Зачем учёные исследуют метеориты? Насколько непохожими друг на друга бывают эти космические странники? Как специалисты реконструируют их «биографию»? Обо всём этом мы поговорили с сотрудником лаборатории сверхвысоких давлений, созданной в рамках мегагранта Министерства образования и науки в Институте геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН, кандидатом геолого-минералогических наук Иваном Сергеевичем Бажаном.
— Специалисты ИГМ СО РАН одними из первых проанализировали химический и минеральный состав Челябинского метеорита. Какие новые данные удалось получить при его изучении?
— Первые анализы обломков метеорита, проведённые в ИГМ СО РАН группой исследователей во главе с кандидатом геолого-минералогических наук В. В. Шарыгиным, подтвердили его принадлежность к редкой группе обыкновенных хондритов – LL5, ранее не встречавшихся на территории нашей страны. В ходе дальнейших исследований, проведённых нашей лабораторией совместно с японскими специалистами из института Тохоку, в ударно-расплавных жилах Челябинского метеорита был обнаружен минерал высокого давления жадеит, позволивший установить, что в момент удара, отколовшего его от родительского тела, давление и температура достигали 30 000 – 120 000 атмосфер и 1700-2000 °С. Расчёты показали: такой удар был вызван столкновением на скорости 400-1500 м/с с космическим телом размером 150-190 метров.
— Зачем вообще нужно изучать метеориты?
— Как ни парадоксально, для геологов изучение метеоритов — это единственный способ реконструировать вещественный состав глубинных частей нашей планеты, недоступных для изучения другими методами. Так, при бурении Кольской сверхглубокой скважины были отобраны образцы с глубины чуть более 12 километров. В продуктах извержения вулканов и кимберлитовых трубках изредка можно найти фрагменты пород и зёрна минералов с глубины до 500-600 километров. Радиус же Земли — почти 6400 километров! В поисках ответа на вопрос «что же там, ещё глубже под поверхностью?» геологи обратили внимание на астероиды и метеориты, представляющие собой остатки вещества, из которого четыре с половиной миллиарда лет назад сформировались планеты Солнечной системы. Таким образом, изучая метеориты и используя имеющиеся знания о процессах планетообразования, можно достаточно точно реконструировать состав и структуру самых глубинных оболочек Земли. Полученные в результате модели хорошо согласуются с данными геофизиков, «просвечивающих» её сейсмическими волнами.
— Как связана тематика вашей лаборатории — высокие давления — с метеоритами?
— Связь эта обнаружилась лишь во второй половине прошлого столетия и оказалась весьма неожиданной. К тому времени минералогам-экспериментаторам уже стало ясно, что большинство распространённых минералов при высоком давлении создают новые модификации с плотной кристаллической структурой. Однако, согласно расчётам, эти модификации должны были образовываться на глубинах в сотни километров, и вероятность найти их в природных образцах стремилась к нулю. Тем не менее, начиная с 60-х гг. одну за другой их начали обнаруживать в метеоритах и импактных кратерах, то есть фактически на поверхности Земли. Причина этого тоже «лежала на поверхности» — нетрудно представить себе, что и падение метеоритов, и столкновение малых небесных тел в космосе должны порождать по-настоящему высокие ударные давления.
— Как выглядят следы таких столкновений в образцах метеоритов?
— Если говорить о наиболее распространённых метеоритах — хондритах — то в них очень часто можно увидеть черные жилки шириной 0,01–2 мм, заполненные застывшим расплавом. В мировой литературе они получили название «ударно-расплавных». Образование этих жил происходит вследствие моментального сжатия вещества, при котором давление может превышать двести тысяч атмосфер, а температура доходить до двух тысяч градусов! В таких условиях часть минералов плавится, а часть меняет кристаллическую структуру, превращаясь в те самые модификации высокого давления.
— Такие высокие давления можно как-то смоделировать в искусственных условиях и приспособить для получения фундаментальных знаний или даже чего-нибудь полезного? Например, для создания новых материалов?
— Специалисты нашей лаборатории как раз и занимаются созданием высоких давлений в экспериментальных условиях. Однако для решения многих задач кратковременного ударного воздействия которое моделируется, например, с помощью взрыва, недостаточно. Именно поэтому нам приходится использовать сложную аппаратуру – многотонные прессы и прессы с алмазными наковальнями, способные поддерживать высокое давление в течение длительного времени. Помимо получения фундаментальных знаний о поведении вещества при экстремальных нагрузках, наши эксперименты предполагают и ряд прикладных применений. Одним из них является синтез новых сверхтвёрдых материалов.
— Насколько метеориты могут различаться между собой по происхождению и составу?
— По составу они делятся на железные, железокаменные и каменные. Практически все они являются остатками протопланетного вещества, «не использованного» при формировании планет Солнечной системы. Среди них наиболее распространена разновидность каменных метеоритов, называемая хондритами. Они представляют собой практически неизменённое протопланетное вещество и поэтому используются учёными для реконструкции состава Солнечной системы и планет.
Другая часть метеоритного вещества, однако, успела немного поучаствовать в процессе планетообразования, в результате чего возникло множество сравнительно крупных (диаметром до нескольких сотен километров) «микропланет», которые мы теперь называем поясом астероидов. В ходе присоединения к некоторым из них протопланетного вещества высвобождалось достаточное количество ударного тепла, чтобы вызвать плавление. Расплавленное же протопланетное вещество очень быстро разделяется на две составляющие: железо, которое «стекало» к центру астероида, образуя металлическое ядро, и силикатные минералы, лежащие на этом ядре каменной оболочкой — мантией. Если такой астероид в последующем будет разрушен, мы получим три новых группы метеоритов: железные (из ядерной части), каменные ахондриты (из мантийной части) и железокаменные (из промежуточной области). Такие метеориты встречаются реже хондритов и используются учёными для реконструкции процессов, приводящих к образованию планет.
В уникальных случаях в виде метеоритов до Земли могут долетать породы с поверхности Луны и Марса, выброшенные в космос ударом астероида. Они резко выделяются среди остальных по химическому и изотопному составу.
— Как осуществляется реконструкция условий столкновений метеоритов? Как вы получаете информацию об их первоначальных размерах и скорости в тот или иной момент?
— Для определения давления и температуры в момент удара необходимо тщательно проанализировать ударно-расплавные жилы и найти в них минералы, которые являются нашими «термометрами» и «барометрами», так как образуются при строго определённых температуре и давлении. Для этого образцы изучаются под электронным микроскопом, как правило, совмещённым с анализатором химического состава. Чтобы узнать продолжительность ударного воздействия, мы оцениваем скорость остывания расплава в ударно-расплавной жиле. Затем нам на помощь приходит математическое соотношение Ранкина-Гюгонио, которое в сочетании с рядом вспомогательных уравнений связывает вместе все параметры удара: давление, температуру, время воздействия, плотность вещества, скорости распространения ударной волны и соударения, а также приблизительные размеры столкнувшихся тел.
— Насколько мне известно, сейчас вы исследуете метеориты из коллекции Центрального сибирского геологического музея. Какая основная цель ваших исследований?
— Больше всего нам, конечно же, хотелось бы найти в них новые минералы высокого давления, ранее не обнаруженные в природе, однако для этого, нужно признать, требуется немало везения. Другой важной задачей является реконструкция ударных событий, предшествовавших падению метеорита. Сбор и систематизация данных позволит определить масштабы давлений и температур, возникающих при столкновении небесных тел, и таким образом дополнить наши знания о физике взаимодействия малых тел Солнечной системы.
Подготовила Диана Хомякова
Фото предоставлено ИГМ СО РАН
