Crystallisation of the metal in iie irons and possible meteorite analog

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Железные метеориты группы IIE были выделены Скоттом и Вассоном (Scott, Wasson, 1976). Независимо от наличия силикатных включений и их состава, железные метеориты IIE имеют сходный химический состав металла (Ni – 8.27 ± 0.54 мас. %, Ga – 23.9 ± 3.04 мкг/г, Ge – 88.3 ± 78.0 мкг/г, Ir – 5.02 ± 1.6 мкг/г; Wasson, 2017). Для метеоритов группы IIE также характерны небольшие вариации содержания Ir (~ в 7 раз; Wasson, 2017) по сравнению с метеоритами магматических групп, в которых концентрации Ir меняются в широких пределах и различаются в 6000 раз в пределах группы. Так, например, метеориты группы IIAB содержат от 0.01 до 60 мкг/г Ir. Кроме того, в металле метеоритов группы IIE обнаружены вариации изотопного состава Ge, объясняемые испарением с потерей легких изотопов Ge и Ga на поверхности тела, вероятно, вследствие ударного события (Luais, 2007). На основании этих фактов некоторые исследователи пришли к заключению о том, что металл метеоритов группы IIE был образован «немагматическим» путем, то есть кристаллизовался не в ядрах астероидов при фракционной кристаллизации расплава, а на поверхности в виде небольших металлических бассейнов расплава при ударном событии (Scott, Wasson, 1976; Wasson, Wang, 1986; Ebihara et al., 1997; Wasson, 2017). В пользу такой интерпретации свидетельствует мелкозернистая структура металла метеоритов группы IIE, так как размер родительских кристаллов γ-железа (от 1–11 см, табл. 1) невелик по сравнению с метровыми кристаллами в метеоритах IIIAB (до 2 м) (Wasson, 2017). Присутствие в метеоритах группы IIE силикатных включений, иногда риолитового состава, также сложно объяснить формированием в эндогенных условиях астероидов. Однако распределение тугоплавких сидерофильных элементов в металле IIE указывает на их образование в результате магматического фракционирования в ядре родительского тела (Teplyakova et al., 2012). Это явилось основанием предположить, что повторное переплавление металла эндогенного происхождения могло происходить на поверхности родительского тела при ударных событиях (Теплякова и др., 2018).

 

Таблица 1. Структурные и химические характеристики метеоритов группы IIE

Название метеорита	Структурная классификация; размер родительского (γ) кристалла	Ширина балок (kam), мм	Каймы шрейберзита на включениях	Области локального плавления	Cиликат, об. %	Шрейберзит, об.%	Троилит, об.%	Ni, мас.%	P, мас.%	Ссылки
Arlington	Om; γ=2-3 см	0.8	-	-	-	-	-	8.42	-	5; 10
Barranca Blanca	An; γ=2-5 мм	2	-	-	-	1	3	8.07	-	2; 5
Colomera	Om; γ=10 см	0.7	-	-	3	2	1	7.16	-	2; 5; 10
Elephant Moraine 83390	An-Om	1.1	-	-	-	1	-	8.3	-	5
Garhi Yasin	Om	1.05	-	-	1–2	3	3	8.3	0.15	5
Kavarpura	Of	-	-	-	-	-	-	-	-	5
Kodaikanal	Off	0.05	+	-	15	2	3	8.42	-	4
Leshan	Of реликты	0.5	-	-	-	-	-	9.5	-	5
Miles	Of; γ=2 см	2	+	-	10–20	1	1	7.96	-	7; 10; 14
Нечаево	Оm реликты	1.35	-	+	25	3	3	8.29	0.15	9
NWA 5608	-	-	-	-	-	-	-	-	-	5
NWA 6716	An; γ=2 мм	-	-	-	-	2	3	-	-	5
Robert Massif 04186	An; γ=3 мм	-	-	-	-	-	-	-	-	5
Tarahumara	γ=5 см	0.1	-	-	2	-	-	7.91	-	5; 10
Taylor Glacier 05181	-	0.8	-	-	3	-	3	-	-	5; 10
Techado	Om	0.6	-	-	2	-	1	8.9	-	5; 10
Тобычан	Og; γ=1 см	2.45	+	-	-	2.4	0.06	7.71	0.3	12; 14
Watson 001	Off; γ=6 см	0.07	+	+	3	2.1	3	8.2	0.5	6; 14
Weekeroo Station	An; γ=2-4 см	2.5	-	-	3.77	0,5	3	7.5	-	2; 8
Yamato 791093	-	-	-	-	-	-	-	-	-	5
Верхнеднепровск	Off; γ=2 см	0.05	+	+	-	2	1	8.78	-	1; 2; 3
Эльга	Off; γ=1 см	0.05	+	+	18	-	-	8.38	0.47	11;13;14

Ссылки: 1 – Bevan, 1979; 2 – Buchwald, 1975; 3 – Buchwald, 1987; 4 – Kurat et al., 2007; 5 – Meteoritical Bull. (http://www.lpi.usra.edu/meteor/); 6 – Olsen et al., 1994; 7 – Ruzicka, Hutson, 2010; 8 – Ruzicka et al., 1999; 9 – Van Roosbroek et al., 2017; 10 – Wasson, 2017; 11 – Дьяконова и др., 1979; 12 – Иванова и др., 1976; 13 – Теплякова и др., 2018; 14 – в наст. работе. Условные обозначения: An – аномальная структура, Ogg – весьма грубоструктурный октаэдрит, Og – грубоструктурный октаэдрит, Om – среднеструктурный октаэдрит, Of – тонкоструктурный октаэдрит, Off – весьма тонкоструктурный октаэдрит, γ – родительский кристалл тэнита.

 

В настоящей работе реконструирована последовательность кристаллизации метеоритов группы IIE на основании детального анализа их структуры, валового состава и химического состава минералов и показано, что метеориты IIE аналогичны по структуре железным и богатым металлом метеоритам, имеющим ударное происхождение, что подтверждает выстроенный ранее сценарий их образования.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование выполнено на основе изучения 8 аншлифов метеорита Эльга и 7 аншлифов метеоритов группы IIE: Верхнеднепровск, Тобычан, Miles и Watson, общей площадью 30.5 см². Для изучения структуры металла образцы были подготовлены по стандартной схеме для металлографического изучения: отшлифованы, отполированы и протравлены ниталом (5% раствор азотной кислоты в спирте) при экспозиции от 10 до 100 сек. Предварительное исследование образцов железных метеоритов группы IIE было проведено методом оптической микроскопии в проходящем и отраженном свете на микроскопе Leica DMRX, оснащенном цифровой видеокамерой Leica DFC320, в лаборатории метеоритики ГЕОХИ РАН.

Химический состав минералов силикатных включений и вмещающего металла определялся методом электронно-зондового микроанализа (ГЕОХИ РАН) на приборе Cameca SX 100 (ГЕОХИ РАН), при ускоряющем напряжении 15 кВ и токе зонда 30 нА, диаметр зонда 1 мкм, с использованием РАР-коррекции. Предел обнаружения для минералообразующих элементов – 0.02 мас.%. При анализе металла и фосфида в качестве стандартов использовались синтетические – NiO, CoO и природные стандарты – шрейберзит и троилит из железного метеорита Сихотэ-Алинь.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Подобно большинству железных метеоритов, метеорит Эльга состоит из никелистого железа – агрегата камасита (α-Fe) и тэнита (γ-Fe). Второстепенные минералы – шрейберзит и троилит. Метеорит Эльга имеет поликристаллическую структуру, образованную полигональными зернами размером ~1 см (рис. 1а). Каждое индивидуальное зерно имеет внутреннюю октаэдритовую структуру, образуемую выделениями камасита и шрейберзита в тэните, которые ориентированы по граням октаэдра. На границах кристаллов тэнита располагаются округлые или амебовидные силикатные включения, троилитовые нодули (рис. 2б) и крупные ксеноморфные выделения шрейберзита (рис. 1а, рис. 2а, б). Относительно крупные ксеноморфные выделения шрейберзита также образуют прерывистые каймы шириной до 100 мкм на границах силикатных и троилитовых включений с вмещающем металлом. Границы шрейберзитовых кайм с силикатными включениями гладкие, с металлом – неровные (рис. 2а). Прожилковидные выделения шрейберзита вдоль границ родительских зерен тэнита имеют ширину от 50 до 300 мкм и протяженность до 1 см (рис. 2а). Так же, как и шрейберзитовые каймы вокруг силикатных включений и троилитовых нодулей, шрейберзитовые прожилки оторочены ленточным камаситом.

 

Рис. 1. (а) Панорама аншлифа образца метеорита Эльга (оптическое изображение, отраженный свет). На протравленной ниталом полированной поверхности образца видны реликтовые границы зерен исходных кристаллов γ-железа, стрелками показаны их границы. К стыкам границ зерен металла приурочены округлые силикатные включения (1). Внутренняя октаэдритовая структура металлических зерен местами искажена областями локального плавления, состоящими из фосфида и металла (2); (б) панорама аншлифа метеорита Miles (оптическое изображение, отраженный свет). Стрелками показаны некоторые границы родительских кристаллов γ-железа, между зернами которых наблюдаются силикатные включения (1).

 

Рис. 2. Первичные структуры метеоритов группы IIE – строение родительских кристаллов тэнита (γ-железа) и выделения ксеноморфного шрейберзита на их контактах; (а) каймы шрейберзита (Sch), обрамляющие силикатное включение (SI) и декорирующие границу включения с вмещающим металлом (1). Вмещающий металл имеет частично деформированную видманштеттенову структуру, шрейберзит окаймлен ленточным камаситом (Kam) (метеорит Эльга, отраженный свет); (б) троилитовый нодуль в металле на контакте с силикатным включением окружен прерывистой каймой шрейберзита (метеорит Эльга, отраженный свет); (в) вдоль границ зерен (1) расположены выделения шрейберзита и силикатное включение (SI) (метеорит Miles, отраженный свет); (г) вдоль границ зерен (1) встречается ксеноморфный шрейберзит, отороченный лентами камасита (метеорит Watson, отраженный свет); (д) вдоль границ зерен (1) расположены зерна ксеноморфного шрейберзита; внизу изображения наблюдается троилитовый нодуль (метеорит Тобычан, отраженный свет); (е) вдоль границ зерен металла (1) наблюдается троилит (Tr) и силикатное включения (SI) (метеорит Watson, отраженный свет).

 

Было отмечено четыре генерации шрейберзита, которые отличаются по составу и структуре. Ксеноморфные выделения шрейберзита (1) встречаются на границах зерен металла, а также в виде кайм на силикатных и троилитовых включениях и отличаются пониженным содержанием Ni (16.7 ат. %, табл. 2) по сравнению со шрейберзитами других типов. Шрейберзит (2) в видманштеттеновой структуре образуется вдоль камаситовых балок при распаде твердого раствора (Ni 27 ат.%, табл. 2). Шрейберзит (3) встречается в виде изометричных зерен в рекристаллизованной видманштеттеновой структуре и отличается наиболее высоким содержанием Ni (34 ат.%, табл. 2). Области локального плавления (Теплякова, 2011) состоят из выделений зерен камасита, объединяются в дендритовидные структуры и погружены в шрейберзитовую матрицу. Эта генерация шрейберзита (4) имеет самое низкое содержание Ni (12.5 ат. %, табл. 2) в сравнении с вышеописанными шрейберзитами.

Металл метеорита Тобычан имеет поликристаллическое строение, размер камаситовых зерен до 1 см. Иногда встречаются крупные нодули троилита размером до 3 см. На контактах родительских зерен тэнита наблюдаются ксеноморфные выделения шрейберзита (рис. 2д), аналогичные наблюдаемым в метеорите Эльга.

Для металла метеорита Miles также характерно полиэдрическое строение. Кристаллы камасита имеют форму полигональных зерен размерами до 2 см, в которых наблюдаются нейманновы линии. Силикатные включения, располагающиеся на границах зерен металла, имеют неправильную форму, тогда как силикатные включения, заключенные внутри зерен, — изометричные (рис. 1б). Вдоль границ зерен металла наблюдаются силикатные прожилки и/или ксеноморфный шрейберзит (рис. 2в). Внутри камаситовых зерен наблюдается микрозернистый рабдит. Представления о структуре метеорита Miles, сформировавшиеся на основе микроскопических наблюдений, находятся в полном соответствии с недавними исследованиями метеорита методом трехмерной рентгеновской микротомографии. На полученных трехмерных изображениях (Kirby, 2016) наблюдалась вышеописанная структура агрегата кристаллов размерами до 1 см, на границах которых локализованы силикатные включения и шрейберзит.

Метеорит Watson сложен крупными полигональными кристаллами тэнита, размерами до 6 см. В межзерновом пространстве наблюдаются выделения троилита (рис. 2г, е) и крупный ксеноморфный шрейберзит с лентами камасита, подобные тем, что наблюдались в металле метеорита Эльга (рис. 1а, 2а). Единственное силикатное включение, оказавшееся на плоскости образца, располагается между кристаллами металла. Форма силикатного включения округлая, границы с металлом – гладкие, на поверхности включения наблюдаются прерывистые каймы шрейберзита и ленточный камасит.

Метеорит Верхнеднепровск представляет собой поликристаллический агрегат реликтовых зерен тэнита размером около 2 см (Buchwald, 1987). Таким образом, структуры метеоритов Тобычан, Miles, Watson и Верхнеднепровск, аналогичны наблюдаемым в металле метеорита Эльга (рис. 1а, б), сравнительный анализ которых выявляет следующие закономерности: поликристаллическое строение металла, относительно небольшой размер зерен родительских кристаллов тэнита (первые см), локализация ксеноморфного шрейберзита, троилита и силикатных включений на границах родительских кристаллов тэнита.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Метеориты группы IIE имеют схожие структуры металла, а также выявленные генерации шрейберзита, что указывает на единый механизм их формирования. Небольшой размер (1–6 см) зерен γ-железа указывает на существенно более высокую скорость кристаллизации металла метеорита Эльга и других метеоритов группы IIE (Wasson, 2017) в сравнении с метеоритами магматических групп (монокристаллы никелистого железа размером до 1 м). Морфология силикатных включений и их взаимоотношения с зернами тэнита свидетельствуют о том, что исходно они представляли собой частицы силикатного расплава, обособленные от вмещающего металла за счет несмесимости жидкостей. При кристаллизации глобулярные обособления несмесимых силикатной, сульфидной и фосфидной жидкостей должны были сегрегироваться в пространстве между гранями растущих кристаллов γ-железа. На последних стадиях роста кристаллов тэнита их смыкающиеся грани деформировали капли силикатного, фосфидного и сульфидного расплава, в результате чего некоторые включения частично унаследовали кристаллографические черты реликтовых кристаллов тэнита. Так, отдельные силикатные включения имеют линейные границы с вмещающим металлом, за счет чего они приобретают полигональные очертания. Отдельные порции несмесимых расплавов были сдавлены между гранями двух растущих кристаллов тэнита настолько, что сформировались в линейные или дугообразные прожилковидные тела, некоторые из которых соединяют силикатные включения. При более низких температурах в реликтах исходных родительских кристаллов тэнита (γ-железа) произошло твердофазное превращение низконикелевого тэнита в агрегат высоконикелевого тэнита, камасита и шрейберзита с образованием метаморфической октаэдритовой структуры.

 

Таблица 2. Средние химические составы главных и второстепенных минералов и их стандартные отклонения (σ) в металле метеорита Эльги

Элемент	Камасит		Тэнит		Троилит		Шрейберзит (1)		Шрейберзит (1)		Шрейберзит (1)		Шрейберзит (2)		Шрейберзит (3)		Шрейберзит (4)
	в металле разных типов		в металле разных типов		троилитовые нодули		ксеноморфные выделения между зернами металла		кайма на силикатных включениях		кайма на  троилитовых нодулях		удлиненно-приматические кристаллы шрейберзита в видманштеттеновой структуре		изометричные зерна в рекристаллизованной видманшеттеновой структуре		глобулы и дендриты в областях локального плавления
	-		-		-
	N=303		N=88		N=5		N=5		N=30		N=2		N=5		N=3		N=4
	средние	σ	средние	средние	средние	σ	средние	σ	средние	σ	средние	σ	средние	σ	средние	σ	средние	σ
Fe	93.3	1.60	82.8	7.2	63.6	0.18	65.7	0.74	66.6	1.86	59.7	4.0	53.7	1.0	46.0	1.4	70.0	1.5
P	0.13	0.06	0.06	0.04	0.08	0.03	14.6	0.11	15.2	0.13	15.0	0.1	14.2	0.2	14.2	0.2	14.3	1.1
Ni	6.81	0.40	17.3	6.94	0.08	0.07	19.3	0.6	19.0	1.77	25.2	4.0	31.8	0.9	39.5	1.6	14.4	0.6
Co	0.55	0.05	0.42	0.10	0.08	0.05	0.2	0.02	0.2	0.04	0.3	0.05	0.2	0.1	0.1	0.0	0.4	0.0
Cr	0.02	0.01	0.03	0.02	0.15	0.03	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
S	0.02	0.01	0.02	0.01	36.0	0.13	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
Сумма	100.9	1.6	100.5	1.2	100.0	0.17	101.1	0.1	101.1	1.86	100.2	0.04	100.0	0.01	100.0	0.01	98.9	0.8
ат. % Ni	-	-	-	-	-	-	16.6		16.7		21.6		27.6		34.4		12.5
Формула	Fe0.93Ni0.06Co0.01		Fe0.83Ni0.17		Fe0.50S0.50		Fe2,40Ni0,60P		Fe2.40Ni0.60P		Fe2.10Ni0.90P		Fe1.9Ni1.1P0.90		Fe1.7Ni1.4P0.90		Fe2.6Ni0.5P0.9

Примечания. N – количество анализов.

 

Для того чтобы объяснить все наблюдаемые структурные особенности металла метеорита Эльга, мы прибегли к рассмотрению фазовых диаграмм (рис. 3). Из экспериментальной работы (Raghavan, 1988) известно, что кристаллизация металлического расплава (валовый состав (мас. %): Fe – 90, Ni – 8.6, P – 1.3, S – 0.1) по составу соответствующего метеориту Эльга (без силикатов) в системе Fe-Ni-P начинается с ~1511°С (рис. 3а). Первым кристаллизуется тэнит, условно обозначенный γ-фазой. По достижении перитектической линии в системе происходит образование α и γ фаз по реакции α+жидкость↔γ (рис. 3а). В точке U (рис. 3а) при 1000°С (Raghavan, 1988) перитектическая реакция α+жидкость↔γ +φ завершается исчерпанием жидкости и финальной кристаллизацией камасита (α), тэнита (γ) и шрейберзита (φ).

 

Рис. 3. (а) Ликвидусная поверхность на диаграмме Fe-Ni-P (Raghavan, 1988) и поля первичной кристаллизации фаз. Черной звездой показан валовый состав металла метеорита Эльга (8.6% Ni, 1.3% P), пунктирной стрелкой – возможный путь его кристаллизации на перитектической линии с соответствующей перитектической реакцией α+жидкость↔γ. Точка U соответствует перитектической реакции α+жидкость↔γ+φ; (б) и (в) – фазовая диаграмма Fe-Ni-P (Doan, Goldstein, 1970) при различных температурах: (б) 1100°С; (в) 1060°С. Пунктирной коннодой показаны составы фаз при данных температурах.

 

При более низких температурах (1100– 550°С) система Fe-Ni-P была изучена серией экспериментов (Doan, Goldstein, 1970). Валовый состав металла метеорита Эльга обозначен на изотермических сечениях в фазовых треугольниках (рис. 3б, в), которые позволяют оценивать составы фаз, находящиеся в равновесии. При температурах 1060–1100°С теоретические составы γ-фазы близки к составу металла родительских кристаллов тэнита (исходная γ-фаза), а остаточной шрейберзитоподобной жидкости (10.7 мас.% Ni, 12.7 мас.% P) – к составу ксеноморфного железистого шрейберзита (1) в метеорите Эльга. Конноду для металла метеорита Эльга мы провели параллельно конноде, обозначенной на диаграмме, исходя из предположения, что они близки, поскольку состав тэнита и жидкости практически не меняется. Можно предполагать, что при закалке из остаточной шрейберзитоподобной жидкости, обогащенной Ni и P, впоследствии кристаллизуется шрейберзит (1) в межзерновом пространстве металла. При понижении температуры скорость диффузии настолько мала, что дальнейший рост фаз не происходит. Анализ изотермических диаграмм при температурах 1010°С, 1000°С и ниже показывает, что в металле метеорита Эльга таких равновесий α+γ не существует.

Чтобы объяснить структурные особенности строения металла метеорита Эльга, а именно наличие ксеноморфного шрейберзита в межзерновом пространстве, мы рассмотрели подобные структуры, полученные экспериментально (Chai et al., 2016). В этом эксперименте эвтектическая кристаллизация α-Fe(Ni, P) и шрейберзита (Fe, Ni)₃P по границам зерен тэнита (рис. 4) была обнаружена при закалке (950–1025°С) металлического расплава данного состава (73.6 мас. % Fe, 23.7 мас.% Ni, 2.7 мас.% P). Отмечено, что чем выше была температура закалки расплава (от 925 до 1025°С), тем больше был размер зерна γ-фазы (от 9 до 106 мкм).

 

Рис. 4. Структура стали (Fe, 23.7 мас.% Ni, 2.7 мас.% P), закаленная при температуре 1000°С: (а) в микроструктуре стали прослеживается 3 фазы: зерна γ-Fe(Ni, P) с микровростками α-Fe(Ni, P) и (Fe, Ni)3P по границам зерен металла (изображение в отраженных электронах); (б, в) схематическое изображение взаимоотношений фаз в стали. Сфера в центре снимка является артефактом.

 

Отсюда следует, что рост зерен металла в метеорите Эльга начинается при ~1511°С, при этом остаточная жидкость обогащается Ni и P, накапливаясь в межзерновом пространстве. При закалке в диапазоне 1060–1100°С из остаточной шрейберзитоподобной жидкости кристаллизуется шрейберзит, образуя ксеномофные выделения вдоль границ зерен металла.

Образование крупных ксеноморфных выделений шрейберзита для разных типов железных метеоритов ранее интерпретировалось как результат субсолидусных превращений в металле при температурах выше 850°С (на пр. Clarke, Goldstein, 1978). В работах (Ikeda, Prinz, 1996; Ikeda et al., 1997; Ruzicka, 1999; Ruzicka, Hutson, 2010) предполагается, что каймы шрейберзита на силикатных включениях образуются при восстановлении фосфора из силикатов. Однако основная масса ксеноморфного шрейберзита в Эльге структурно не связана с силикатными включениями. По составу ксеноморфный шрейберзит на границах зерен металла аналогичен шрейберзиту в каймах вокруг силикатных включений и, следовательно, имеет аналогичное происхождение. Очевидно также, что и морфология, и состав ксеноморфного шрейберзита не соответствуют тому ориентированному в видманштеттеновой структуре шрейберзиту, который возникает при субсолидусных реакциях. Вероятнее всего, ксеноморфный шрейберзит в метеоритах группы IIE кристаллизовался непосредственно из металлического расплава, как было предположено (Buchwald, 1975; Hofmann et al., 2009) по результатам исследования метеоритов SantaLuzia (IIAB) и Twannberg (IIG).

Каждый из четырех генетических типов структур металла в метеорите Эльга определяется взаимосвязью определенных генераций шрейберзита и металла (табл. 2). Чем выше температура кристаллизации шрейберзита, тем меньше никеля содержится в нем (рис. 5) и, соответственно, тем выше его железистость. Шрейберзит (1) – каймы шрейберзита на неметаллических включениях и ксеноморфные зерна вдоль границ металла. Это наиболее железистый по составу шрейберзит, образующийся в результате быстрой неравновесной кристаллизации. Шрейберзит (2) – идиоморфные удлиненно-призматические кристаллы шрейберзита в видманштеттеновой структуре металла, кристаллизующиеся при субсолидусных превращениях. Шрейберзит (3) – наиболее никелистый шрейберзит, образующий изометричные кристаллы в рекристаллизованной видманшеттеновой структуре металла, что является одним из признаков повторного нагрева метеорита. Шрейберзит (4) в областях локального плавления, несомненно, формируется из расплава при закалке. По составу шрейберзит (4) отличается от составов от других выделений шрейберзитов самыми низкими содержаниями Ni, P и более высокими содержаниями Со (табл. 2), но наиболее близок к составу ксеномофрного шрейберзита (1), что также является подтверждением того, что высокожелезистые шрейберзиты могут формироваться из расплава при быстром охлаждении.

 

Рис. 5. Зависимость состава шрейберзита от температуры его образования при кристаллизации из расплавов и субсолидусных реакциях. Шрейберзит (1) – каймы на неметаллических включениях и ксеноморфные зерна вдоль границ металла. Шрейберзит (2) – идиоморфные удлиненно-призматические кристаллы шрейберзита в видманштеттеновой структуре металла. Шрейберзит (3) изометричные кристаллы в рекристаллизованной видманшеттеновой структуре металла. Шрейберзит (4) – матрица в областях локального плавления.

 

Аналогичные структуры были обнаружены и в других типах метеоритов группы IAB (например, Copiapo, Linwood, Morasko, NWA 6369 (рис. 6а), Woodbine), в богатом металлом мезосидерите Чаунский (Petaev et al., 1993; Petaev, Jacobsen, 2005), в крупных металлических нодулях мезосидеритов (Hassanzadeh et al., 1990; Lorenz et al., 2001). Железные метеориты группы IAB имеют реликтовую октаэдрическую или, чаще, гранулярную полиэдрическую структуру металла. Поскольку для этого типа метеоритов характерно наличие углерода, плесситовые области представлены сферическим плесситом, перлитом и мартенситом. Силикатные включения приурочены к границам реликтовых (родительских) кристаллов тэнита. Силикатные сантиметровые включения имеют неправильную форму, на отдельных участках форма включений близка к обломочной, иногда встречаются отдельные идиоморфные силикатные зерна в металле. Многие силикатные включения соединены между собой прожилковидными выделениями силикатного материала, простирающимися вдоль границ родительских кристаллов тэнита, и ассоциирующими с ними выделениями графита, троилита и шрейберзита. Относительно мелкозернистая структура металла так же, как и силикаты, фосфид и троилит, которые приурочены к границам зерен металла, указывают на поверхностное ударно-расплавное происхождение метеоритов.

 

Рис. 6. Мелкозернистая структура металла метеорита группы IAB NWA 6369 (а) и мезосидерита Будулан (б). В этих метеоритах пространство между полиэдрическими кристаллами камасита заполнено тэнитом (Tn) и шрейберзитом (Sch). Стрелками показаны границы родительских кристаллов железа.

 

Что касается мезосидеритов, то некоторые из них содержат крупные металлические объекты (нодули) с включениями силикатов. Отдельные крупные нодули ранее считались железными метеоритами группы IIIAB; некоторые мезосидериты также фактически представляют собой очень крупные нодули с небольшим количеством силикатов (Hassanzaeh et al., 1990; Petaev et al., 1993). Структура низконикелевого металла нодуля Будулан мелкозернистая, размер зерен камасита 1–2 мм, по границам зерен изредка прослеживается тэнит и шрейберзит (рис. 6б). Подобно железным метеоритам групп IAB и IIE, нодули в мезосидеритах содержат обломочные и полностью расплавленные силикатные включения, иногда соединяемые прожилками вдоль границ кристаллов металла. Так же, как и для метеоритов группы IIE, для мезосидеритов характерна высокая скорость остывания до температур примерно 850°С (Ganguly et al., 1994; Ruzicka et al., 1994). Однако размер зерен в металле мезосидеритов меньше, чем в металле группы IIE, что может указывать на существенно более высокую скорость охлаждения на высокотемпературном участке их термальной истории. Метаморфическая история мезосидеритов была более сложной, чем у метеоритов группы IIE, вероятно, мезосидериты испытывали высокотемпературный отжиг с последующим медленным охлаждением, что привело к рекристаллизации металла в металлических нодулях некоторых мезосидеритов. Подобная рекристаллизация металла приводит к появлению микровидманштеттеновой структуры внутри зерна и/или к выравниванию межзеренных границ до 120° с образованием полиэдрической структуры, схожей со структурой, которая формируется из расплава.

Таким образом, по строению и условиям кристаллизации металл метеорита Эльга соответствует ударным металлическим расплавам, наблюдающимся среди метеоритов других групп и типов, что подтверждает предложенный нами ранее сценарий образования метеоритов группы IIE за счет переплавления фракционированного металла и его смешения с силикатами в результате ударного события на поверхности родительского тела.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Общность изученных метеоритов группы IIE заключается в том, что для них характерно поликристаллическое, относительно мелкозернистое строение металла, что указывает на кристаллизацию расплава в условиях более быстрого охлаждения по сравнению с метеоритами магматических групп. На основании данных о валовом составе и фазовых взаимоотношениях в метеорите Эльга показано, что метеориты IIE с аномальной структурой кристаллизовались с высокой скоростью от температур ~1511°С, а потом были закалены при температуре ~1060–1100°С. Такая обстановка соответствует условиям, возникающим на поверхности малых тел в ударном процессе, что подтверждается наличием структурных аналогов IIE среди метеоритов других групп и типов. И поскольку металл метеоритов группы IIEимеет эндогенное происхождение, вероятно, повторное переплавление происходило на поверхности тела в результате катастрофического ударного события. Подобие структур в разных типах метеоритов показывает воспроизводимость процессов, происходящих на разных родительских телах.

Благодарности

Авторы выражают благодарность рецензентам О.И. Яковлеву и М.А. Ивановой за их рекомендации, которые помогли улучшить данное исследование.

About the authors

S. N. Teplyakova

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: elga.meteorite@gmail.com
Russian Federation, Moscow

C. A. Lorenz

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: c-lorenz@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files