CC BY
96
Вестник Челябинского государственного университета. 2014. № 1 (330).
Физика. Вып. 19. С. 68-87.
С. В. Таскаев, Д. М. Галимов, Д. А. Жеребцов, В. В. Ховайло, М. В. Горшенков, А. Н. Васильев, А. Н. Голованов, О. С. Волкова, В. Ю. Тимошенко
мультиспектральные исследования фрагментов челябинского метеорита
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ и Президента РФ 12-07-00676-а, МД-770.2014. 2
Приводятся результаты исследования фрагментов Челябинского метеорита методами оптической и сканирующей электронной микроскопии, рентгенофлуоресцентного энергодисперсионного микроанализа, рентгеноструктурного анализа, магнитометрии и спектроскопии комбинационного рассеяния света. Полученные данные позволяют отнести большинство изученных метеоритов к классу обыкновенных хондритов типа LL5 . Однако обнаружен фрагмент, не попадающий под эту классификацию и представляющий собой железокаменный метеорит с атипичным содержанием химических элементов .
Ключевые слова: метеориты, хондриты, железо-каменные метеориты, метеорит «Челябинск».
1. Введение. Основным методом, используемым для определения свойств и классификации метеоритов, длительное время являлась оптическая микроскопия . Определение удельных содержаний включений (таких как хондры и материал матрицы) и распределение хондр по размерам с помощью микроскопии в отражённом свете используется для предварительного установления класса метеорита . В настоящее время оптическая микроскопия высокого разрешения [1] может быть эффективно дополнена применением более сложных инструментальных аналитических методов, например, таких как сканирующая электронная микроскопия, совмещённая с рентгенофлуоресцентным энергодисперсионным микроанализом . Применение этого метода позволяет получить точное содержание химических элементов в исследуемом веществе, с последующей классификацией возможных фаз .
Традиционным методом для определения точного фазового состава материалов (в том числе метеоритов) является ренгеноструктурный анализ, однако его применение для анализа метеоритов значительно затрудняет их неоднородный состав . В настоящее время наиболее информативным неразрушающим методом анализа является рентгеновская томография высокого разрешения, позволяющая не только классифицировать фазы, входящие в состав метеорита, но и показать их пространственное распределение по образцу [2] .
В связи с тем, что оптическая и электронная микроскопия не позволяют точно классифицировать присутствующие в метеорите фазы, в этой работе приводятся также результаты измерений магнитной восприимчивости и спект-
роскопии комбинационного рассеяния света . Использование информации, полученной приведёнными выше методами, позволяет сделать комплексный анализ метеоритов, их морфологии, минералогического и элементного состава, сделать выводы о его происхождении и метаморфозах .
2. данные оптической микроскопии. Методом оптической микроскопии исследовался образец метеорита с размерами 3^2^2,5 см . Поверхность образца имеет чёрный цвет с характерной оплавленной текстурой, сформировавшейся под воздействием высоких температур (рис . 1, а, б) . Для подготовки к дальнейшему исследованию образец был разрезан алмазным диском на низкооборотном отрезном станке Allied TechCut 4 и отполирован с использованием алмазных абразивов . После отмывки в этиловом спирте от абразивных материалов шлиф был высушен в вакуумном сушильном шкафу. Оптическая микроскопия шлифа метеорита (см . рис . 1) проведена с помощью длиннофокусного микроскопа Nikon .
На рис . 1, а видны хондры, составляющие образец, однако не все они чётко фрагментирова-ны, что позволяет говорить о том, что данный образец относится к петрологическому типу 5 . Размер видимых хондр варьируется, но не превышает 0,5 см . Из-за высокой степени метаморфизма трудно определить несущую матрицу. Толщина поверхностного слоя метеорита, подвергавшегося воздействию высоких температур, составляет величину порядка 500 мкм (см рис 1, б) . Поверхность шлифа изображена на рис . 1, в, г хорошо видно, что метеорит состоит из неоднородной минеральной матрицы, содержащей
Рис. 1. Оптические изображения поверхности шлифа метеорита: а — общий вид образца (алюминиевая фольга использована в качестве держателя); б — оплавленный поверхностный слой, в-г — металлические включения и хондры
небольшие металлические включения . По внешнему виду образца можно заключить, что его поверхность подвергалась воздействию высоких температур незначительное время, ограниченное взрывом болида и падением в снег, а также что нет заметного влияния высоких температур на внутреннем строении метеорита. Учитывая низкую теплопроводность силикатов (как основной матрицы метеорита) и время движения болида в плотных слоях атмосферы (порядка 30 с), толщина поверхностного слоя должна варьироваться в пределах от сотен микрометров до миллиметра
3. Данные электронной микроскопии и рент-геноструктурного анализа. Исследование проводили методами сканирующей электронной микроскопии (SEM), совмещённой с рентгено-спектральным микроанализом с дисперсией по энергии излучения (EDX), используя сканирующий электронный микроскоп JEOL JSM-7001F с энергодисперсионным спектрометром Oxford INCA X-Max 80 при ускоряющем напряжении на катоде микроскопа 20,0 кВ . Для снятия за-
рядки поверхности образца на неё был нанесён слой электропроводящего материала (золото), толщиной 10 нм .
Результаты рентгеноспектрального микроанализа представлены как в виде таблиц состава фаз, так и в виде карт распределения элементов . Электронно-микроскопические изображения представлены в режиме сбора обратно рассеянных электронов, который наиболее чётко отражает различия в атомной массе компонентов фаз
На поверхности метеорита находился скол, вероятно, полученный при ударе о землю, на котором по данным электронной микроскопии соотношение лёгких и тяжёлых фаз (силикатов и металлов) находятся приблизительно в соотношении 80 : 20 (рис . 2) . Спектральный анализ в точках, указанных стрелками, приведён в табл . 1 . Из результатов химического анализа следует, что основной силикатной породой являются оливины, в которых находятся вкрапления пироксенов, а также сульфидов металлов и свободных металлов ^е-М) .
Таблица 1
Состав фаз, указанных на рис. 2, масс. %
Спектр О № Mg А1 Si S С1 К Са П V Сг Мп Ге №
Суммарный 37,60 1,17 12,70 1,49 17,72 1,16 0,20 0,15 1,09 0,07 0,00 0,14 0,23 23,93 2,35
2 2,72 0,12 0,14 0,02 0,23 34,88 0,00 0,06 0,00 0,00 0,00 0,00 0,04 61,71 0,08
3 3,65 0,20 1,08 0,07 0,84 0,03 0,09 0,04 0,00 0,00 0,00 0,02 0,02 58,64 35,30
4 3,87 0,15 0,16 0,10 0,13 0,00 0,03 0,00 0,00 0,00 0,01 0,06 0,00 91,07 4,42
5 48,60 6,31 0,24 10,47 31,18 0,00 0,05 0,84 1,57 0,04 0,01 0,13 0,00 0,49 0,06
6 31,09 0,13 14,66 0,24 26,01 0,00 0,23 0,08 0,77 0,30 0,11 3,46 0,67 22,12 0,13
7 24,96 0,12 16,47 0,08 14,09 0,00 0,17 0,00 0,00 0,05 0,03 0,04 0,79 43,18 0,00
8 44,59 0,09 15,44 0,06 25,79 0,00 0,19 0,08 0,49 0,05 0,05 0,01 0,48 12,67 0,00
500мкт
Рис. 2. SEM-изображение участка шлифа (цифрами и стрелками указаны номера и место получения спектров)
Карты распределения химических элементов на участке поверхности рис 2 приведены на рис . 3 . Из их анализа видно распределение отдельных фаз
Как видно из табл . 1 и карт распределения химических элементов (рис . 3), основной фазовый состав на этом участке образца представлен троилитом (спектр 2), камаситом (спектр 4), натриевыми пироксенами (спектр 5, возможно, №А^2О6), Мп-Ге-пироксенами (спектр 7, 8) . Спектры 3 и 6 являются составными, возможно, что в их формировании участвуют в первом случае тэнит и оливин, а во втором случае оливин и магнохромит. Суммарный спектр по это-
му участку отражает содержание химических элементов, наиболее близкое к оливинам
На исследуемом образце также имелся скол, полученный, по-видимому, после падения метеорита на землю . Изображение этого участка приведено на рис . 4 . Спектральный анализ в точках, указанных стрелками, приведён в табл . 2 . Здесь также основной матрицей являются оливины в которой находятся фрагменты пироксенов, хромитов и сульфидов железа
Карты распределения химических элементов на участке поверхности образца по рис . 4 приведены на рис . 5 . Из спектрального анализа и карт
200МКПЛ
Рис. 4. БЕМ-изображение скола поверхности (цифрами и стрелками указаны номера и место получения спектров)
Таблица 2
Состав фаз, указанных на рис. 4, масс. %
Спектр О № Mg А1 Si S С1 К Са Т1 V Сг Mn Бе N1
Суммарный 38,80 1,07 11,86 1,34 17,19 4,75 0,07 0,15 0,72 0,13 0,05 1,64 0,24 21,99 0,00
2 1,23 0,09 0,30 0,03 0,34 31,95 0,00 0,00 0,03 0,00 0,02 0,01 0,02 65,87 0,11
3 38,42 1,89 6,13 3,17 4,50 0,11 0,27 0,16 0,15 1,35 0,26 24,45 0,37 18,72 0,06
4 45,31 2,86 3,20 4,76 24,04 0,00 0,05 0,64 13,33 0,15 0,00 0,53 0,17 4,83 0,13
5 0,81 0,14 0,01 0,09 0,28 36,24 0,00 0,00 0,11 0,00 0,00 0,09 0,11 62,11 0,00
6 48,41 0,07 20,87 0,06 16,33 0,00 0,00 0,00 0,04 0,02 0,01 0,02 0,28 13,89 0,00
200МКГП
Сг Бе N1
Рис. 5. Распределение химических элементов на участке поверхности по рис. 4
распределения химических элементов следует, что основными фазами на этом участке также являются фазы сульфидов железа (спектр 2 и 5), Са-№-пироксенов (спектр 4, возможно, (№, Са, Mg)(Mg, Бе, А1^12О6), оливинов (спектр 6) . Спектр 3 является составным и может состоять из спектров магнохромитов (Mg, Бе)Сг2О4 с Са-Ш-пироксенами (Ш, Са, Mg)(Mg, Бе, ЛГ^2О6 .
Принципиального отличия в фазовом составе скола по сравнению с фазовым составом наблюдаемом на шлифе, не обнаруживается .
Спектральный анализ шлифа, сделанного в лабораторных условиях, в точках, указанных стрелками на рис . 6, приведён в табл . 3 . Основной матрицей в этом случае также является оливин, в котором находятся фрагменты
ЮОмкт
Рис. 6. БЕМ-изображение участка поверхности (цифрами и стрелками указаны номера и место получения спектров).
Таблица 3
Состав фаз, указанных на рис. 6, масс. %.
Спектр О № Мв А1 Si S С1 К Са Т1 V Сг Мп Ге N1
Суммарный 42,72 0,97 14,67 1,40 19,85 0,10 0,28 0,11 0,78 0,01 0,01 0,18 0,33 17,84 0,76
2 20,67 0,61 0,54 0,11 0,71 0,00 3,04 0,01 0,04 0,03 0,00 0,03 0,01 54,78 19,42
3 44,32 0,25 15,14 0,34 26,11 0,00 0,11 0,00 0,39 0,13 0,00 0,07 0,26 12,74 0,14
4 16,17 0,88 3,92 0,11 4,19 0,00 0,43 0,09 0,11 0,03 0,01 0,02 0,00 55,43 18,59
5 9,50 0,36 1,46 0,23 1,46 29,13 0,00 0,05 0,04 0,00 0,05 0,15 0,06 57,28 0,23
6 38,81 0,20 3,12 3,04 1,98 0,00 0,03 0,00 0,08 1,20 0,44 29,30 0,53 21,17 0,11
7 44,02 0,13 20,30 0,00 17,54 0,00 0,04 0,04 0,03 0,00 0,00 0,02 0,38 17,44 0,07
8 43,23 4,80 0,26 11,39 35,71 0,00 0,14 1,06 2,03 0,00 0,07 0,05 0,00 1,26 0,00
9 39,67 0,17 18,73 0,02 16,79 0,00 0,24 0,06 0,00 0,00 0,07 0,00 0,44 23,22 0,58
10 40,99 0,07 15,62 0,10 27,35 0,00 0,03 0,00 0,49 0,02 0,08 0,05 0,42 14,66 0,10
11 49,37 0,02 20,80 0,00 16,05 0,00 0,00 0,00 0,03 0,03 0,00 0,00 0,20 13,51 0,00
железоникелевых сплавов, алюмохромитов, пи-роксенов и сульфидов железа .
Картирование распределения химических элементов на участке поверхности образца по рис . 6 приведено на рис . 7. Из спектрального анализа и карт распределения химических элементов следует, что основными фазами на этом участке являются тэнит (спектр 2), оливины (спектр 3, 7, 9, 11), Mg-Fe-пироксены (спектр 10), алюмохромиты (спектр 6) . Спектр 8 скорее
всего относится к Са-№-пироксенам . Спектры 4 и 5 являются составными, в их формировании участвуют в первом случае тэнит и оливин, во втором — троилит и оливин . Суммарный спектр по участку наиболее близок к оливинам
Из рис . 8 очевидно, что на этом участке поверхность состоит в основном из алюмосиликатов с мелкими включениями тяжёлых фаз Спектральный анализ в точках, указанных стрелками, приведен в табл 4
Сг Бе N1
Рис. 7. Распределение химических элементов на участке поверхности по рис. 6
50мкт
Рис. 8. SEM-изображение участка поверхности (цифрами и стрелками указаны номера и место получения спектров)
Таблица 4
Состав фаз, указанных на рис. 8, масс. %
Спектр О № Мв А1 Si S С1 К Са Т1 V Сг Мп Бе N1
Суммарный 40,30 1,50 13,59 2,10 20,40 0,33 0,31 0,37 1,10 0,06 0,01 0,23 0,28 19,02 0,39
2 1,78 0,04 1,02 0,04 1,40 0,00 0,02 0,08 0,04 0,00 0,00 0,14 0,65 94,55 0,24
3 16,28 0,76 4,64 1,02 7,79 19,37 0,18 0,27 0,32 0,00 0,01 0,08 0,15 48,08 1,04
4 5,95 0,12 0,42 0,21 0,46 0,00 0,51 0,00 0,05 0,00 0,01 0,01 0,00 69,09 23,19
5 44,05 0,10 15,52 0,13 25,71 0,00 0,11 0,00 0,53 0,00 0,11 0,03 0,37 13,27 0,05
6 42,43 1,87 7,99 2,40 27,06 0,06 0,00 0,17 7,78 0,10 0,00 0,19 0,22 9,71 0,02
7 37,56 0,14 21,07 0,05 19,30 0,12 0,00 0,12 0,03 0,03 0,00 0,05 0,42 21,06 0,06
8 40,37 20,75 0,07 17,76 0,00 0,00 0,03 0,04 0,00 0,00 0,01 0,34 20,58 0,04
9 52,25 5,07 0,42 9,91 28,46 0,00 0,01 1,01 1,40 0,06 0,03 0,33 0,04 1,00 0,01
Картирование распределения химических элементов на участке поверхности образца по рис. 8 приведено на рис. 9. Из спектрального анализа и карт распределения химических элементов следует, что в число фаз на этом участке об-
разца входят железо (спектр 2), тэнит (спектр 4), Мв-Бе-пироксены (спектр 5), Са-Ыа-пироксены (спектр 6), оливины (спектр 7, 8) и №-пироксены (спектр 9) . Спектр 2 нельзя отнести к какому-то конкретному минералу и, скорее всего,
Бе Сг N1
Рис. 9. Распределение химических элементов на участке поверхности по рис. 8
он является комбинацией спектров сульфидов железа и оливина Суммарный спектр по участку наиболее близок к пироксенам
В результате проведённого анализа скола метеорита, найдены включения следующих фаз (по степени распространённости): оливинов, пироксенов (в частности, омфаци-та и жадеита), камасита, тэнита и троилита
Концентрация камаситов и тэнитов не превышает 10 % .
Анализ подготовленного для оптической микроскопии шлифа показывает, что на его участке (рис . 10) наблюдаются крупные (вплоть до 300 мкм) включения тяжёлых фаз . Спектральный анализ в точках, указанных стрелками, приведён в табл 5
Рис. 10. SEM-изображение участка поверхности (цифрами и стрелками указаны номера и место получения спектров)
Таблица 5
Состав фаз, указанных на рис. 10, масс. %
Спектр О № Mg А1 Si S С1 К Са Т1 V Сг Mn Бе N1
Суммарный 39,27 0,86 13,84 0,80 16,92 1,41 0,21 0,08 0,70 0,18 0,04 2,80 0,27 20,80 1,83
2 42,16 0,05 20,64 0,00 17,44 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,04 0,30 19,35 0,00
3 2,36 0,14 0,33 0,00 0,56 32,92 0,00 0,00 0,02 0,00 0,00 0,08 0,00 63,40 0,19
4 34,64 0,36 1,49 3,16 0,24 0,00 0,09 0,00 0,02 1,77 0,42 34,52 0,42 22,87 0,01
5 2,42 0,03 0,42 0,05 0,36 0,00 0,00 0,01 0,08 0,00 0,03 0,02 0,04 60,96 35,59
6 1,21 0,06 0,33 0,12 0,30 34,93 0,00 0,00 0,03 0,00 0,05 0,11 0,05 62,64 0,19
7 2,43 0,26 0,37 0,04 0,40 33,16 0,00 0,00 0,00 0,00 0,02 0,08 0,04 63,12 0,08
8 41,89 0,21 20,45 0,03 17,26 0,00 0,13 0,00 0,05 0,06 0,00 0,00 0,35 19,53 0,04
9 51,47 0,35 15,82 0,08 22,96 0,00 0,18 0,00 0,38 0,00 0,00 0,04 0,24 8,49 0,00
10 51,10 5,86 0,15 10,20 29,65 0,00 0,00 0,83 1,49 0,02 0,02 0,00 0,03 0,58 0,07
11 45,47 0,17 15,81 0,00 25,66 0,00 0,10 0,00 0,64 0,04 0,00 0,07 0,43 11,61 0,00
Карты распределения химических элементов на участке поверхности шлифа по рис . 10 приведены на рис . 11 . Как видно из спектрального анализа и карт распределения элементов, основными фазами на этом участке образца являются оливины (спектр 2, 8, 9), троилит (спектр 6), Mg-Fe-пироксены (спектр 10) . Некоторые спектры являются составными и представляют многофазные области, в частности, области, состоящие из смесей оливинов с троилитом (спектр 3, 7), оливинов и тэнита (спектр 5), оксида железа и алюмохромитов (спектр 4) . Суммарный спектр по участку наиболее близок к оливинам
На участке поверхности шлифа, приведённом на рис . 12, наблюдаются крупные включения тяжёлых фаз, однако основными фазами являются силикатные Спектральный анализ в точках, указанных стрелками, приведён в табл 6
Карты распределения химических элементов на участке поверхности шлифа по рис . 12 приведены на рис 13 Как видно из спектрального анализа и карт распределения элементов, основными фазами на этом участке образца являются Mg-Fe-пироксены (спектр 3, 4), Са-№-пироксены (спектр 2, 11, 12), сульфиды железа (спектр 9, 13), тэнит (спектр 5, 6, 7) и алюмо-
Бе N1
Рис. 11. Распределение химических элементов на участке поверхности по рис. 10
200мкт
Рис. 12. БЕМ-изображение участка поверхности шлифа (цифрами и стрелками указаны номера и место получения спектров)
Таблица 6
Состав фаз, указанных на рис. 12, масс. %
Спектр О № Мв А1 Sl S С1 К Са Т1 V Сг Мп Бе N1
Суммарный 39,52 1,52 13,91 1,73 18,24 1,15 0,15 0,12 0,68 0,06 0,00 0,80 0,23 19,13 2,76
2 50,83 5,12 0,13 10,44 30,45 0,00 0,05 0,91 1,49 0,03 0,02 0,04 0,00 0,46 0,03
3 46,25 0,08 20,35 0,03 16,44 0,00 0,07 0,02 0,00 0,01 0,00 0,00 0,25 16,50 0,00
4 45,12 0,35 15,41 0,14 24,95 0,24 0,26 0,03 0,76 0,12 0,06 0,10 0,39 11,93 0,16
5 1,05 0,00 0,28 0,17 0,28 0,00 0,00 0,00 0,00 0,02 0,03 0,00 0,02 60,91 37,23
6 1,49 0,00 0,34 0,05 0,27 0,00 0,01 0,08 0,04 0,00 0,03 0,00 0,00 61,64 36,06
7 2,04 0,02 0,38 0,08 0,44 0,00 0,00 0,02 0,00 0,00 0,06 0,03 0,07 60,46 36,39
8 28,29 0,53 1,31 2,76 0,25 0,04 0,10 0,00 0,17 1,56 0,57 38,46 0,62 25,17 0,17
9 1,00 0,20 0,35 0,14 0,42 13,59 0,00 0,00 0,03 0,00 0,00 0,03 0,02 84,08 0,15
10 39,98 0,21 2,78 2,90 0,26 0,00 0,07 0,00 0,00 1,74 0,38 31,71 0,45 19,38 0,13
11 51,04 4,91 0,21 9,92 30,40 0,00 0,04 1,65 1,00 0,00 0,04 0,02 0,02 0,66 0,10
12 50,67 5,45 0,17 10,17 29,84 0,00 0,03 1,16 1,39 0,00 0,00 0,06 0,09 0,86 0,11
13 0,91 0,05 0,20 0,09 0,21 33,35 0,00 0,06 0,07 0,00 0,00 0,01 0,05 64,65 0,37
хромиты (спектр 8, 10) . Суммарный спектр по участку наиболее близок к смеси пироксенов с тэнитом
На участке поверхности шлифа, приведённом на рис . 14, наблюдаются крупные включения тяжёлых фаз, в частности, сульфидов железа, однако, как и в предыдущих случаях, основными фазами являются силикаты . Спектральный анализ в точках, указанных стрелками, приведён в табл . 7.
Картирование распределения химических элементов на участке поверхности шлифа по рис . 14 приведено на рис. 15 . Из спектрального анализа и карт распределения элементов следует, что основными фазами на этом участке являются Са-№-пироксены (спектр 2), оливины (спектр 4, 5, 6, 8) и троилит (спектр 3, 7) . Суммарный спектр по участку наиболее близок к смеси оливинов с троилитом .
Качественный состав шлифа метеорита на всех изученных участках одинаков, в поряд-
О
А1
№
Si
Mg
Са
Сг
Мп
Fe №
Рис. 13. Распределение химических элементов на участке поверхности шлифа по рис. 12
ке убывания распространённости это: оливины, пироксены, троилит, камасит и тэнит. Концентрация камацитов и тэнитов не превышает 10 масс. % . По содержанию чистого железа и железоникелевых сплавов исследуемый образец можно отнести к обыкновенным хондритам группы LL петрологического типа 5 .
Кроме первого, каменного метеорита, на расстоянии 150 м от первого, в такой же характерной оплавленной снежной лунке был найден железный метеорит. Исходный кусок метеоритного вещества представлял собой плотный чёрный камень овальной формы с размерами порядка 2 см в диаметре. На поверхности ме-
теорита можно видеть чёрную кору плавления. Для проведения исследований исходный образец метеорита был разрезан методом абразивной резки и залит в проводящий эпоксидный компаунд для дальнейшей полировки . Полировка образца проводилась на абразивной полировальной бумаге с постепенной уменьшающейся зернистостью . Финальная полировка проводилась с помощью суспензии коллоидного кремния . Отполированная часть образца метеорита представлена на рис. 16 .
В структуре метеорита можно выделить кору плавления, присутствующую по всей поверхности метеорита, блестящую металлическую
8
ЮОмкт
Рис. 14. БЕМ-изображение участка поверхности шлифа (цифрами и стрелками указаны номера и место получения спектров)
Таблица 7
Состав фаз, указанных на рис. 14, масс. %
Спектр О № Мв А1 Sl S С1 К Са Т1 V Сг Мп Бе N1
Суммарный 35,80 1,50 9,68 1,98 15,42 8,62 0,01 0,17 1,35 0,04 0,00 0,05 0,19 25,09 0,09
2 51,67 6,06 0,04 10,10 29,28 0,00 0,02 0,95 1,27 0,03 0,01 0,01 0,00 0,51 0,04
3 2,30 0,23 0,11 0,21 0,28 33,58 0,00 0,02 0,06 0,00 0,01 0,00 0,13 62,85 0,21
4 36,96 0,20 20,17 0,09 18,30 0,00 0,00 0,00 0,02 0,05 0,00 0,07 0,42 23,69 0,04
5 51,59 0,20 9,79 0,19 23,02 0,00 0,02 0,00 12,30 0,10 0,05 0,26 0,04 2,45 0,00
6 43,27 0,64 8,79 0,33 24,69 0,00 0,16 0,12 15,69 0,24 0,05 0,66 0,19 5,01 0,15
7 1,57 0,19 0,07 0,20 0,17 35,93 0,00 0,00 0,10 0,00 0,00 0,01 0,00 61,53 0,22
8 44,02 0,46 14,74 0,27 25,22 0,00 0,24 0,17 0,60 0,18 0,01 0,16 0,36 13,53 0,06
матрицу, внутри которой находятся включения с характерными размерами до нескольких миллиметров . В коре плавления имеются кратеры, в которых можно видеть структуры, похожие на дендритные кристаллы (рис 17)
Исследование металлической матрицы методом микрорентгеноспектрального анализа показало, что она состоит из чистого железа с погрешностью определения состава порядка 0,1 % . Наличие чистого железа подтверждается методом рентгеноструктурного анализа (рентгенограмма показана на рис . 18) . На рентгенограмме можно выделить сильные дифракционные максимумы, принадлежащие ОЦК-решётке и отвечающие фазе с наибольшим со-
держанием в метеоритном веществе, а также менее интенсивные дифракционные максимумы, которые могут быть отнесены к оксидам железа, имеющим структуру типа шпинели Период решётки основной ОЦК-фазы, рассчитанный из положения дифракционных максимумов составил 2,866 А, что соответствует периоду решётки чистого а-железа, не содержащего примесей . Наличие в структуре метеорита чистого железа является весьма необычным феноменом, поскольку железо в метеоритах сопровождается примесью никеля в количестве от нескольких процентов до десятка процентов . Такие металлические включения сплава Бе-№ различного нестехиометрического со-
Рис. 16. Оптическое изображение поверхности шлифа металлического метеорита
Рис. 17. SEM-изображения дендритных структур на поверхности кратеров коры плавления
Рис. 18. Рентгенограмма образца метеорита. Основные линии соответствуют дифракционным максимумам чистого железа, стрелочками на рисунке обозначены линии, соответствующие фазам
оксида железа со структурой типа шпинели
става обнаружены в первом исследованном фрагменте метеорита .
Для анализа структуры чистого а-железа в метеорите отполированные образцы метеорита были исследованы методами сканирующей электронной микроскопии и дифракции обрат-норассеяных электронов (EBSD) . На рис . 19 показано SEM изображение участка чистого железа в метеорите в обратнорассеяных электронах . Контраст на рисунке связан с эффектом канали-рования электронов и зависит от ориентировки кристаллитов железа по отношению к падающему пучку. Таким образом, на рисунке можно видеть структуру металлической матрицы, которая представляет собой вытянутые зёрна железа с размерами менее 10 мкм в поперечном
сечении. В пределах одного зерна железа имеются локальные вариации контраста, свидетельствующие о небольших (порядка нескольких градусов) разориентировках внутри одного зерна. Вытянутость зёрен имеет локальный характер, и зёрна в пределах участков 150-200 мкм имеют вытянутость в одном направлении . Однако в пределах всего метеорита вытянутость не имеет корреляции между собой, как в случае с деформированным материалом, в котором зёрна вытянуты в направлении деформации, и вытянутость зёрен в различных частях металлической матрицы различная . Можно предположить, что данный эффект связан со структурной наследственностью при а^-у превращении, и зёрна а-железа вытянуты в некоторых направ-
Рис. 19. Микроструктура а-железа, составляющего основу образца метеорита: а) изображение кристаллической структуры, участки с различной ориентировкой раскрашены в различные цвета, соответствующие углам поворота Эйлера, б) изображение зёренной структуры железа, жирными чёрными линиями обозначены высокоугловые границы зёрен, тонкими чёрными линиями обозначены малоугловые границы (<10°)
Рис. 20. Изображение микроструктуры железа в образце метеорита (эффект каналирования обратнорассеянных электронов)
Рис. 21. БЕМ-микрофотография включения внутри металлической матрицы метеорита
лениях в пределах бывшего аустенитного зерна, которое было сформировано либо в процессе зарождения метеорита, либо в процессе его падения на Землю в результате кинетического разогрева метеорита при трении об атмосферу. Хаотичная разориентировка зёрен а-железа в металлической матрице метеорита подтверждается близкими к рассчитанным по кинематической теории интенсивностям рентгеновских линий для поликристалла. Железная основа не имеет преимущественной ориентировки, а кристаллы железа разделены высокоугловыми границами . Внутри многих кристаллов обнаруживаются малоугловые границы, образованные дислокационными стенками . Расчёт областей когерентного рассеяния по уширению рентгеновских линий показывает, что уширение обусловлено только малостью блоков и составляет 1300±200А .
Таким образом, из исследования структуры а-железа можно заключить, что металлическая матрица представляет собой высокополигонизо-ванные зёрна а-железа, имеющих вытянутость в пределах, возможно, бывшего аустенитного зерна . Обычно железо, содержащееся в метеоритах, имеет Видманштеттову структуру, отличающуюся геометрически правильным расположением элементов структуры в виде пластин или игл, внутри составляющих сплав кристаллических зёрен, которая образуется в процессе быстрого охлаждения . В случае нашего метео-
рита сильно полигонизованная структура могла возникнуть вследствие процессов диффузионного переползания дислокаций и выстраивания их в стенки — малоугловые границы блоков в кристаллах
В структуре материала были отмечены неметаллические включения, которые образовались не на поверхности, а непосредственно внутри металлической матрицы . SEM-изображение включения в обратнорассеяных электронах представлено на рис . 21-22 . Размер включения составляет порядка 500 мкм . Внутри включения можно выделить кристаллы дендритной структуры . Среди кристаллов можно выделить три различные составляющие — светлые кристаллы, тёмные кристаллы с дендритной структурой и тёмные тонкопластинчатые кристаллы, находящиеся в областях между описанными выше дендритными областями (рис . 21) . Различие в яркости структурных составляющих в обрат-норассеянных электронах позволяет утверждать, что они существенно различаются по содержанию химических элементов . Так, наиболее яркие участки обогащены элементами с более высокими атомными номерами
Исследование включений методом микро-рентгеноспектрального анализа показало, что наиболее светлые кристаллы содержат такие химические элементы, как Fe, О, Мп, Т^ Са, 8 . Количественное содержание этих элементов в кристалле приведено в табл . 8 . Более тёмные
50цт
Рис. 22. SEM-изображение включения в металлической матрице метеорита в отражённых электронах (спектры указаны для табл. 8)
кристаллы содержат в своём составе Fe, О, И, Мп, Сг, А1, V. Наиболее тёмные участки включений имеют в своём составе химические элементы Fe, О, Мп, Са, К, А1, Т^ 8, проиллюстрированные на спектре 3
Состав оксидных компонентов соответствует трём основным фазам: ульвошпинели Fe2TiO4 (более тёмные дендриты, спектр 1), вюститу FeO (более светлые дендриты, спектр 2) и фаялиту Fe2SiO3 (тёмная вмещающая фаза, спектр 3) . Металлическая часть представлена чистым железом (светлое поле в правой части изображения, спектры 4 и 5) . Наблюдаемая морфология кристаллов находится в соответствии с ожидаемой для такого состава последовательностью выпадения фаз . Наиболее высокую температуру плавления имеет железо (1 539 °С), которое закристаллизовалось при охлаждении расплава первым, с образованием жидких капель оксидной фазы внутри него
Далее происходило выпадение из силикатного расплава длинных разветвлённых дендритов ульвошпинели и вюстита . Обе фазы имеют температуры плавления около 1 400-1 450 °С, поэтому их выделение из расплава могло проходить одновременно Тем не менее по изображениям можно предполагать, что первыми формировались дендриты ульвошпинели . Как и в случае кристаллизации эвтектик, выделение из раствора одной фазы приводило к локальному изменению состава около её кристаллов и стимулировало кристаллизацию второй фазы . Благодаря этому дендриты ульвошпинели и вюстита прорастают сквозь друг друга в тесной близости Очень высокая степень текстуры кристаллов позволяет считать их все одним дендритом, проросшим сквозь весь объём расплава . С учётом большого размера дендритов это свидетельствует о чрезвычайно медленном процессе охлаждения и, соответственно, о большой массе охлаждавшегося небесного тела . Последним закри-
сталлизовался расплав, практически совпадающий по составу с фаялитом, что соответствует температуре 1 100-1 200 °С .
Химический состав второго образца метеорита резко отличается от первого . Так, металлическая часть второго образца представлена чистым железом, содержание остальных примесей находится ниже уровня обнаружения микрорентгеноспектральным методом (менее 0,1-0,5 %) . Первый образец, напротив, содержит значительное количество никеля . Оксидная фаза второго образца также отличается от первого тем, что во втором образце необычно высокое содержание титана и железа (до 59,5 %) . Первый же содержит алюмосиликаты с незначительным содержанием титана (до 1,8 %) и более низким содержанием железа (до 17,2 %) .
4. данные магнитометрии. Температурная зависимость магнитной восприимчивости исследовалась с помощью вибрационного магнитометра PPMS — 9T Quantum Design в интервале 2-300 К в магнитном поле 0,1 Т.
Как показано на рис . 23, магнитная восприимчивость фрагмента Челябинского метеорита содержит заметный вклад, не зависящий от температуры Xq ~10-3 эмю/г, при понижении температуры она довольно резко уменьшается до 250 К, затем увеличивается вплоть до самых низких температур, демонстрируя небольшое плато при 60-80 К . Исходя из имеющихся экспериментальных данных, полученных методами оптической спектроскопии и электронной микроскопии, в представленном фрагменте предполагается наличие следующих магнитоактивных фаз: гематит (a-Fe2O3), оливины ((FexMg1-;i)2SiO4), таэнит (Ni1xFex) и пироксены ((Mg,Fe)2Si2O6) . Падение магнитной восприимчивости при высоких температурах может быть связано с проявлением спин-переориентационного перехода Морина в a-Fe2O3 [3] . Плато при 60-80 К может быть связано с антиферромагнитным упорядочением
Таблица 8
Состав фаз, указанных на рис. 22, масс. %
Спектр O Al Si S K Ca Ti V Cr Mn Fe
1 26,7 1,1 - - - - 17,2 0,4 2,3 6,8 45,4
2 25,4 0,4 4,2 0,1 0,5 0,8 1,9 - - 7,1 59,5
3 32,1 1,4 14,6 0,6 1,7 2,9 1,1 - - 9,5 36,1
4, 5 - - - - - - - - - - 100
то
13 ЕЕ ш
100
T (K)
200
300
Рис. 23. Температурная зависимость магнитной восприимчивости фрагмента Челябинского метеорита
оливинов (FexMg1-:)2SiO4 . Причём широкий интервал формирования магнитоупорядоченной фазы может быть связан с вариацией соотношения ионов Fe и Mg [4] . Довольно большая величина Хд может свидетельствовать о присутствии небольшого количества ферромагнитных примесей с высокими температурами Кюри, в качестве которых может выступать фаза таэнита М^^е^ с температурой Кюри в интервале 550-750 °С для разных х [5] . Имеющаяся зависимость %(Т) не содержит признаков магнетизма пироксенов
5. данные спектроскопии комбинационного рассеяния света. Спектроскопия комбинационного (рамановского) рассеяния света (КРС) широко используется для анализа состава метеоритного вещества (см . , например, работы [6-8]) .
В проведённых нами экспериментах измерялся спектр КРС фрагментов метеорита, упавшего в Челябинске в 2013 г. Измерения выполнялись на спектрометре micro-Raman Horiba Jobin Yvon HR 800 при возбуждении излучением гелий-неонового лазера с длиной волны 632,8 нм . Луч лазера фокусировался на образце в пятно диаметром примерно 50 мкм . В процессе измерений образец находился на воздухе при комнатной температуре
Для большинства исследуемых областей фрагмента метеорита спектр КРС имел вид, показанный на рис . 24 . Частоты основных наблюдаемых полос A, B, C, D, E и F приведены в табл . 9.
Спектральные положения основных полос КРС, достаточно широкие области ненулевого сигнала между полосами А и В, а также С и D указывают на присутствие следующих минералов: ортопироксен (orthopyroxene), клинопи-роксен (clinopyroxene), плагиоклаз (plagioclase), оливин (olivine) и, возможно, гематит (hematite) [6; 7] .
Отметим, что ряд других предоставленных фрагментов не проявлял каких-либо заметных линий в спектре КРС на уровне чувствительности используемого оборудования, что может указывать на доминирование металлической фазы, которая, как правило, показывает крайне низкий уровень сигнала КРС .
Таким образом, проведённый анализ состава Челябинского метеорита методом рамановской спектроскопии также указывает на его преиму-
0.003
0.000
0
300
400
500
600
700
Raman Shift (cm-1)
800
900
Рис. 24. Спектр КРС фрагмента метеорита. Буквами A—F обозначены основные линии спектра, а цветными точками даны положения полос КРС следующих минералов: OPx — ортопироксен (orthopyroxene), CPx — клинопироксен (clinopyroxene), Pl — плагиоклаз (plagioclase), Hem — гематит (hematite) и Ol — оливин (olivine) [6; 7]
Таблица 9
Основные линии в спектре КРС фрагмента Челябинского метеорита
Обозначение A B C D E F
Частота КРС (см-1) 325 467 550 682 824 857
щественно силикатный состав с доминированием ортопироксена и оливина и присутствием клинопироксена, плагиоклаза, предположительно, гематита . Как и предыдущие исследования, эти результаты свидетельствуют о принадлежности данного метеорита к классу каменных хон-дритов .
6. Заключение. Исследуемые фрагменты метеоритов показывают значительную неоднородность состава упавшего 15 февраля 2013 г. Челябинского метеорита . Основная его часть относится к обыкновенным хондритам типа LL5, однако присутствуют довольно редкие для метеоритов включения чистого железа с фрагментами силикатов и большим содержанием оксида титана. Такие макроскопические включения найдены в виде отдельно выпавшего железо-каменного метеорита . Столь разные классы метеоритов редко встречаются в одном небесном теле, что позволяет предположить их принадлежность к разным небесным телам, столкнувшимся в космосе и образовавшим единый объект, выпавший в виде метеорита на Землю .
Список литературы
1 . Ogliore, R. C . Gigapixel optical microscopy for meteorite characterization / R. C . Ogliore, Ch . E . Jil-ly // Planetary Science . 2013 . Vol . 2 . P. 3 (1-10) .
2 . Krzesinska, A . High resolution X-Ray tomography as a tool for analysis of internal textures in metorites / A. Krzesinska // Meteorites . 2011 . Vol . 1, № 1 . P. 3-12 .
3 . Lin, S . T. Magnetic Properties of Hematite Single Crystals . I . Magnetization Isotherms, Antiferro-magnetic Susceptibility, and Weak Ferromagnetism of a Natural Crystal / S . T. Lin // Phys . Rev. 1959. Vol . 116 . P. 1447-1452 .
4 . Belley, F. The magnetic properties of natural and synthetic (Fe^, Mg1-j)2 SiO4 olivines / F. Belleya, E . C . Ferré, F. Martín-Hernández [et al .] // Earth and Planetary Science Letters . 2009. Vol . 284. P. 516526 .
5 . Xin-Lin, J. I . Magnetic properties of iron-nickel alloys in meteorites: A case study of the Jilin chon-drite / J. I . Xin-Lin, P. A . N. Yong-Xin // Chinese J. Geophys (in Chinese) . 2012 . Vol . 6 . P. 1973-1979.
6 . Amri, C . El . The micro-distribution of carbonaceous matter in the Murchison meteorite as investigated by Raman imaging / Ch . El Amri, M .-Ch . Mau-rel, G. Sagon, M . -H . Baron // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 2005 Vol 61 P 2049-2056
7. Ostrooumov, M . Mineralogical composition of the meteorite El Pozo (Mexico): A Raman, infrared and XRD study / M . Ostrooumov, M . del Sol Hernán-dez-Bernal // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2011 . Vol 83 . P. 437-443.
8 . Unsalan, O. Micro-Raman, FTIR, SEM-EDX and structural analysis of the ^anakkale meteorite / O . Unsalan, A . Yilmaz, O. Bolukbasi [et al .] // Spec-trochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2012 . Vol . 92 . P. 250-255.
