Ученые вуза воссоздали процесс образования вещества Челябинского метеорита

18:15, 27 ноября 2020

Исследование поможет точнее определять состав других небесных тел

Для исследования был проведен ударный эксперимент. Иллюстрация: Разиля Муфтахетдинова.

В Уральском федеральном университете экспериментально смоделировали процесс образования брекчии в знаменитом Челябинском метеорите. Статья об эксперименте и его результатах опубликована в журнале Planetary and Space Science.

«Значение модели в том, что, связав все элементы строения метеорита и процессы снаружи и внутри него, мы показали, в каких условиях, при каких нагрузках с большой долей вероятности „сложилось“ его вещество», — объясняет руководитель научной лаборатории Extra Terra Consortium, профессор УрФУ Виктор Гроховский.

В феврале 2013 года метеоритная экспедиция УрФУ, более 30 лет возглавляемая Виктором Гроховским, первой исследовала фрагменты Челябинского метеорита. По словам Виктора Иосифовича, сначала в руки метеоритной экспедиции попадали образцы светлой или темной литологии, однако во фрагменте метеорита, поднятом из озера Чебаркуль, присутствовали все разновидности литологии — светлая, темная, ударный расплав. Ученые задались вопросом о природе возникновения феномена.

В ударном эксперименте, проведенном в Российском федеральном ядерном центре — Всероссийском научно-исследовательском институте технической физики (Снежинск, Челябинская область), было доказано, что изменения литологии метеорита, происходившие в космосе, могли быть последствием одного ударного события (считается, что родительское тело метеорита, астероид крупных размеров и возрастом около 4,5 млрд лет, «пережил» четыре или восемь ударных событий), а все типы литологий, наблюдаемые в отдельных фрагментах Челябинского метеоритного дождя, могли быть сформированы ударным событием из одного и того же исходного материала. Такие экспериментальные доказательства получены впервые.

«По составу и структуре металлов и силикатов в веществе метеорита мы установили, что оно залегало в глубине родительского астероида. Небесное тело подверглось ударному воздействию. При столкновении астероида с другим космическим объектом на просторах Солнечной системы образовался расплав пород. Участки расплава в Челябинском метеорите имеют серый цвет, в них включены светлая литология и окаймляющая ее темная литология. Темная литология — это те фрагменты, которые попали в расплав и частично расплавились, оставшись в составе родительского астероида под действием его гравитации. Это схоже с тем, что происходит в ударных кратерах и на Земле, и на безвоздушных астероидах», — рассказывает Виктор Гроховский.

На то, что метеорит состоит из вещества, переходившего из расплавленного жидкого состояния в остывшее твердое, указывают и усадочные трещины, которые формируются, когда вещество сжимается в объеме при затвердевании. Именно по этим трещинам Челябинский астероид, около 290 млн лет назад отделившийся от родительского астероида и направленный соударением с другим космическим объектом в сторону Земли, при падении на ее поверхность распался на множество осколков.

Для проведения ударного эксперимента из вещества Челябинского метеорита был вырезан сферический образец светлой литологии диаметром 4 см (фрагменты светлой литологии максимально соответствуют первоначальному веществу родительского астероида). Помещенный под вакуумом в стальной контейнер толщиной 6 мм образец был подвергнут воздействию сходящейся ударной волной, созданной взрывом снаружи стальной оболочки, с постепенным увеличением давления (от ~15 гигапаскалей во внешнем слое образца до более чем 400 гигапаскалей в его центре) и температуры (свыше 1100^оС в центре образца). После проведения эксперимента образец охладили до комнатной температуры (при этом скорость падения температуры в центре шара достигала 80^оС/сек), а затем распилили на тонкие срезы.

Изучив срезы с помощью оптической и электронной микроскопии, ученые обнаружили четыре визуально различимые структурные зоны, демонстрирующие разные степени метаморфизма, в зависимости от мощности ударного воздействия, уровней давления и температуры — светлую, темную, смешанную литологии, а также ударный расплав (в последовательности от поверхности сферического образца к его центру).

Слегка ударенная светлая литология состоит из силикатов (таких как оливин, пироксен и плагиоклаз, в значительной степени трансформирующийся в маскеленит), металлических зерен неправильной формы, включений минералов троилита и хромита. Силикаты содержат большое количество ударных трещин, что характерно для образцов светлой литологии Челябинского метеорита. Кроме того, в светлой литологии изредка наблюдаются ударные прожилки.

Темная литология — результат ударного воздействия: ее образование обусловлено тем, что расплавленные металл и троилит, распространяясь из зоны с наибольшим давлением и температурой — центра «подопытного» сферического образца, — заполняют все трещины внутри оливиновых и пироксеновых зерен, ударные жилы, пустоты и межфазные границы. По этой причине данная зона наименее пористая и полностью непрозрачна.

Смешанная литология представляет собой область светлых обломков внутри темной матрицы. Характерная особенность данной зоны — следы интенсивного дробления силикатов: не до конца расплавленные зерна оливина «плавают» в силикатном расплаве, однако зона свободна от расплава троилита (это связано с несмешиваемостью силикатных и троилитных расплавов.). Плагиоклаз расплавляется ударом. Присутствуют эвтектические железо-троилитные агрегаты, непрозрачные ударные жилы и карманы расплава.

В зоне ударного расплава материал, по-видимому, достиг полного плавления или испарения. Серый ударный расплав в центре сферического образца содержит перекристаллизованный оливин в виде игольчатых кристаллов, внедренных в закаленный остаточный силикатный расплав. Кристаллы оливина свободны от каких-либо ударных эффектов и, значит, образуются после ударной нагрузки из расплава или пара. В закаленном расплаве присутствуют многочисленные пустоты, а также нано- и микрочастицы железо-троилитного расплава.

Статья с описанием исследований изменений оптических свойств в экспериментальном материале опубликована в журнале Astronomy & Astrophysics (Q1).

В целом микроскопический анализ показал большое сходство результатов эксперимента с ударными эффектами, обнаруженными в образцах Челябинского метеорита. Это подтвердили и сравнения с компьютерной моделью. Однако есть и различия, заключающиеся, прежде всего, в образовании смешанной литологии.

«Наличие этой зоны с ее оптически более ярким внешним видом и практически отсутствующими эффектами ударного потемнения вызвало наше удивление: насколько нам известно, среди найденных фрагментов Челябинского метеорита лишь в одном образце, описанном аспиранткой Алевтиной Максимовой, был обнаружен эквивалент для этой зоны, — поясняет Виктор Гроховский. — Мы предполагали, что вследствие ударного воздействия и плавления троилита материал в состоянии расплава проникнет по трещинам и порам и сохранит свой темный внешний вид, как это наблюдалось во фрагментах Челябинского метеорита. В действительности же мы наблюдали в этой зоне начало значительного плавления силикатов. Силикатный расплав не смешивается с расплавом троилита и, таким образом, создает изолирующий слой, который окружает остатки силикатных зерен и защищает их от проникновения расплавленного троилита и металла».

Описанные исследования имеют важное практическое значение, касаясь проблем космической безопасности: благодаря таким экспериментам и с помощью оптических измерений наука может увереннее распознавать, небесные тела какого состава и строения — из камня, металла, льда и так далее — приближаются к нашей планете.

«В апреле 2029 года нас ждет встреча с астероидом Apophis. Его размер — 350 метров, масса в 5 тыс. раз больше массы Челябинского метеорита, траектория пройдет всего в 38 тыс. км от Земли, это всего лишь десятая доля расстояния до Луны, что ниже орбит некоторых спутников. Результаты нашего эксперимента будут способствовать „идентификации личности“ Apophis», — комментирует Гроховский (в начале ноября Виктор Иосифович принял участие в конференции NASA, посвященной организации «приема» этого астероида).

Добавим, что спектральные исследования образца после эксперимента в Снежинске были проведены представителями УрФУ в коллаборации с Институтом геологии и геохимии Уральского отделения РАН, Хельсинским университетом, Германским аэрокосмическим центром и поддержаны Министерством науки и высшего образования РФ, Российским фондом фундаментальных исследований, Академиями наук Финляндии и Чехии, Центром исследований астероидов и лунной поверхности NASA.

Справка

Падение Челябинского метеорита в виде яркого огненного шара с мощным разрушительным действием и обширного метеоритного дождя произошло 15 февраля 2013 года недалеко от Челябинска. На момент входа в плотные слои атмосферы и последовавшего за этим разрушения размер астероида составлял около 19,8 м в поперечнике, масса — 13 тыс. тонн. Мощность взрыва над Челябинской областью составила 440 килотонн, что примерно в 20 раз больше мощности атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму. Метеорит был классифицирован как обычный многофазный пористый хондрит типа LL5. Ранее метеориты такого типа в России не встречались.

Виктор Гроховский — выпускник металлургического факультета Уральского политехнического института (ныне УрФУ). За исследования и установление природы Челябинского метеорита был включен авторитетнейшим научным журналом Nature в число десяти ученых мира, чья деятельность определила развитие науки в 2013 году. Именем Виктора Гроховского названы астероид 16399 в Солнечной системе и минерал из состава железного метеорита Уакит, найденном в Бурятии в 2016 году.