Tijekom 2003.-2008. Skupina ruskih i austrijskih znanstvenika uz sudjelovanje Heinza Kohlmanna, poznatog paleontologa i kustosa Nacionalnog parka Eisenwurzen, proučavala je katastrofu koja se dogodila prije 65 milijuna godina, kada je izumrlo više od 75% svih organizama na Zemlji, uključujući dinosaure. Većina istraživača vjeruje da je izumiranje povezano s udarom asteroida, iako postoje i druga gledišta
Tragove ove katastrofe u geološkim presjecima predstavlja tanki sloj crne gline debljine od 1 do 5 cm. Jedan od takvih odjeljaka nalazi se u Austriji, u Istočnim Alpama, u Nacionalnom parku u blizini gradića Gams, smještenog 200 km jugozapadno od Beča. Kao rezultat proučavanja uzoraka iz ovog odjeljka pomoću skenirajućeg elektronskog mikroskopa, pronađene su čestice neobičnog oblika i sastava koje se ne stvaraju u uvjetima tla i pripadaju kozmičkoj prašini.
Zvjezdana prašina na Zemlji
Po prvi puta je engleska ekspedicija koja je istraživala dno Svjetskog oceana na brodu Challenger (1872.-1876.) Otkrila tragove svemirske materije na Zemlji u crvenim dubokomorskim glinama. Opisali su ih Murray i Renard 1891. godine. Na dvije stanice u južnom Tihom oceanu, kada se bageriralo s dubine od 4300 m, pronađeni su uzorci feromanganovih kvržica i magnetskih mikrosfera promjera do 100 µm, kasnije nazvanih "svemirske kugle". Međutim, detalji željeznih mikrosfera koje je podigla ekspedicija Challenger istraženi su tek posljednjih godina. Pokazalo se da su kuglice 90% metalnog željeza, 10% nikla, a površina im je prekrivena tankom korom željezovog oksida.
Lik: 1. Monolit iz odjeljka Gams 1, pripremljen za uzorkovanje. Slojevi različite dobi označeni su latiničnim slovima. Prijelazni sloj gline između razdoblja Krede i paleogena (starosti oko 65 milijuna godina), u kojem je pronađena nakupina metalnih mikrosfera i ploča, označen je slovom "J". Foto A. F. Gračeva
Otkriće tajanstvenih kuglica u dubokomorskim glinama, zapravo je povezano s početkom proučavanja kozmičke materije na Zemlji. Međutim, eksplozija interesa među istraživačima za ovaj problem dogodila se nakon prvih lansiranja svemirskih letjelica, uz pomoć kojih je postalo moguće odabrati mjesečevo tlo i uzorke čestica prašine iz različitih dijelova Sunčevog sustava. Radovi K. P. Florensky (1963), koji je proučavao tragove Tunguske katastrofe, i E. L. Krinov (1971), koji je proučavao meteorsku prašinu na mjestu pada meteorita Sikhote-Alin.
Promotivni video:
Interes istraživača za metalne mikrosfere doveo je do činjenice da su se oni počeli nalaziti u sedimentnim stijenama različite starosti i podrijetla. Metalne mikrosfere nalaze se u ledu Antarktika i Grenlanda, u dubokim oceanskim sedimentima i čvorovima mangana, u pijesku pustinja i obalnih plaža. Često se nalaze u kraterima meteorita i oko njih.
U posljednjem desetljeću pronađene su metalne mikrosfere izvanzemaljskog podrijetla u sedimentnim stijenama različite dobi: od donjeg kambrija (prije oko 500 milijuna godina) do modernih formacija.
Podaci o mikrosferama i drugim česticama drevnih sedimenata omogućuju prosudbu volumena, kao i jednolikosti ili neravnomjernosti dotoka kozmičke materije na Zemlju, promjene u sastavu čestica koje na Zemlju stižu iz svemira i primarnih izvora ove tvari. To je važno jer ti procesi utječu na razvoj života na Zemlji. Mnoga od ovih pitanja još su uvijek daleko od rješenja, ali nakupljanje podataka i njihova sveobuhvatna studija nedvojbeno će omogućiti odgovor na njih.
Sada je poznato da ukupna masa prašine koja kruži unutar Zemljine orbite iznosi oko 1015 tona. Na površinu Zemlje godišnje padne od 4 do 10 tisuća tona kozmičke tvari. 95% materije koja pada na Zemljinu površinu čine čestice veličine 50–400 mikrona. Pitanje kako se brzina dotoka kozmičke materije na Zemlju mijenja tijekom vremena ostaje kontroverzno do sada, unatoč mnogim studijama provedenim u posljednjih 10 godina.
Na temelju veličine kozmičkih čestica prašine, trenutno se emitira stvarna međuplanetarna kozmička prašina veličine manje od 30 mikrona i mikrometeorita većih od 50 mikrona. Još ranije E. L. Krinov je predložio da se najmanji fragmenti meteorskog tijela otopljeni s površine nazivaju mikrometeoritima.
Strogi kriteriji za razlikovanje svemirskih čestica prašine i meteorita još uvijek nisu razvijeni, pa čak i na primjeru odsjeka Gams koji smo proučavali, pokazalo se da su metalne čestice i mikrosfere različitijeg oblika i sastava nego što to predviđaju postojeće klasifikacije. Gotovo savršen kuglasti oblik, metalni sjaj i magnetska svojstva čestica smatrani su dokazom njihovog kozmičkog podrijetla. Prema geokemiku E. V. Sobotovich, "jedini morfološki kriterij za procjenu kozmogenosti ispitivanog materijala je prisutnost sraslih kuglica, uključujući magnetske." Međutim, uz oblik koji je iznimno raznolik, kemijski sastav tvari u osnovi je važan. Istraživači su to otkrilida zajedno s mikrosferama kozmičkog podrijetla postoji i ogroman broj kuglica različite geneze - povezane s vulkanskom aktivnošću, vitalnom aktivnošću bakterija ili metamorfizmom. Poznato je da gvozdene mikrosfere vulkanskog podrijetla imaju mnogo manje vjerojatnosti da će imati idealan kuglasti oblik i štoviše imaju povećanu primjesu titana (Ti) (više od 10%).
Rusko-austrijska skupina geologa i filmska ekipa s bečke TV u odjelu Gams u istočnim Alpama. U prvom planu - A. F. Grachev
Podrijetlo kozmičke prašine
O podrijetlu kozmičke prašine još se raspravlja. Profesor E. V. Sobotovich je vjerovao da bi kozmička prašina mogla biti ostaci izvornog protoplanetarnog oblaka, koji je B. Yu. Levin i A. N. Simonenko, vjerujući da fina tvar ne može dugo postojati (Zemlja i svemir, 1980, br. 6).
Postoji još jedno objašnjenje: stvaranje kozmičke prašine povezano je s uništavanjem asteroida i kometa. Kako je rekao E. V. Sobotoviču, ako se količina kozmičke prašine koja ulazi na Zemlju ne mijenja s vremenom, tada B. Yu. Levin i A. N. Symonenko.
Unatoč velikom broju studija, odgovor na ovo temeljno pitanje trenutno se ne može dati, jer je kvantitativnih procjena vrlo malo, a njihova je točnost kontroverzna. Nedavno podaci iz izotopskih studija u okviru NASA-inog programa kozmičkih čestica prašine uzorkovanih u stratosferi ukazuju na postojanje čestica pred-solarnog porijekla. U sastavu ove prašine pronađeni su minerali poput dijamanta, moissanita (silicijev karbid) i korunda, koji na temelju izotopa ugljika i dušika omogućuju njihovo nastajanje pripisati vremenu prije nastanka Sunčevog sustava.
Važnost proučavanja kozmičke prašine u geološkom presjeku je očita. Ovaj članak predstavlja prve rezultate istraživanja svemirske tvari u prijelaznom sloju gline na granici Krede i Paleogena (prije 65 milijuna godina) iz odjeljka Gams, u Istočnim Alpama (Austrija).
Opće karakteristike odjeljka Gams
Čestice kozmičkog podrijetla dobivene su iz nekoliko dijelova prijelaznih slojeva između Krede i Paleogena (u germanskoj literaturi - granica K / T), smještenog u blizini alpskog sela Gams, gdje istoimena rijeka na nekoliko mjesta otvara tu granicu.
U odjeljku Gams 1 izrezan je monolit iz izbočine, u kojem je granica K / T vrlo dobro izražena. Njegova visina je 46 cm, širina - 30 cm u donjem dijelu i 22 cm - u gornjem dijelu, debljina - 4 cm. Za opću studiju odjeljka, monolit je nakon 2 cm (od dna prema gore) podijeljen u slojeve označene slovima latinične abecede (A, B, C … W), a unutar svakog sloja, također nakon 2 cm, vrši se označavanje brojevima (1, 2, 3 itd.). Detaljnije je proučen prijelazni sloj J na sučelju K / T, gdje je izdvojeno šest podslojeva debljine oko 3 mm.
Rezultati istraživanja dobiveni u odjeljku Gams 1 uglavnom su se ponovili prilikom proučavanja drugog odjeljka - Gams 2. Kompleks studija obuhvaćao je proučavanje tankih presjeka i monomineralnih frakcija, njihovu kemijsku analizu, kao i rentgensku fluorescenciju, neutronsku aktivaciju i rentgenske strukturne analize, izotopske analiza helija, ugljika i kisika, određivanje sastava minerala na mikrosondi, magnetomineraloška analiza.
Raznolikost mikročestica
Mikrosfere željeza i nikla iz prijelaznog sloja između Krede i Paleogena u odjeljku Gams: 1 - Fe mikrosfera s grubom mrežasto-gomoljastom površinom (gornji dio prijelaznog sloja J); 2 - Fe mikrosfera s grubom uzdužno paralelnom površinom (donji dio prijelaznog sloja J); 3 - Fe mikrosfera s kristalografskim fasetirajućim elementima i grubom mrežatom nalik površinskoj teksturi (sloj M); 4 - Fe mikrosfera s tankom mrežnom površinom (gornji dio prijelaznog sloja J); 5 - Ni mikrosfera Ni s kristalitima na površini (gornji dio prijelaznog sloja J); 6 - agregat sinterovanih Ni mikrosfera s kristalitima na površini (gornji dio prijelaznog sloja J); 7 - agregat Ni mikrosfera s mikrodijamantima (C; gornji dio prijelaznog sloja J); 8,9 - karakteristični oblici metalnih čestica iz prijelaznog sloja između Krede i Paleogena u dijelu Gams u Istočnim Alpama.
U prijelaznom sloju gline između dviju geoloških granica - Krede i Paleogena, kao i na dvije razine u gornjim sedimentima paleocena u odjeljku Gams, pronađene su mnoge metalne čestice i mikrosfere kozmičkog podrijetla. Mnogo su raznolikiji u obliku, teksturi površine i kemijskom sastavu od svih dosad poznatih u prijelaznim slojevima gline ovog doba u drugim regijama svijeta.
U odjeljku Gams svemirska tvar predstavljena je fino raspršenim česticama različitih oblika, među kojima su najčešće magnetske mikrosfere veličine od 0,7 do 100 μm, koje se sastoje od 98% čistog željeza. Takve čestice u obliku kuglica ili mikrosferala nalaze se u velikom broju ne samo u sloju J, već i iznad, u glinama paleocena (slojevi K i M).
Mikrosfere se sastoje od čistog željeza ili magnetita, od kojih neki sadrže krom (Cr), leguru željeza i nikla (avaruit) i čisti nikal (Ni). Neke čestice Fe-Ni sadrže nečistoće molibdena (Mo). U prijelaznom sloju gline između Krede i Paleogena, svi su prvi put otkriveni.
Nikada prije nismo naišli na čestice s visokim udjelom nikla i značajnom primjesom molibdena, mikrosfera s prisutnošću kroma i komadića spiralnog željeza. Pored metalnih mikrosfera i čestica, u prijelaznom sloju gline u Gamsu pronađeni su Ni-spinel, mikrodijamanti s mikrokuglicama čistog Ni, kao i rastrgane ploče Au, Cu koje nema u temeljnim i prekrivajućim naslagama.
Karakteristike mikročestica
Metalne mikrosfere u odjeljku Gams prisutne su na tri stratigrafske razine: gvozdene čestice različitih oblika koncentrirane su u prijelaznom sloju gline, u prekrivajućim sitnozrnim pješčenjacima sloja K, a treću razinu čine muljeviti slojevi M.
Neke sfere imaju glatku površinu, druge imaju rešetkasto kvrgastu površinu, dok su druge prekrivene mrežom malih poligonala ili sustavom paralelnih pukotina koje se protežu od jedne glavne pukotine. Oni su šuplji, nalik ljusci, ispunjeni mineralima gline, a mogu imati i unutarnju koncentričnu strukturu. Čestice i mikrosfere Fe nalaze se u cijelom prijelaznom sloju gline, ali uglavnom su koncentrirane u donjem i srednjem horizontu.
Mikrometeoriti su srasle čestice čistog željeza ili Fe-Ni legure željeza i nikla (avaruit); njihove su veličine od 5 do 20 mikrona. Brojne avaruitne čestice ograničene su na gornju razinu prijelaznog sloja J, dok su čiste željezne čestice prisutne u donjem i gornjem dijelu prijelaznog sloja.
Čestice u obliku ploča s poprečno gomoljastom površinom sastoje se samo od željeza, čija je širina 10–20 µm, a duljina do 150 µm. Lagano su lučne i susreću se u osnovi prijelaznog sloja. U njegovom donjem dijelu nalaze se i Fe-Ni ploče s Mo nečistoćama.
Ploče od legure željeza i nikla imaju izduženi oblik, blago zakrivljene, s uzdužnim žljebovima na površini, dimenzije variraju u duljini od 70 do 150 mikrona i širine oko 20 mikrona. Češće su u donjem i srednjem dijelu prijelaznog sloja.
Ferruginijske ploče s uzdužnim žljebovima su oblika i veličine identične pločama od legure Ni-Fe. Oni su ograničeni na donji i srednji dio prijelaznog sloja.
Čestice čistog željeza, koje imaju oblik pravilne spirale i savijene su u obliku kuke, posebno su zanimljive. Uglavnom se sastoje od čistog Fe, rijetko legure Fe-Ni-Mo. Kolutirane željezne čestice nalaze se u gornjem dijelu sloja J i u prekrivajućem međusloju pješčenjaka (K sloj). U osnovi prijelaznog sloja J pronađena je spiralna čestica Fe-Ni-Mo.
U gornjem dijelu prijelaznog sloja J bilo je nekoliko zrna mikrodijamanata sinteriranih Ni mikrosferama. Mikrosonda ispitivanja niklovih kuglica, provedena na dva instrumenta (s valnim i energetski disperzivnim spektrometrima), pokazala su da se te kuglice sastoje od gotovo čistog nikla pod tankim filmom niklovog oksida. Površina svih kuglica nikla prošarana je prozirnim kristalitima s izraženim blizancima veličine 1-2 um. Tako čistog nikla u obliku kuglica s dobro kristaliziranom površinom nema ni u magmatskim stijenama ni u meteoritima, gdje nikal nužno sadrži značajnu količinu nečistoća.
Prilikom proučavanja monolita iz presjeka Gams 1 pronađene su kuglice čistog Ni samo u najgornjem dijelu prijelaznog sloja J (u njegovom gornjem dijelu - vrlo tanak sedimentni sloj J 6, čija debljina ne prelazi 200 μm), a prema podacima toplinske magnetske analize, metalni nikal je prisutan u prijelazni sloj, počevši od podsloja J4. Ovdje su, uz Ni kuglice, pronađeni i dijamanti. U sloju uklonjenom iz kocke površine 1 cm2, pronađeno je dijamantnih zrnaca u desecima (veličine od frakcija mikrona do desetaka mikrona), a kuglice nikla iste veličine - na stotine.
U uzorcima iz gornjeg dijela prijelaznog sloja izravno iz izbojaka pronađeni su dijamanti s malim česticama nikla na površini zrna. Značajno je da je tijekom proučavanja uzoraka iz ovog dijela sloja J otkrivena i prisutnost minerala moissanite. Ranije su mikrodijamanti pronađeni u prijelaznom sloju na granici Krede i Paleogena u Meksiku.
Nalazi u drugim područjima
Mikrosfere Gamsa s koncentričnom unutarnjom strukturom slične su onima koje je minirala ekspedicija Challenger u dubokomorskim glinama Tihog oceana.
Čestice željeza nepravilnog oblika s otopljenim rubovima, kao i u obliku spirala i zakrivljenih kuka i ploča vrlo su slične produktima uništavanja meteorita koji padaju na Zemlju, mogu se smatrati meteorskim željezom. Čestice avaruita i čistog nikla mogu se svrstati u istu kategoriju.
Zakrivljene čestice željeza bliske su raznim oblicima Peleovih suza - kapljicama lave (lapilli), koje vulkani izbacuju iz otvora tijekom erupcija u tekućem stanju.
Dakle, prijelazni sloj gline u Gamsu ima heterogenu strukturu i jasno je podijeljen na dva dijela. U donjem i srednjem dijelu prevladavaju čestice željeza i mikrosfere, dok je gornji dio sloja obogaćen niklom: čestice avaruita i mikrosfere nikla dijamantima. To potvrđuju ne samo raspodjela čestica željeza i nikla u glini, već i podaci kemijskih i termomagnetskih analiza.
Usporedba podataka termomagnetske analize i analize mikrosonda ukazuje na iznimnu heterogenost u raspodjeli nikla, željeza i njihove legure unutar sloja J; međutim, prema rezultatima termomagnetske analize, čisti nikal bilježi se samo iz sloja J4. Vrijedna je pažnje činjenica da se spiralno željezo javlja uglavnom u gornjem dijelu J sloja i nastavlja se javljati u K sloju koji ga prekriva, gdje je, međutim, malo izometrijskih ili lamelarnih čestica Fe, Fe-Ni.
Naglašavamo da je tako jasna diferencijacija željeza, nikla i iridija, koja se očituje u prijelaznom sloju gline u Gamsu, prisutna i u drugim regijama. Primjerice, u američkoj saveznoj državi New Jersey, u prijelaznom (6 cm) sfernom sloju, anomalija iridija oštro se očitovala u svojoj osnovi, a udarni minerali koncentrirani su samo u gornjem (1 cm) dijelu ovog sloja. Na Haitiju, na granici Krede i Paleogena i u najvišem dijelu sloja sfere, naglo se obogaćuju Ni i udarni kvarc.
Pozadinski fenomen za Zemlju
Mnoge značajke pronađenih Fe i Fe-Ni sfera slične su kuglicama koje je ekspedicija Challenger otkrila u dubokomorskim glinama Tihog oceana, na području Tunguske katastrofe i mjestima pada Meteorita Sikhote-Alin i Nio u Japanu, kao i u sedimentnim stijenama različitih uzrasta iz mnogih područja svijeta. Uz regije Tunguske katastrofe i pada meteorita Sikhote-Alin, u svim ostalim slučajevima, stvaranje ne samo kugla, već i čestica različite morfologije, koje se sastoje od čistog željeza (ponekad s udjelom kroma) i legure nikla s željezom, nema veze s događajem udara. Pojavu takvih čestica smatramo posljedicom kozmičke međuplanetarne prašine koja pada na Zemljinu površinu - proces koji se kontinuirano odvija od nastanka Zemlje i svojevrsna je pozadinska pojava.
Mnoge čestice proučavane u odjeljku Gams po svom su sastavu bliske bruto kemijskom sastavu materije meteorita na mjestu pada meteorita Sikhote-Alin (prema E. L. Krinovu, to je 93,29% željeza, 5,94% nikla, 0,38% kobalta).
Prisutnost molibdena u nekim česticama nije neočekivano jer uključuje mnoge vrste meteorita. Sadržaj molibdena u meteoritima (željezo, kamen i ugljični hondriti) kreće se od 6 do 7 g / t. Najvažniji je bio nalaz molibdenita u meteoritu Allende u obliku inkluzije u leguri metala sljedećeg sastava (tež.%): Fe - 31,1, Ni - 64,5, Co - 2,0, Cr - 0,3, V - 0,5, P - 0,1. Treba napomenuti da su nativni molibden i molibdenit pronađeni i u mjesečevoj prašini koju su uzorkovale automatske stanice Luna-16, Luna-20 i Luna-24.
Prve otkrivene kuglice čistog nikla s dobro kristaliziranom površinom nisu poznate ni u magmatskim stijenama ni u meteoritima, gdje nikal nužno sadrži značajnu količinu nečistoća. Takva struktura površine kuglica nikla mogla bi nastati u slučaju pada asteroida (meteorita), što je dovelo do oslobađanja energije, što je omogućilo ne samo topljenje materijala tijela koje pada, već i njegovo isparavanje. Pare metala eksplozijom su se mogle podići do velike visine (vjerojatno desetaka kilometara), gdje se dogodila kristalizacija.
Čestice sastavljene od avaruita (Ni3Fe) nalaze se zajedno s metalnim kuglicama nikla. Pripadaju meteorskoj prašini, a stopljene čestice željeza (mikrometeoriti) treba smatrati "meteoritskom prašinom" (u terminologiji EL Krinov). Kristali dijamanta koji su se susreli zajedno s kuglicama nikla vjerojatno su nastali kao rezultat ablacije (topljenja i isparavanja) meteorita iz istog oblaka pare tijekom njegovog naknadnog hlađenja. Poznato je da se sintetički dijamanti dobivaju spontanom kristalizacijom iz otopine ugljika u metalnoj talini (Ni, Fe) iznad ravnotežne crte grafitno-dijamantske faze u obliku monokristala, njihovih međusobnih izrastanja, blizanaca, polikristalnih agregata, kristala okvira, kristala u obliku igle, nepravilnih zrna. Gotovo sve nabrojane tipomorfne značajke kristala dijamanta pronađene su u ispitivanom uzorku.
To nam omogućuje zaključiti da su procesi kristalizacije dijamanta u oblaku pare nikal-ugljik tijekom njenog hlađenja i spontane kristalizacije iz otopine ugljika u talini nikla u pokusima slični. Međutim, konačni zaključak o prirodi dijamanta može se donijeti nakon detaljnih izotopskih studija, za koja je potrebno dobiti dovoljno veliku količinu tvari.
Dakle, proučavanje kozmičke tvari u prijelaznom glinovitom sloju na granici Krede i Paleogena pokazalo je njezinu prisutnost u svim dijelovima (od sloja J1 do sloja J6), ali znakovi događaja udara bilježe se samo iz sloja J4, starog 65 milijuna godina. Ovaj se sloj kozmičke prašine može usporediti sa smrću dinosaura.
