Crystallisation of the metal in iie irons and possible meteorite analog

Cover Page

Cite item

Abstract

The metal of the IIE irons has evidence of fractionation in the depths of the asteroid, but the presence of a fine-grained structure is incompatible with its endogenous origin. It was assumed that the metal underwent remelting on the surface of the parent body. Data on the mineragraphy, mineral and chemical composition of IIE irons (Elga, Verkhnodniprovsk, Tobychan, Miles and Watson) indicate that the relatively fine-grained metal structure and xenomorphic schreibersite grains were probably formed by crystallization from the melt. According to the calculated data on the bulk composition of the Elga metal and on the Fe-Ni-P phase diagrams, the crystallization of the first γ-Fe grains began at ~1511°С and ended at ~1060–1100°С with the formation of polygonal crystals of cm-sized taenite and xenomorphic schreibersite along their boundaries. The identical composition of xenomorphic schreibersite, both along the borders of the taenite grains and on the rims around nonmetallic inclusions, indicates their simultaneous formation. Among four generations of schreibersite, the xenomorphic schreibersite is distinguished by a high Fe/Ni ratio. It is also noted that the higher the crystallization temperature of schreibersite, the less nickel content in this schreibersite. Similar metal structures were found in other types of meteorites: in the IAB irons and in metal of some mesosiderites, and the impact mechanism of formation is considered the most likely for them. Thus, the mechanism of formation of the IIE irons by shock remelting of fractionated metal and mixing with silicate fragments in the conditions of the parent surface may have analogues among other types of meteorites.

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

  1. Дьяконова М. И., Харитонова В. Я., Явнель А. А. (1979) Химический состав метеоритов M.: Наука, 48 с.
  2. Иванова Г. М., Кузнецова И. К. Железный метеорит Тобычан. Метеоритика 35, 47-58.
  3. Теплякова С. Н. (2011) Эволюция расплавов в железных ядрах малых планет. Астрономический Вестник 45 (6), 529-536.
  4. Teplyakova S.N. (2011) Evolution of molten material in iron cores of small planets. Solar System Res. 45 (6), 515-522.
  5. Теплякова С. Н., Лоренц К. А., Иванова М. А., Кононкова Н. Н., Аносова М. О., Рязанцев К. М., Костицын Ю. А. (2018) Минералогия силикатных включений в железном метеорите группы IIE Эльга. Геохимия (1), 1-25.
  6. Teplyakova S.N., Lorentz C.A., Ivanova M.A., Kononkova N.N., Anosova M.O., Ryazantzev K.M., Kostitzin Yu.A. (2018) Mineralogy of silicate inclusions in IIE iron meteorite Elga. Geochem. Int. 56 (1), 1-23.
  7. Bevan A. W. R., Kinder J. and Axon H. J. (1979) A metallographic study of the iron meteorite Verkhne Dnieprovsk (BM 51183). Miniralog. mag. 43, 149-54.
  8. Buchwald V. F. (1975) Handbook of Iron Meteorites. Their History, Distribution, Composition and Structure. Berkeley: University of California Press, 262 p.
  9. Buchwald V.F. and Clarke Jr. (1987) The Verkhne Dnieprovk iron meteorite specimens in the Vienna collection and the confusion of Verkhne Dnieprovk with Augustinovka. Meteoritics 22, 121-135.
  10. Chai W., German R. M., Olevsky E. A., Wei X., Jiang R., Cui G. (2016) Preparation and properties of high strength Fe-Ni-P ternary alloys. Advanced Engin. Materials 18,1889-1896.
  11. Clarke R. S. and Goldstein J. I. (1978) Schreibersite growth and its influence on the metallography of coarse-structured iron meteorites. Smithsonian Contrib. to the Earth Sci.21, 1-81.
  12. Doan A. S., Goldstein J. I. (1970) The ternary phase diagram, Fe-Ni-P. Metallurgical Transactions 1, 1759-1767.
  13. Ebihara, M., Ikeda, Y., Prinz, M., (1997). Petrology and chemistry of the Miles IIE iron II: chemical characteristics of the Miles silicate inclusions. Antarc. Meteorite Res.10, 373-388.
  14. Ganguly J., Yang H., Ghose S. (1994) Thermal history of mesosiderites: Quantitative constraints from compositional zoning and Fe-Mg ordering in orthopyroxenes. Geochim. Cosmochim. Acta 58, 2711-2723.
  15. Hassanzadeh J., Rubin A. E., Wasson J. T. (1990) Compositions of large metal nodules in mesosiderites - Links to iron meteorite group IIIAB and the origin of mesosiderite subgroups. Geochim. Cosmochim. Acta 54, 3197-3208.
  16. Hofmann B. A. Lorenzetti S., Eugster O., Krahenbuhl U., Herzog G., Serefiddin F., Gnos E., Eggimann M., Wasson J. T. (2009) The Twannberg (Switzerland) IIG iron meteorites: mineralogy, chemistry, and CRE ages. Meteorit. Planet. Sci. 44, 187-199.
  17. Ikeda Y., Prinz M. (1996) Petrology of silicate inclusions in the Miles IIE iron. Proc. NIPR Symp. Antarct. Meteorit. 9, 143-173.
  18. Ikeda Y., Ebihara M., Prinz M. (1997) Petrology and chemistry of the Miles IIE iron. Description and petrology of twenty new silicate inclusions. Antarct. Meteorite Res. 10, 355-372.
  19. Kirby R. S., King P. L., Henley R. W., Troitzsch U., Ireland T. R., Turner M. (2016). A new hypothesis fro the evolution of IIE iron meteorites based on geogronology and petrology of the Miles meteorite. Lunar and Planet. Sci. Conf. 47, 1938p.
  20. Kurat G., Zinner E., Varela M. E. (2007) Trace element studies of silicate-rich inclusions in the Guin (UNGR) and Kodaikanal (IIE) iron meteorites. Meteorit. Planet Sci. 42, 1441-1463.
  21. Lorenz C. A., Nazarov M. A., Kurat G., Kononkova N. N. (2001) Silicate Inclusions in a Metal Nodule of the Budulan Mesosiderite: Mineralogy and Origin. Meteorit. Planet. Sci. 36, Supplement, A116.
  22. Luais B. (2007) Isotopic fractionation of germanium in iron meteorites: Significance for nebular condensation, core formation and impact processes. Earth and Planet. Sci. Lett. 262, 21-36.
  23. Olsen E., Davis A., Clarke R. J., Jr., Schultz L., Weber H. W. (1994) Watson: A new link in the IIE iron chain. Meteoritics 29, 200-213.
  24. Petaev M. I., Clarke R. S., Jr., Olsen E. J., Jarosewich E., Davis A. M., Steele I. M., Lipschutz M. E., Wang M.-S., Clayton R. N., Mayeda T. K., Wood J. A. (1993) Chaunskij: The most highly metamorphosed, shock-modified and metal-rich mesosiderite. Lunar and Planetary Inst., 24th Lunar and Planet. Sci. Conf. Part 3: N-Z p 1131-1132.
  25. Petaev M. I., Jacobsen S. B. (2005). LA-ICP-MS study of trace elements in the Chaunskij Metal. 36th Lunar and Planet. Sci. Conf., March 14-18, 2005, in League City, Texas, abstract no.1740
  26. Raghavan V. (1988) The Fe-Ni-P (Iron–Nickel–Phosphorus) System. Phase Diagr. Ternary Iron Alloys 3, 121-137.
  27. Scott E. R. D., Wasson J. T. (1976) Chemical Classification of Iron Meteorites. VIII. Groups IC, IIE, IIIF and 97 other irons. Geochim. Cosmochem. Acta 40, 103-115.
  28. Ruzicka A., Boynton W. V., Ganguly J. (1994) Olivine coronas, metamorphism, and the thermal history of the Morristown and Emery mesosiderites. Geochim. Cosmochem. Acta 58, 2725-2741.
  29. Ruzicka A., Fowler G.W., Snyder G. A., Prinz M. Papike J. J. And Taylor L. A. (1999) Petrogenesis of silicate inclusions in the Weekeroo Station IIE iron meterorite; Differentiation, remelting and dynamic mixing. Geochim. Cosmochim. Acta 63, 2123-2143.
  30. Ruzicka A., Hutson M. (2010) Comparative petrology of silicates in the Udei Station (IAB) and Miles (IIE) iron meteorites: Implications for the origin of silicate-bearing irons. Geochim. Cosmochim. Acta 74, 394-434.
  31. Teplyakova S. N., Humayun M., Lorenz C. A., Ivanova M. A. (2012) A Common Parent for IIE Iron Meteorites and H Chondrites. 43st Lunar and Planet. Sci. Conf.pdf#1130.pdf.
  32. Van Roosbroek N., Hamann C., McKibbin S., Greshake A., Wirth R., Pittarello L., Hecht L., Claeys P., Debaille V. (2017). Immiscible silicate liquids and phosphoran olivinein Netscaevo IIE silicate: Analogue for planetesimal core-mantle boundaries. Geochim. Cosmochim. Acta 197, 378-395.
  33. Wasson J. T., Wang J. (1986) A nonmagmatic origin of group-IIE iron meteorites. Geochim. Cosmochim. Acta 50, 725-732.
  34. Wasson J. T. (2017) Formation of non-magmatic iron-meteorite group IIE. Geochim. Cosmochem. Acta 53, 396-416.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. Fig. 1. (a) Panorama of the polished section of the Elga meteorite sample (optical image, reflected light). On the polished surface of the sample etched with nital, relict grain boundaries of the initial γ-iron crystals are visible, arrows indicate their boundaries. Rounded silicate inclusions are confined to the joints of metal grain boundaries (1). The internal octahedral structure of metal grains is distorted in some places by local melting regions consisting of phosphide and metal (2); (b) a panorama of the polished section of the Miles meteorite (optical image, reflected light). The arrows indicate some boundaries of the parent crystals of γ-iron, between the grains of which silicate inclusions are observed (1).

Download (468KB)
2. Fig. 2. The primary structures of group IIE meteorites - the structure of the parent crystals of tenite (γ-iron) and the release of xenomorphic schreiberzite at their contacts; (a) rims of schreiberzite (Sch), framing the silicate inclusion (SI) and decorating the boundary of the inclusion with the host metal (1). The host metal has a partially deformed Widmanstätten structure, schreiberzite is bordered by tape Kamasite (Kam) (Elga meteorite, reflected light); (b) the troilite nodule in the metal at the contact with the silicate inclusion is surrounded by an intermittent rim of schreiberzite (Elga meteorite, reflected light); (c) along the grain boundaries (1) there are precipitates of schreiberzite and silicate inclusion (SI) (Miles meteorite, reflected light); (d) along the grain boundaries (1) there is xenomorphic shriberzite edged with kamasite ribbons (Watson meteorite, reflected light); (e) along the grain boundaries (1) grains of xenomorphic schreibersite are located; a troilite nodule is observed at the bottom of the image (Tobychan meteorite, reflected light); (f) troilite (Tr) and silicate inclusions (SI) are observed along the grain boundaries of the metal (1) (Watson meteorite, reflected light).

Download (909KB)
3. Fig. 3. (a) The liquid surface on the Fe-Ni-P diagram (Raghavan, 1988) and the fields of primary phase crystallization. The black star shows the gross composition of the Elga meteorite metal (8.6% Ni, 1.3% P), and the dashed arrow indicates the possible path of its crystallization on the peritectic line with the corresponding peritectic reaction α + liquid↔γ. The point U corresponds to the peritectic reaction α + liquid↔γ + φ; (b) and (c) - phase diagram of Fe-Ni-P (Doan, Goldstein, 1970) at various temperatures: (b) 1100 ° С; (c) 1060 ° C. The dotted horse shows the phase compositions at given temperatures.

Download (129KB)
4. Fig. 4. The structure of steel (Fe, 23.7 wt.% Ni, 2.7 wt.% P), quenched at a temperature of 1000 ° C: (a) 3 phases can be traced in the microstructure of steel: γ-Fe (Ni, P) grains with α- microgrowths Fe (Ni, P) and (Fe, Ni) 3P along the grain boundaries of the metal (image in reflected electrons); (b, c) a schematic representation of the relationship of phases in steel. The sphere in the center of the picture is an artifact.

Download (95KB)
5. Fig. 5. The dependence of the composition of schreiberzite on the temperature of its formation during crystallization from melts and subsolidus reactions. Schreiberzite (1) - rims on non-metallic inclusions and xenomorphic grains along the boundaries of the metal. Schreiberzite (2) - idiomorphic elongated-prismatic crystals of schreibersite in the Widmannstetten metal structure. Schreiberzite (3) isometric crystals in a recrystallized Widmanshetten metal structure. Schreiberzite (4) is a matrix in the regions of local melting.

Download (66KB)
6. Fig. 6. The fine-grained metal structure of the meteorite of group IAB NWA 6369 (a) and mesosiderite Budulan (b). In these meteorites, the space between the polyhedral crystals of kamasite is filled with tenite (Tn) and schreiberzite (Sch). The arrows indicate the boundaries of the parent iron crystals.  

Download (611KB)
7. 1

Download (19KB)
8. 2

Download (16KB)
9. 3

Download (11KB)
10. 4

Download (24KB)
11. 5

Download (18KB)
12. 6

Download (23KB)

Copyright (c) 2019 Russian Academy of Sciences

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies