WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


1 Электронный научно-информационный журнал «Вестник Отделения наук о Земле РАН» №1(21)2003 URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2003/informbul-1/planet-5.pdf РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ИСПАРЕНИЮ ОБСИДИАНА И ИХ ПРИЛОЖЕНИЕ К АНАЛИЗУ СОСТАВОВ ИМПАКТНЫХ СТЕКОЛ Яковлев О. И. (ГЕОХИ РАН; yakovlev@geokhi.ru), Диков Ю. П. (ИГЕМ РАН;

dikov@igem.msk.su), Герасимов М. В. (ИКИ РАН; mgerasim@mx.iki.rssi.ru).

При образовании ударных кратеров вещество ударника и пород мишени могут претерпеть химические изменения, сопряженные, как правило, с селективным испарением ударного расплава и последующей частичной конденсацией пара [1-4]. Несмотря на неизбежность протекания этих процессов при высокоскоростном соударении, вопрос о роли испарения и конденсации в формировании состава пород ударных кратеров остается до сих пор открытым.. Задача по выявлению испарительной составляющей в импактном веществе представляется на сегодняшний день исключительно сложной. Среди подходов в ее решении центральное место занимает экспериментальное изучение испарения силикатных расплавов в области высоких температур.

При этом особый интерес представляют экспериментальные данные по ударному испарению гранитоидных пород, слагающих в большинстве случаев мишени земных кратеров. Однако, несмотря на высокую потребность в данных по составам гранитоидных продуктов испарения, систематических экспериментальных исследований в этом направлении практически не проводилось. Для изучения этого вопроса, а также с целью поиска надежных петрохимических критериев трансформации состава расплавных импактитов, сопряженных с испарением, мы провели модельные эксперименты по импульсному высокотемпературному плавлению образца обсидиана, состав которого в первом приближении близок составам мишеней многих земных кратеров. В задачу эксперимента входило изучение химических трендов испарительной дифференциации, и выявление корреляционных зависимостей изменения состава расплава. Конечная цель работы состояла в приложении полученных данных для выработки методики идентификации признаков испарения в реальных расплавных импактитах кратеров.

В эксперименте был использован образец среднего по составу обсидиана (мас. % ± ): SiO57.90±0.19; TiO2 1.32±0.09; Al2O3 15.02±0.15; FeO 9.31±0.18; MgO 5.11±0.10; CaO 7.37±0.10;

Na2O 2.99±0.09; K2O 0.53±0.04. Микрозондовый анализ различных участков образца (10 анализов) показал высокую степень однородности обсидиана. Ударная имитация плавления и испарения обсидиана была выполнена на лазерной установке по методике, подробно описанной в [5]. Основные параметры лазерного импульса были: длина волны излучения =1.06 мкм, энергия импульса 400-600Дж, плотность мощности излучения 106-107 Вт/см2, длительность импульса 10-3 сек, диаметр пучка фокусировки 3 мм. Характерная температура вещества в области фокусировки лазерного пучка составляла ~4000-6000К, а давление – в пределах 100-бар. Необходимо отметить высокую температуру в зоне испарения образца, которая, согласно расчетам, эквивалентна температуре удара со скоростями 10-20 и более км/сек [5,6]. Образец обсидиана закреплялся в герметичной камере с внутренним объемом 500 см3. Эксперименты проводились в атмосфере He при давлении 1 атм.. Пучок лазерного излучения расплавлял и испарял несколько десятков мг образца. На пути разлета облака силикатного пара и капель расплава на расстоянии 7 см от образца устанавливался медный экран, на поверхности которого происходила конденсация пара и закалка расплава. Образование капель расплава (после закалки – сферул стекла) объясняется диспергацией расплава, выброшенного под давлением струи испаренного пара из «кратерной» полости образца. Диаметр стеклянных сферул находился в пределах от 0.5 до 20 мкм. Диаметр основной массы сферул (~90%) попадал в интервал 0.51.мкм. Количественный химический анализ стекол на главные элементы (Si, Ti, Al, Fe, Mg, Ca, Na, K), был выполнен рентгено-спектральным методом на сканирующем электронном микроскопе (метод SEM-EDS). Всего было проанализировано 83 сферулы. Кроме этого, десять определений состава было сделано на стеклах, расположенных внутри “кратерной полости”. Поскольку часть анализов была выполнена на сферулах критически малого размера (0.5 мкм), то количественные определения в этих объектах не могут претендовать на высокую точность. Это относится прежде всего к элементам с низкой концентрацией и, в частности, к калию, концентрация которого изначально была низкой.

Анализы стекол свидетельствуют о резкой химической гетерогенности продуктов лазерного плавления. Большие различия составов наблюдаются как между отдельными сферулами, так и микроучастками «кратерных» стекол, которые в некоторых случаях располагались друг от друга на расстояниях менее 5 мкм. Составы сферул имеют широкий разброс содержаний по всем элементам, и большая часть этих составов значительно отличается от состава исходного обсидиана. В большинстве сферул произошли большие потери щелочей и умеренно летучих - железа и кремния. При этом содержания труднолетучих - кальция, титана и алюминия резко увеличились. Очевидно, что химические изменения расплава произошли вследствие селективного испарения. Очевидно также, что эти изменения произошли за интервал времени, в течение которого сферулы находились в жидком состоянии. По нашим оценкам «время жизни» расплава было исключительно коротким и составляло 0.1-0.01 сек. Поскольку время испарения для большинства сферул было примерно одинаково, то главным фактором, определившим наблюдаемое разнообразие составов, была температура. Другими словами, разнообразие составов стекол – это отражение температурной гетерогенности расплава, а широкий разброс содержаний элементов – это отражение широкого спектра температурных условий плавления и испарения обсидиана. Каждый отдельно взятый состав сферулы сформировался в ходе индивидуальной термической истории капли расплава, а совокупность составов представляет своеобразную развертку температур испарения. Различия в поведении компонентов расплава наглядно иллюстрируют концентрационные диаграммы, на горизонтальных осях которых отложены содержания алюминия (рис. 1-3). Такой способ построения диаграмм позволяет качественно оценивать летучести главных компонентов расплава относительно наименее летучего (алюминия), и выявлять наличие концентрационных корреляционных связей, возникающих в процессе испарения. На диаграммах обозначены также точки содержаний соответствующих элементов в стеклах из «кратерной» выемки образца и точка содержаний в исходном обсидиане. Данные на рисунках показывают, что с ростом содержания алюминия в сферулах стекла содержание Na, Si, Fe уменьшается. При этом наблюдается отчетливая отрицательная корреляция между содержаниями Si и Al (рис.2).

2. 2.1.1.2 0.0. 0.4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Al, мас.% Al, мас.% Рис. 1 Рис. Для популяции низкотемпературных стекол отмечаются меньшие испарительные потери калия по сравнению с натрием. На рис. 4 показано, что отношения K/Na во всех стеклах «кратерной» полости имеют значения выше, чем в исходном обсидиане. Эти данные полностью соответствуют представлениям о понижении летучести калия по сравнению с натрием при испарении средних и кислых расплавов.

Как и в эксперименте, спектр составов стекол реальных ударных кратеров должен отражать многообразные температурные условия плавления и испарения ударного расплава. В качестве объектов для сопоставления с экспериментальными результатами были выбраны стекла Логойского кратера [7]. Логойский кратер (d 15-18 км) расположен на территории Белоруссии.

Мишенный комплекс ударной структуры имеет двухслойное строение: нижняя его часть сложена кристаллическими породами (гранито-гнейсами), верхняя – горизонтально залегающими Si, мас.% Na, мас.% толщами осадочных пород. Несмотря на двухслойный характер мишени, основная масса расплавных импактитов образована за счет гранито-гнейсов, средний состав которых (мас. % ± ):

SiO2 68.38±1.98; TiO2 0.64±0.12; Al2O3 14.40±0.62; FeO 4.72±1.04; MgO 1.63±0.44; CaO 2.00±0.55; Na2O 2.72 ± 0.31; K2O 4.65 ± 1.08. Сами гранито - гнейсы представлены, в основном, однотипными лейкократовыми разностями и, в меньшей степени, биотитовыми гнейсами. Присутствие последних отразилось на довольно больших значениях стандартного отклонения в содержаниях K2O и FeO. Импактные стекла разделены авторами монографии [7] на «мономинеральные», близкие по составу отдельным минералам, и на «полиминеральные» или смешанные, близкие по составу породам. Для поиска испарительных эффектов изменения состава и сравнения их с экспериментальными данными мы использовали составы только «полиминеральных» стекол. Судя по описанию, они имели разную морфологию (шарики, обломки) и цвет (от бесцветных до темно-коричневых). Число определений состава «полиминеральных» стекол представлено в монографии 168 микрозондовыми анализами. Из этого числа анализов мы выбрали 56 составов, характеризующие наиболее свежие и однородные стекла. Содержания в них контрастных по летучести окислов: Na2O, FeO, SiO2, Al2O3, а также отношение K2O/Na2O, показаны на рис. 5,6,7,8. На всех рисунках показано положение точки среднего состава гранито-гнейсов с соответствующими стандартными отклонениями. На рис. 5 нанесена также точка среднего состава песчаников – наиболее распространенных пород верхней части мишенного комплекса.

0.Исходный состав Стекла "лазерного 8 кратера" 0.0.0.8 9 10 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Al, мас.% Al, мас.% Рис. 3 Рис. Породы мишени Песчаники Гранито-гнейсы 11 12 13 14 15 16 17 18 19 10 12 14 16 18 Al2O3, мас. % Al2O3, мас.% Рис. 5 Рис. Fe, мас.% K/Na ( вес.

отношение ) SiO, мас.% FeO, мас.% 12 14 16 18 20 13 14 15 16 17 18 19 Al2O3, мас.% Al2O3, мас. % Рис. 7 Рис. На представленных рисунках составы стекол расположены хаотично и не содержат явных корреляционных зависимостей, свидетельствующих об испарении компонентов расплава. Это обычная картина разброса составов, с которой приходится сталкиваться при изучении расплавных продуктов ударных кратеров. Однако вряд ли следует сомневаться, что, по крайней мере, часть стекол образовалась в результате высокотемпературного плавления и претерпела изменение состава при частичном испарении. В связи с этим возникает задача, как среди множества импактных стекол выявить те из них, состав которых обусловлен селективным испарением.

Для решения поставленной задачи мы предлагаем метод, основанный на изложенных в настоящей статье экспериментальных данных. Суть метода заключается в “наложении” экспериментально установленных трендов на составы природных стекол с последующим отбором тех из них, составы которых имеют испарительные признаки, подобные экспериментальным.

Можно предположить, что хорошо выраженная в экспериментальных данных взаимосвязь уменьшения содержания кремния при его испарении и увеличения (накопления) алюминия в расплаве по мере роста температуры также должна проявляться в некоторой популяции импактных стекол. Тогда для нахождения этой популяции на соответствующей диаграмме SiO2Al2O3 среди беспорядочного роя точек (рис. 5) следует выделить такую группу составов, которая образует тренд, аналогичный экспериментальному. Очевидно, что тренд должен начинаться, как и в эксперименте, в точке исходного состава мишенных пород. На рис. 5 искомая популяция стекол, с отрицательно скоррелированными содержаниями SiO2 и Al2O3, оконтурена пунктирными линиями. Опираясь на экспериментальные данные, можно предполагать также, что в эту область составов попадают исключительно высокотемпературные стекла. Для проверки надежности предлагаемого метода может служить следующий тест. Если выделенная группа составов стекол сформировалась при селективном испарении, то признаки испарения должны проявиться в данной группе и для других компонентов расплава. Наши экспериментальные данные показывают, что при испарении кислых и средних по кислотности расплавов наиболее характерные изменения происходят с содержаниями Na2O и FeO, а также с отношением K2O/Na2O. Исходя из этого, мы построили для выделенной группы Логойских стекол соответсвующие диаграммы Na2O-Al2O3 и K2O/Na2O-Al2O3 (рис. 9,10). Из диаграмм следует, что, действительно, испарительные тенденции, выявленные в эксперименте, повторяются в стеклах данной выборки, а именно, содержание Na2O в стеклах ниже, чем в гранито-гнейсовых породах, и уменьшается с ростом содержания Al2O3, а отношение K2O/Na2O во всех стеклах выше, чем в мишени. Что касается содержания FeO (рис.11), то здесь не наблюдется его понижения по сравнению с содержанием в исходной породе. Однако данное наблюдение не может быть однозначно истолковано как отсутствие признаков испарения железа, так как содержание FeO в мишенных породах Логойского кратера имеет очень широкий разброс значений. Таким образом, выявленные в эксперименте особенности испарения кислых и средних по составу расплаNa O, мас.% K O/Na O ( вес.

отношение ) вов вполне могут быть использованы в целях идентификации импактных стекол, претерпевших при своем образовании селективное испарение.

3.2.2.2.1.1.13 14 15 16 17 18 13 14 15 16 17 18 Al2O3, мас.% Al2O3, мас. % Рис. 9 Рис. 13 14 15 16 17 18 Al2O3, мас.% Рис. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (по проекту № 01-05-64564-а) Литература [1] Парфенова О.В., Яковлев О.И., Косолапов А.И. Некоторые закономерности испарения вещества мишени при метеоритном ударе // Вестник Московского Университета. 1976. № 3. С.

52-66.

[2] Базилевский А.Т, Флоренский К.П., Яковлев О.И., Иванов Б.А. и др. О преобразовании планетного вещества в высокоскоростном ударном процессе // Геохимия. 1982. № 7. С. 946959.

Na O, мас.% K O / Na O ( вес.

отношение ) FeO, мас.% [3] Базилевский А.Т, Иванов Б.А, Флоренский К.П., Яковлев О.И. и др. Ударные кратеры на Луне и планетах. М. Наука. 1983. 200 стр.

[4] Фельдман В.И. Петрология импактитов. Изд. Московского Университета. 1990. 297 стр.

[5] Gerasimov M.V., Ivanov B.A., Yakovlev O.I., Dikov Yu.P. Physics and chemistry of impacts // In: Laboratory Astrophysics and Space Research. 1999. P.279-329. P.Ehrenfreund et al. (eds.). Kluwer Academic Publishers.

[6] Яковлев О.И., Диков Ю.П., Герасимов М.В., Влотцка Ф. Особенности испарения алюминия из силикатных расплавов // Геохимия. 1997..№ 12. С. 1181-1195.

[7] Глазовская Л.И., Громов Е.И., Парфенова О.В., Илькевич Г.И. Логойская астроблема М.

Наука. 1991. 134 стр.

Вестник Отделения наук о Земле РАН - №1(21)Информационный бюллетень Ежегодного семинара по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии 2003 года (ЕСЭМПГ-2003) URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2003/informbul-1/planet-5.pdf Опубликовано 15 июля 2003 г.

© Отделение наук о Земле РАН, 1997 (год основания), При полном или частичном использовании материалов публикаций журнала, ссылка на "Вестник Отделения наук о Земле РАН" обязательна











© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.