Liquid immiscibility in regions of localized shock melting in meteorite Elga

Cover Page

Cite item

Abstract

The regions of localized shock melting (melt pockets) in one of silicate inclusions in IIE iron meteorite Elga were investigated with EMPA, SEM, TEM and Raman spectroscopy. It has been established that the mechanism of formation of melt pockets in Elga is of a mixed nature, associated not only with the melting in situ of the silicate matrix, but also with the intrusion of portions of the melted schreibersite-oxide rim inside the silicate inclusion. Melt pockets have an emulsion texture, which is a sign of phase separation by liquid immiscibility in high-temperature shock melts. The emulsion texture, formed by droplet-shaped exsolutions of siderite in the schreibersite matrix of one of the melt pockets, has all the features of phase separation by liquid immiscibility at superliquidus temperatures and thus convincingly indicates the extraterrestrial origin of siderite in the Elga meteorite.

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Столкновения космических тел генерируют ударные волны, которые вызывают различные ударные эффекты в метеоритах, а именно деформации, брекчирование, аморфизацию, а также перекристаллизацию с образованием новых минералов, в том числе минералов высокого давления (Stöffler et al., 1991, 2018; Sharp, DeCarli, 2006). В результате прохождения ударных волн в веществе развиваются высокие давления и температуры, которые могут достигать десятков ГПа и нескольких тысяч градусов. Наиболее значительный эффект ударная волна производит на границе разнородных сред, имеющих разное ударное сопротивление1. В этом случае происходит диссипация энергии ударной волны с переходом части кинетической энергии в тепловую энергию, которая аккумулируется преимущественно в менее плотной среде (Kenkmann et al., 2000; Heider, Kenkmann, 2003). Наличие порового пространства (т.е. трещин или пустот) на границе двух разнородных сред усиливает ударный эффект, в результате которого образуются участки локального плавления – ударные прожилки и «расплавные карманы» (Kiefer, 1975; Kuchka et al., 2017; Walton, Spray, 2003; Walton, Show, 2009; Tomkins et al., 2013a, 2013b; Van Roosbroeket al., 2017).

Ударные эффекты, обусловленные наличием порового пространства на границах разнородных сред, отчетливо проявлены в метеорите Эльга, который относится к дифференцированному типу железных метеоритов группы IIE с силикатными включениями нескольких литологических типов. Основные модели образования Эльги предполагают смешение металлического и силикатного расплавов на поверхности родительского тела метеорита в результате крупного импактного события (Ruzicka, 2014). Минералогия силикатных включений в Эльге описана в ряде работ (Кваша и др., 1974; Пляшкевич, 1962; Osadchii et al., 1981; Теплякова и др., 2018).

В краевых частях метеорита Эльга выявлены специфические эффекты, обусловленные неоднократным ударным воздействием (Хисина и др., 2017а). Результатом ударных воздействий являются (I) реакционные шрейберзит-оксидные каймы вдоль границ силиката и металла, образованные в результате раннего ударного события, (II) расплавные карманы в силикатных включениях и (III) фрагментация и брекчирование отдельных участков кайм. Образование ударно-преобразованных зон (II) и (III) происходило с участием вещества кайм, и, соответственно, относится к более позднему ударному событию. В составе продуктов позднего ударного события был идентифицирован сидерит (Теплякова и др., 2012; Хисина и др., 2017а; Сенин и др., 2018). Сидерит приурочен к зонам ударного преобразования с локализацией в оксидном слое каймы, в зоне брекчирования каймы, а также в расплавном фосфид-карбонат-оксидном кармане внутри силикатного включения.

В данной работе представлены результаты исследования карманов плавления в шлифе 2315.3.3А метеорита Эльга, проведенные методами электронно-зондового анализа, сканирующей электронной микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии и рамановской спектроскопии. Результаты изучения расплавных карманов позволяют предложить сценарий образования сидерита в результате ударного преобразования вещества реакционных кайм.

ЖИДКОСТНАЯ НЕСМЕСИМОСТЬ В УДАРНЫХ РАСПЛАВАХ

Расплавные карманы (melt pockets) представляют собой участки локального ударного плавления, наблюдающиеся в разных типах метеоритов (Kuchka et al., 2017; Walton, Spray, 2003; Walton, Show, 2009; Tomkins et al., 2013a; Van Roosbroek et al., 2017). Образование расплавных карманов в результате ударного события может происходить различным путем: (1) экструзия ударного расплава извне с заполнением трещин в породе; (2) плавление породы, окружающей полость или трещину, происходящее in situ в результате коллапса порового пространства.

Расплавные карманы часто имеют эмульсионную текстуру, которая образуется в результате фазового разделения в расплавах по типу жидкостной несмесимости (Van Roosbroek et al., 2017; Tomkins et al., 2013). Жидкостная несмесимость с образованием эмульсионных микроструктур в оксидных системах хорошо известна в производстве стекла и керамики (Mazurin, Porai-Koshits, 1984; Shelby, 2005; Shepilovet al., 2007), исследована в микросферулах индустриального происхождения (Хисина, Вирт, 2011). Силикат-сульфидная жидкостная несмесимость обнаружена в земных вулканических породах (Zolenski et al., 2018) и метеоритах (Tomkins et al., 2013). Недавние исследования показали, что жидкостная несмесимость силикатных расплавов широко проявлена в ударно преобразованном веществе: в земных импактных породах (Hamann et al., 2013; Hamann et al., 2018; Fazio et al., 2016), в метеоритах (Van Roosbroek et al., 2017) и в космических микросферулах (Хисина и др., 2016). Эмульсионные текстуры жидкостной несмесимости были экспериментально воспроизведены при нормальном давлении (Veksler et al., 2007), а также получены в ударных экспериментах (Ebert et al., 2014; Hamann et al., 2018).

Область жидкостной несмесимости на Т-х фазовой диаграмме (х –состав) ограничена кривыми бинодали и спинодали, которые характеризуют соответственно стабильное и метастабильное равновесие в системе при температурах выше ликвидуса (Mazurin, Porai-Koshits, 1984; Shelby, 2005). Критические температуры бинодали и спинодали совпадают; спинодальная кривая находится внутри области, ограниченной бинодалью. Термодинамика и механизмы фазового разделения по типу жидкостной несмесимости подробно изложены во многих работах (Mazurin, Porai-Koshits, 1984; Shepilov et al., 2007; Shelby, 2005; Veksler et al., 2007). Сформулируем необходимые условия образования эмульсионных микроструктур в системах с жидкостной несмесимостью. (1) Температура расплава смешанного состава хсм, который образуется при смешении двух или более расплавов, должна быть выше температуры бинодали для состава хсм в системе. (2) Образующийся расплав должен быть гомогенизирован и не содержать зародышей (нуклеусов) твердой фазы. (3) Скорость остывания расплава должна быть достаточно высокой для сохранения эмульсионной текстуры. Очевидно, что эти условия могут быть выполнены только в ограниченных по объему расплавах. Перечисленные условия выполняются при ударном плавлении с образованием локализованных участков плавления, т.е. в расплавных карманах.

Фазовое разделение, происходящее вследствие жидкостной несмесимости в расплаве, легко распознается по характеру морфологии выделяющихся фаз. Основным морфологическим признаком фазового разделения по бинодальному механизму являются эмульсионных текстуры, образованные глобулами, которые равномерно или беспорядочно распределены в матрице. Химический состав матрицы отличается от состава глобул: глобулы имеют состав компонента, который в валовом расплаве находится в относительно низкой пропорции. Фазовое разделение по спинодальному механизму проявляется в расплавах, если несмесимые компоненты находятся в близкой пропорции по отношению друг к другу. Спинодальный распад приводит к образованию червеобразных микроструктур (Shepilov et al., 2007; Van Roosbroeket al., 2017; Mazurin, Porai-Koshits, 1984).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Шрейберзит-оксидные каймы

В метеорите Эльга расплавные карманы наблюдаются в механически ослабленной зоне силикатного включения, располагаясь вдоль трещин, имеющих выход на границу с шрейберзит-оксидной каймой. Шрейберзит-оксидные каймы вокруг силикатных включений (рис. 1а) являются характерной особенностью Эльги. Методом EDS/SEM картирования элементов установлено, что шрейберзит-оксидные каймы стратифицированы: шрейберзит (Fe,Ni)3P образует слой на контакте с силикатом, а оксидный слой расположен между шрейберзитом и вмещающим металлом. Оксидный слой каймы образован Ni- магнетитом (Сенин и др., 2017) и характеризуется наличием SiO2 прослойки (Хисина и др., 2017б; Khisina et al., 2018). Шрейберзит имеет поперечные трещины, которые заполнены расплавом состава FeO*2-SiO2-Al2O3 (рис. 1б). Очевидно, что этот расплав был экструдирован из силикатного включения через трещины в шрейберзите на границу с металлом, образуя оксидный слой. В составе ударно метаморфизованных участков шрейберзит-оксидной каймы идентифицированы троилит и сидерит (Хисина и др., 2017а).

Стратифицированные шрейберзит-оксидные каймы представляют собой реакционные зоны, сформировавшиеся на границах металла и силиката в раннем ударном событии. Источником фосфора при образовании шрейберзитового слоя служили как силикатное вещество, так и FeNi- металл (Osadchii et al., 1981; Khisina et al., 2018). После прохождения ударной волны поступление фосфора на начальных стадиях остывания обеспечивалось дефосфоризацией силикатного вещества (Osadchii et al., 1981). При дальнейшем понижении температуры происходило очищение FeNi-металла от несовместимых элементов P, S и C, которые поступали в расплавленную зону реакции на границе с силикатным включением (Khisina et al., 2018). Присутствие троилита и сидерита в кайме свидетельствует о совместной диффузии несовместимых элементов S, C и P в шрейберзитовый слой каймы.

 

Рис. 1. (а) Шрейберзит-оксидная кайма на границе силикатного включения и вмещающего металла в метеорите Эльга. Поперечные трещины в шрейберзите (серое) и слой между шрейберзитом и FeNi-металлом (серое) заполнены оксидом железа и SiO2. Оптическое изображение в отраженном свете. Sch – шрейберзит, Me – вмещающий металл, Ox – оксидный слой, Sil – силикатное включение. (б) Элементное картирование Si, Fe и O вещества, заполняющего поперечную трещину в шрейберзите.

 

Расплавные карманы

Расплавные карманы А, В, и С в Эльге (рис. 2−4) приурочены к трещинам в силикатном включении и являются продуктом ударного преобразования вещества каймы в результате позднего ударного события. Механизм образования расплавных карманов в Эльге носит смешанный характер, связанный не только с плавлением in situ прилегающей к трещинам силикатной матрицы, но и с интрузией порций расплавленной шрейберзит-оксидной каймы внутрь силикатного включения.

 

Рис. 2. Расплавные карманы А и В в силикатном включении. (а) Расплавный карман А. Эмульсионная текстура образована при фазовом разделении по бинодальному механизму в фосфид-силикатном расплаве. (б) Расплавный карман В. Стрелкой обозначен нодуль состава FeNi–(Fe,Ni)3P-FeS с силикатными глобулами. Эмульсионная текстура в силикатном стекле и в нодуле образована в результате фазового разделения по бинодальному механизму в расплаве FeNi–(Fe,Ni)3P-FeS-силикат. Нодули чистого шрейберзита не содержат силикатных глобул. BSE изображение. Sch – шрейберзит, Sil – силикатное стекло, Px – пироксен, FeNi – вмещающий металл.

 

Расплавные карманы демонстрируют эмульсионную микротекстуру, типичную для фазового разделения по типу жидкостной несмесимости в расплавах.

Эмульсионная текстура отчетливо проявлена в расплавном кармане А, который приурочен к трещине в силикатном включении, имевшей сообщение с вмещающим FeNi-металлом (рис. 2а). Многочисленные глобулы шрейберзита находятся в силикатном стекле расплавного кармана, при этом границы расплавного кармана декорируются наиболее мелкими глобулами. Эмульсионная текстура свидетельствует об образовании гомогенного ударного расплава в результате внедрения расплавленного фосфидного фрагмента каймы в трещину и его смешения с образующимся in situ силикатным расплавом.

 

Рис. 3. Элементное картирование распределения фосфора и серы в нодуле состава FeNi–(Fe,Ni)3P-FeS и в прилегающем стекле. Расплавный карман В.

 

Рис. 4. Расплавный карман С: (а) – BSE/SEM изображение, (б) – элементное картирование распределения фосфора.

 

Границы расплавного кармана В, который также находится вблизи границы силикатного включения и FeNi-металла, обильно декорированы мелкими глобулами, вкрапленными в силикатное стекло (рис. 2б). Согласно данным EDS/SEM элементного картирования, силикатное стекло в расплавном кармане имеет пироксен-полевошпатовый состав. Глобулы образованы сплавами шрейберзита с FeNi-металлом и троилитом (рис. 3). Под действием сдвиговых напряжений в вязком течении форма глобул варьирует от сферической до эллипсоидальной; этот аспект рассмотрен в работе (Tomkins et al., 2013a). Помимо многочисленных глобул, в расплавном кармане В находится крупный нодуль, состав которого соответствует тройному сплаву (Fe,Ni)3P – FeS – FeNi (рис. 2б, 3). В нодуле присутствуют крупные силикатные глобулы, внутри которых можно видеть очень мелкие глобулы, образованные (Fe,Ni)3P – FeS – FeNi сплавом. Эта картина соответствует вторичному фазовому разделению в металл-фосфид-сульфид-силикатном расплаве. Эмульсионные текстуры в силикатном стекле и в нодуле указывают на ударное плавление с образованием смешанного фосфид-сульфид-металл-силикатного расплава. Очевидно, что этот процесс сопровождался экструзией шрейберзит-троилитового расплава из прилегающей каймы. В то же время ударное плавление не затронуло целиком область, изображенную на рис. 2б. Ближе к границе силикатного включения с металлом в силикате видны «островки», в которых отсутствуют металл-шрейберзит-троилитовые глобулы. В таких островках находятся крупные нодули чистого шрейберзита. Отсутствие силикатных глобул внутри шрейберзитовых нодулей указывает на то, что шрейберзит, в отличие от его сплавов с троилитом и металлом, не подвергался плавлению в ударном процессе. Нодули шрейберзита были перемещены из прилегающей шрейберзит-оксидной каймы в твердом состоянии и имплантированы в участки не переплавленного силикатного вещества. Такой вывод подтверждается сохранившимися трещинами в шрейберзите, отсутствием в прилегающем к нодулям силикатном стекле шрейберзитовых глобул и присутствием в силикатном стекле нерасплавленных кристаллов пироксена.

Расплавный карман С (рис. 4) находится в глубине ударно преобразованной зоны. Этот карман размером около 120 мкм образован расплавленным фрагментом шрейберзит-оксидной каймы, перемещенным вглубь трещины в силикатном включении. Расплавный карман имеет звездообразную конфигурацию, поскольку образующий его расплав заполнял расходившиеся от границ кармана трещины в силикатной матрице. Помимо основной локализации в расплавном кармане С, ударный расплав образовал и мелкие фрагменты, рассеянные в окружающей силикатной матрице. Граница расплавного кармана С декорирована мелкими глобулами шрейберзита в тонкой прослойке силикатного стекла. В свою очередь, в шрейберзитовой матрице расплавного кармана С наблюдаются силикатные глобулы. Наиболее крупные силикатные глобулы содержат внутри наноразмерные глобулы шрейберзита, свидетельствуя о происходившем в силикатных глобулах вторичном фазовом разделении силикат-фосфидного расплава по типу жидкостной несмесимости.

 

Рис. 5. Эллипсоидальные выделения сидерита в шрейберзитовой матрице расплавного кармана С. Изображение в просвечивающем электронном микроскопе и соответствующее EDS/TEM элементное картирование фосфора, кислорода и углерода (Хисина и др., 2017а).

 

На уровне оптических увеличений микроструктура расплавного кармана напоминает дендритную. Однако электронные изображения, полученные в просвечивающем электронном микроскопе, не демонстрируют дендритной морфологии выделений. В отличие от дендритных образований, выделения в шрейберзитовой матрице имеют округлую форму, изолированы друг от друга и равномерно распределены в матрице. Выделения имеют размер 1–2 мкм. Морфология выделений варьирует от сферической до эллипсоидальной (рис. 5). В расплавном кармане С часто наблюдаются выделения неправильной формы, укрупненные путем слияния глобул и образующие в шрейберзитовой матрице «островки» с извилистыми очертаниями (рис. 6). Слияние глобул (коалесценция), так же как и вторичное фазовое разделение в глобулах, происходит вследствие эволюции эмульсионной текстуры в ходе остывания расплава (Hamann et al., 2013).

Предыдущие исследования обнаружили присутствие сидерита в расплавном кармане С (Теплякова и др., 2012; Хисина и др., 2017а, 2017б; Сенин и др., 2018). Это вызвало дискуссии по поводу идентификации и происхождения сидерита в Эльге. В настоящей работе идентификация сидерита подтверждена методами электронной дифракции и рамановской спектроскопии. Рамановские спектры от индивидуальных округлых зерен, находящихся в матрице шрейберзита, демонстрируют полосу сидерита при 1082.6 см-1 (рис. 7а). Кольцевые картины электронной дифракции от индивидуальных зерен обнаруживают диффузные рефлексы (рис. 7б), свидетельствуя о нахождении сидерита в форме нано-кристаллических агрегатов. Измеренные межплоскостные расстояния dhkl (3.56 Ǻ, 2.75 Ǻ, 2.52 Ǻ, 2.314 Ǻ, 2.13 Ǻ, 1.768 Ǻ, 1.704 Ǻ, 1.497 Ǻ, 1.370 Ǻ) соответствуют сидериту. Включения сидерита в шрейберзите часто окружены каймой кремнезема SiO2, которая содержит примеси Al, C, Fe; в каймах идентифицированы субмикронные выделения неупорядоченного углерода. Внутри сидерита часто обнаруживаются области, содержащие субмикронные выделения Ni-фосфида (трансиорданит?) и SiO2.

 

Рис. 6. Участки расплавного включения С с крупными выделениями сидерита (черное) в шрейберзитовой матрице (светлое).

 

Рис. 7. Рамановский спектр (а) и электронограмма (б) индивидуального зерна сидерита в шрейберзитовой матрице расплавного кармана С.

 

Рис. 8. Эмульсионная текстура, образованная эллипсоидальными выделениями саркопсида в обогащенной фосфором области расплавного кармана С. Червеобразный темный контраст в шрейберзитовой матрице обусловлен фазовым разделением по спинодальному механизму в расплаве (Fe,Ni)3P-FeO*-NiO-SiO2-CO2. (а) – BSE/SEM-изображение; (б) – TEM-изображение.

 

Помимо сидерита, в расплавном кармане С обнаружены выделения фосфата железа (рис. 8). Химический состав фосфата определен как357.3 Fe, 0.9 Ca, 1.6 Mn, 0.2 K, 40.0 P (Senin et al., 2018), что близко соответствует стехиометрии саркопсида Fe3(PO4)2. Области матрицы, содержащие выделения саркопсида, пространственно отделены от областей выделения сидерита. Участки c выделениями саркопсида соответствуют обогащенным фосфором зонам на карте распределения Р в расплавном кармане C (Рис. 4б). Выделения саркопсида имеют эллипсоидальную форму; для них характерно наличие поперечных трещин и каверн на границе с шрейберзитом. В зернах саркопсида наблюдаются обогащенные кремнеземом области, которые содержат примеси K, Ca и Mn. На периферии зерен саркопсида присутствуют наноразмерные выделения Ni-фосфида (трансиорданит?).

Дополнительно к эмульсионной текстуре в шрейберзитовой матрице расплавного кармана С наблюдается трехмерная система непрерывных червеобразных выделений диаметром около 150 нм (рис. 6, 8). Эти выделения переплетаются друг с другом и простираются через всю матрицу, за исключением границ с зернами саркопсида и сидерита. EDS спектры, полученные в просвечивающем электронном микроскопе, показали наличие O, Si, C, Ni и Fe с примесями Ca, Al, Mn в составе вещества червеобразных выделений. Рамановские спектры показали присутствие в расплавном кармане С Ni-магнетита, который на основе данных просвечивающей электронной микроскопии соотнесен с червеобразными выделениями в шрейберзите (Хисина и др., 2017а). Червеобразная морфология характеризует фазовое разделение в расплавах по спинодальному механизму (Mazurin, Porai-Koshits, 1984; Shelby, 2005).

Расплавные карманы В и С образовались в результате одного и того же ударного события. Этот поздний эпизод в ударной истории Эльги привел к плавлению фрагмента шрейберзит-оксидной каймы и к инъекции расплавленного вещества внутрь трещины в силикатном включении. Миграция расплава вдоль трещины сопровождалась дифференциацией вещества по вязкости: скорость перемещения фракций расплава, имеющих низкую вязкость, выше скорости движения фракций с высокой вязкостью (Tomkins et al., 2013). Соответственно, порции менее вязкого фосфид-оксид-карбонатного расплава продвигались в трещине на большее расстояние от границы с каймой с образованием расплавного кармана С. Порции более вязкой фосфид-сульфидной фракции расплава аккумулировались вблизи границы с каймой и смешивались с образующимся in situ силикатным расплавом, образуя расплавный карман В.

Окислительно-восстановительные реакции и фазовое разделение в расплавных карманах Эльги

Расплавный карман С представляет собой фосфид-оксид-карбонатную фракцию расплава, образованного в результате ударного плавления вещества шрейберзит-оксидной каймы. Кайма содержит шрейберзит, (Fe,Ni)3P, Ni-магнетит и SiO2. В ударно-метаморфизованных участках каймы идентифицированы троилит и сидерит (Khisina et al., 2018). Это может означать, что сера и углерод изначально входили в состав шрейберзитового слоя каймы. Сера и углерод являются наряду с фосфором несовместимыми элементами в FeNi-металле. Мы полагаем, что S и C вместе с фосфором диффундировали из металла в реакционную зону на границе с силикатом и входили в состав шрейберзитового слоя каймы при ее образовании в раннем импактном событии (Khisina et al., 2018).

В ударном процессе образование и гомогенизация расплавов могут происходить при высоких температурах, которые возникают в результате взаимодействия ударной волны с поровым пространством в породе (Sharp, DeCarli, 2006). Последующее фазовое разделение по типу жидкостной несмесимости реализуется при остывании гомогенизированного ударного расплава. Температура гомогенизации многокомпонентного расплава выше температуры бинодали и, соответственно, выше температуры ликвидуса в системе и температур плавления отдельных фаз, образующих данный расплав. Гомогенизация расплава, образующегося в Эльге при плавлении смеси шрейберзита, Ni-магнетита, SiO2 и углерода, должна происходить при более высокой температуре, чем температура плавления наиболее тугоплавкой фазы – SiO24 . Мы полагаем, что гомогенизация сопровождалась самовосстановлением Ni-магнетита и образованием СО в соответствии с реакциями 2NiO = 2Ni + O2, 2Fe3O4 = 6FeO + O2, и 2C + O2 = 2CO. В ходе последующего остывания в расплаве происходило фазовое разделение с образованием фосфатного и карбонатного расплавов в соответствии с окислительно-восстановительными реакциями: 2CO = C + CO2, FeO + CO2 = FeCO3, 3FeO + 1/2O2 = Fe3O4, 3FeO + 2P + 5/2O2 = Fe3(PO4)2, 2Ni + P = Ni2P.

На основе полученных данных, текстура расплавного кармана С может быть интерпретирована как результат последовательных стадий фазового разделения по типу жидкостной несмесимости в остывающем многокомпонентном расплаве.

  1. В процессе постударного остывания, гомогенизированный и насыщенный кислородом и СО2 многокомпонентный (Fe,Ni)3P – FeO – NiO – SiO2 расплав разделялся на два несмешивающихся расплава, один из которых был обогащен кислородом, а другой – СО2. Эти расплавы пространственно отделялись друг от друга внутри расплавного кармана. В ходе последующего снижения температуры фазовое разделение в областях, обогащенных кислородом и обогащенных СО2, происходило различным путем.
  2. Расплав (Fe,Ni)3P – FeO – SiO2, обогащенный СО2, разделялся с образованием капель FeCO3, допированных SiO2, в расплавленной матрице (Fe,Ni)3P, допированной SiO2. Этот процесс протекал по бинодальному механизму. Капли сидерита при слиянии (коалесценция) укрупнялись и образовывали в шрейберзитовой матрице округлые выделения неправильной формы.
  3. В обогащенных кислородом областях расплавного кармана происходили процессы перераспределения элементов и окислительно-восстановительные реакции между жидкой фосфидной фазой и жидким оксидом железа (Fe3O4), которые сопровождались образованием саркопсида в шрейберзитовой матрице.
  4. При дальнейшем понижении температуры происходило вторичное фазовое разделение в каплях сидерита, саркопсида и в шрейберзитовой матрице, все из которых содержали примеси SiO2, FeO* и NiO. Вторичное фазовое разделение проявилось в образовании кайм SiO2 в сидерите; в сегрегации субмикронных выделений SiO2 в сидерите и саркопсиде; в появлении субмикронных выделений Ni2P(трансиорданит?) в саркопсиде. В шрейберзитовой матрице произошло формирование непрерывной трехмерной системы червеобразных выделений, содержащих SiO2, FeO* и NiO. Червеобразная текстура в шрейберзите соответствует фазовому разделению в расплаве по спинодальному механизму.
  5. Кристаллизация шрейберзита произошла раньше затвердевания сидерита и саркопсида. Кристаллизующаяся шрейберзитовая матрица могла контролировать наблюдаемое пространственно ориентированное размещение сидерита и саркопсида в расплавном кармане.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Эмульсионная текстура расплавных карманов в Эльге свидетельствует о фазовом разделении по типу жидкостной несмесимости, которое происходило при остывании ударного расплава. Нахождение сидерита в одном из расплавных карманов характеризует жидкостную несмесимость в насыщенном кислородом и СО2 ударном многокомпонентном расплаве состава (Fe,Ni)3P – FeO – NiO – SiO2 и убедительно доказывает внеземное происхождение сидерита в Эльге.

Результаты исследования расплавных карманов в Эльге согласуются с представлениями о роли порового пространства в образовании областей локального ударного плавления в метеоритах. Полученные данные демонстрируют особенности процесса ударного плавления, происходящего при наличии порового пространства (пустоты, микротрещины) на границе раздела двух веществ с разным ударным сопротивлением: (1) образование смешанного расплава с участием компонентов контактирующих веществ с разной величиной ударного сопротивления; (2) явления жидкостной несмесимости в образующихся расплавных карманах; (3) механическое перемещение неизмененных фрагментов более плотного вещества («нодулей») в расплавленные зоны менее плотного вещества с образованием смешанных (solid-melt) расплавных карманов; (4) мобилизация летучих и их концентрация в поровом пространстве зон ударного плавления; (6) реакции самоокисления–самовосстановления в ударных расплавных зонах в результате диссоциации летучих и легкоплавких соединений.

Благодарности

Авторы благодарят А. Бурмистрова и Е. А. Панкрушину за помощь в проведении исследований методами сканирующей электронной микроскопии и рамановской спектроскопии, и К.А. Лоренца за конструктивную рецензию.

Источник финансирования

Работа выполнена при частичном финансировании за счет Программы 28 Президиума РАН.

 

1 Ударное сопротивление (impedance) определяется произведением плотности вещества на скорость ударной волны.

2 FeO* означает, что валентное состояние железа в оксиде не определялось.

3 Элементный состав представлен в ат. %.

4 Температура плавления SiO2 при нормальном давлении 1710 °С.

×

About the authors

N. R. Khisina

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of Russian Academy of Science

Author for correspondence.
Email: khisina@geokhi.ru
Russian Federation, Moscow

R. Wirth

GeoForschungZentrum Potsdam

Email: wirth@gfz-potsdam.de
Germany, Potsdam

A. M. Abdrakhimov

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of Russian Academy of Science

Email: AlbertAbd@gmail.com
Russian Federation, Moscow

References

  1. Кваша Л.Г., Лаврентьев Ю., Соболев Н.В. (1974) Силикатные включения и ударный метаморфизм в метеорите Эльга. Метеоритика 33, 143-147.
  2. Пляшкевич Л.Н. (1962) Некоторые данные о составе и структуре железного метеорита Эльга. Метеоритика 22, 51-60.
  3. Сенин В.Г., Зиновьева Н.Г., Панкрушина Е.А., Аверин А.А., Хисина Н.Р. (2018) Идентификация минералов в участках ударного плавления в метеорите Эльга. Труды Всероссийского ежегодного семинара по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (Под ред. Луканина О.А.). М.: ГЕОХИ РАН. 18-19 апреля 2018 г., 356-359.
  4. Теплякова С.Н., Хисина Н.Р., Артемов В.В., Васильев А.Л. (2012) Наноминералогия дендритных включений в железном метеорите Эльга. Записки Российского минералогического общества 141(2), 42-52.
  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), 3-27. Teplyakova S.N., Lorentz K.A., Ivanova M.A., Kononkova N.N., Anosova M.O., Ryazantzev K.M., KostitzinYu.A. (2018) Mineralogy of silicate inclusions in IIE iron meteorite Elga. Geochem. Int. 56(1), 1-23.
  6. Хисина Н.Р., Вирт Р. (2011) Химическая и фазовая нанонеоднородность Ti-Fe-Mn-силикатных микросферул в измельченных рудных пробах. Геохимия (11), 1179-1188. Khisina N.R., Wirth R. (2011) Chemical and phase heterogeneity of Ti-Fe-Mn-silica microspherules in crushed ore samples. Geochem. Int. 49(11), 1111-1119.
  7. Хисина Н.Р., Бадюков Д.Д., Вирт Р. (2016) Микроструктура, наноминералогия и локальная химия криптокристаллических космических сферул. Геохимия (1), 78-88. Khisina N.R., Badyukov D.D., Wirth R. (2016) Microstructure, nanomineralogy and local chemistry of cryptocrystalline cosmic spherules. Geochem. Int. 54(1), 68-77.
  8. Хисина Н.Р., Теплякова С.Н., Вирт Р., Сенин В.Г., Аверин А.А., Ширяев А.А. (2017а) Углеродсодержащие фазы в зонах ударного плавления метеорита Эльга. Геохимия (4), 287-301. Khisina N.R., Teplyakova S.N., Wirth R., Senin V.G., Averin A.A., Shiryaev A.A. (2017а) Carbon-bearing phases in shock-induced melt zones of the Elga meteorite. Geochem. Int. 55(4), 317-329.
  9. Хисина Н.Р., Бурмистров А.А., Ширяев А.А., Аверин А.А., Сенин В.Г., Зиновьева Н.Г. (2017б) Ударные эффекты в железном метеорите Эльга с силикатными включениями (IIE группа). Материалы XVIII международной конференции «Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле». М.: ИГЕМРАН, 284.
  10. Ebert M., Hecht L., Deutsch A., Kenkmann T., Wirth R., Berndt J. (2014) Geochemical processes between steel projectiles and silica-rich targets in hypervelocity impact. Geochim. Cosmochim. Acta 133, 257-279.
  11. Fazio A., D’Orazio M., Cordie C., Folco L. (2016) Target-projectile interaction during impact melting at Kamil crater, Egypt. Geochim. Cosmochim. Acta 180, 33-50.
  12. Hamann C., Hecht L., Ebert M., Wirth R. (2013) Chemical projectile-target interaction and liquid immiscibility in impact glass from the Wabar craters, Saudi Arabia. Geochim. Cosmochim. Acta 121, 291-310.
  13. Hamann C., Fazio A., Ebert M., Hecht L., Wirth R., Folco L., Deutsch A., Reinold W.U. (2018) Silicate liquid immiscibility in impact melts. Meteorit. Planet. Sci. 53, 1594-1632.
  14. Heider N., Kenkmann T. (2003) Numerical simulation of temperature effects at fissures due to shock loading. Meteorit. Planet. Sci. 38, 1451-1460.
  15. Kenkmann T., Hornemann U., Stӧffler D. (2000). Experimental generation of shock-induced pseudotachyllites. Meteorit. Planet. Sci. 35, 1275-1290.
  16. Khisina N.R., Wirth R., Burmistrov A., Shiryaev A.A., Averin A.A., Zinovieva N.G., Pankrushina E., Abdrakhimov A.M. (2018) Shock-Produced Siderite in IIE Iron Meteorite Elga: A Secondary Mineral of Extraterrestrial Origin (abstr. #6008). Meteorit. Planet. Sci. 53(S1), 133.
  17. Kiefer S.W. (1975) From regolith to rock by shock. The Moon 13, 301-320.
  18. Kuchka C.R., Herd C.D.K., Walton E.L., Guan Y., Liu Y. (2017) Martian low-temperature alteration minerals in shock melt pockets in Tissint: constraints on their preservation in shergottite meteorites. Geochim. Cosmochim. Acta 210, 228-246.
  19. Mazurin O.V., Porai-Koshits E.A. (1984) The structure of phase-separated glasses. In Phase separation in glasses. (Eds. Mazurin O.V., Porai-Koshits E.A.). Amsterdam: Elsevier Science Publishing Company Inc., 163-200.
  20. Osadchii Eu.G., Baryshnikova G.V., Novikov G.V. (1981) The Elga meteorite: silicate inclusions and shock metamorphism. Proc. Lunar Planet. Sci. 12B, 1049-1068.
  21. Ruzicka A. (2014) Silicate-bearing iron meteorites and their implications for the evolution of asteroidal parent bodies. Chem. Erde 74, 3-48.
  22. Sharp T.G., DeCarli P.S. (2006) Shock effects in meteorites. In Meteorites and the early solar system II. (eds. Lauretta D.S., McSween H.Y.). Tuscon: Univ. of Arizona Press, 653-677.
  23. Shelby J.E. (2005) Introduction to glass science and technology, 2nd ed. Cambridge, UK: Royal Society of Chemistry, 291 p.
  24. Shepilov M.P., Kalmykov A.E., Sycheva G.A. (2007) Liquid-liquid phase separation in sodium borosilicate glass: ordering phenomena in particle arrangement. J. Non-cryst. Solids 353, 2415-2430.
  25. Stöffler D., Keil K., Scott E.R.D. (1991) Shock metamorphism of ordinary chondrites. Geochim. Cosmochim Acta 55, 12, 3845-3867.
  26. Stöffler D., Hamann C., Metzler K. (2018) Shock metamorphism of planetary silicate rocks and sediments: proposal for an updated classification. Meteorit. Planet. Sci. 53, 5-49.
  27. Tomkins A.G., Weinberg R.F., Schaefer B.F., Langendam A. (2013) Disequilibrium melting and melt migration driven by impacts: implications for rapid planetesimal core formation. Geochim. Cosmochim. Acta 100, 41-59.
  28. 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 olivine in Netschaevo IIE silicate: analogue for planetesimal core-mantle boundaries. Geochim. Cosmochim. Acta 197, 378-395.
  29. Veksler I.V., Dorfman A.M., Borisov A.A., Wirth R., Dingwell D.B. (2007). Liquid immiscibility and the evolution of basaltic magma. J. Petrol. 48, 2187-2210.
  30. Walton E.L., Spray J.G. (2003) Mineralogy, microtexture, and composition of shock-induced melt pockets in the Los Angeles basaltic shergottite. Meteorit. Planet. Sci. 38,1865-1875.
  31. Walton E.L., Shaw C. S.J. (2009) Understanding the textures and origin of shock melt pockets in martian meteorites from petrographic studies, comparisons with terrestrial mantle xenoliths, and experimental studies. Meteorit. Planet. Sci. 44, 55-76.
  32. Zolenski M., Kamenetsky V.S., Mavrogenes J.A., Gurenko A.A., Danyushevsky L.V. (2018) Silicate-sulfide liquid immiscibility in modern arc basalt (Tolbachik volcano, Kamchatka): Part I. Occurrence and compositions of sulfide melts. Chem. Geol., 478, 102-111

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. Fig. 1. (a) Shreiberzit-oxide border at the boundary of silicate inclusion and the host metal in the Elga meteorite. Transverse cracks in schreiberzite (gray) and the layer between schreibersite and FeNi metal (gray) are filled with iron oxide and SiO2. Optical image in reflected light. Sch - shreibersit, Me - the containing metal, Ox - the oxide layer, Sil - silicate inclusion. (b) Elemental mapping of Si, Fe, and O of a substance filling a transverse crack in schreibersite.

Download (260KB)
2. Fig. 2. Melt pockets A and B in silicate inclusion. (a) Melt pocket A. The emulsion texture is formed during phase separation by the binodal mechanism in a phosphide-silicate melt. (b) Melt pocket B. The arrow denotes a module of the composition FeNi– (Fe, Ni) 3P-FeS with silicate globules. The emulsion texture in silicate glass and in the nodule is formed as a result of phase separation by the binodal mechanism in the FeNi– (Fe, Ni) 3P-FeS-silicate melt. Pure schreibersite modules do not contain silicate globules. BSE image. Sch - shreibersit, Sil - silicate glass, Px - pyroxene, FeNi - containing metal.

Download (378KB)
3. Fig. 3. Elemental mapping of the distribution of phosphorus and sulfur in the nodule of the composition FeNi– (Fe, Ni) 3P-FeS and in adjacent glass. Melt pocket B.

Download (302KB)
4. Fig. 4. Melt pocket C: (a) - BSE / SEM image, (b) - elemental mapping of phosphorus distribution.

Download (350KB)
5. Fig. 5. Ellipsoidal precipitation of siderite in the Schreiberzite matrix of the melt pocket C. Image in a transmission electron microscope and the corresponding EDS / TEM elemental mapping of phosphorus, oxygen, and carbon (Khisina et al., 2017a).

Download (220KB)
6. Fig. 6. Sites of melt inclusion C with large precipitates of siderite (black) in the schreiberzite matrix (light).

Download (323KB)
7. Fig. 7. Raman spectrum (a) and electron diffraction pattern (b) of an individual siderite grain in the Schreiberzite matrix of melt pocket C.

Download (159KB)
8. Fig. 8. The emulsion texture formed by ellipsoidal sarcopside secretions in the phosphorus-enriched region of melt pocket C. The worm-shaped dark contrast in the Schreiberzite matrix is ​​due to phase separation by the spinodal mechanism in the (Fe, Ni) 3P-FeO * -NiO-SiO2-CO2 melt. (a) a BSE / SEM image; (b) - TEM image.  

Download (381KB)

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