнаружены в изученном образце.

Это позволяет сделать вывод о схожести процессов кристаллизации алмаза в облаке никель-углеродного пара при его охлаждении и спонтанной кристаллизации из раствора углерода в расплаве никеля в экспериментах. Однако окончательный вывод о природе алмаза можно будет сделать после детальных изотопных исследований, для чего необходимо получить достаточно большое количество вещества.

Таким образом, изучение космического вещества в переходном глинистом слое на границе мела и палеогена показало его присутствие во всех частях (от слоя J₁ до слоя J₆), но признаки импактного события фиксируются только со слоя J₄, возраст которого 65 млн. лет. Этот слой космической пыли можно сопоставить со временем гибели динозавров.

Работа выполнена при поддержке программы «Взаимодействие плюма с литосферой» (№ 5) Отделения наук о Земле РАН и гранта Президента РФ для поддержки научных школ ЗШ-1901.2003.5.

Источник: "Земля и Вселенная", 2008, №5

Статью о журнале "Земля и Вселенная" можно прочитать здесь.