«Все указывает на то, что космическая пыль падает непрерывно, и возможно, эта непрерывность падения существует в каждой точке биосферы, распределена равномерно на всю планету. Удивительно, что это явление, можно сказать, совсем не изучено и целиком исчезает из научного учета» (Вернадский, 1941) Космическая пыль: состояние проблемы и задачи исследований А.Ф.Грачев, ИФЗ РАН Основные задачи и программа работ по изучению космической пыли были впервые сформулированы в ноябре 1963 г. на конференции, организованной Нью-Йоркской Академии Наук. Главные вопросы: 1.Космическая пыль, ее происхождение, распределение в пространстве, 2.Ископаемая космическая пыль, 3.Химический состав космической пыли и методы исследований Что было известно 50 лет назад? 1. Впервые были изучены сферулы различной морфологии и состава из галитов фанерзоя (T.Mutch). Были выделены 4 типа сферул: обогащенные сульфидами, Fe сферулы, магнетитовые и сферулы сложного состава (Fe, Ca, Si, Al). Скорость накопления сферул 1.4 X 108 to 1 X 109 т/год. Природа сферул не выяснена. 2. Металлические и стекловатые (SiO2) частицы обнаружены во льдах Антарктиды (R.Schnidt и др.) . Оценка скорости накопления 10(5) т/год. 3. Впервые было проведено изучение изотопии гелия из глубоководных отложений Тихого океана и доказано присутствие в них космогенной компоненты ( M.Merrihue). 4. Впервые было проведено изучение состава пыли на высотах от 75 до 95 км (Skrivanek and Soberman). Критерии космогенной природы вещества не были разработаны (аномальные содержания Ir в земной коре были обнаружены только в 1980 г.) В 1969 г. В Ливиийской пустыни на территории около 6500 км2 были обнаружены частицы чистого стекла (96.59–99.26 % SiO2) с возрастом 29.4 ± 0.5 Mлн. лет (Storzer and Wagner, 1977) и 28.5 ± 0.8 Mлн. лет (Bigazzi and De Michele, 1996). По содержанию элементов группы платины и изотопии осмия они имеют космогенную природу (Koeberl, 2000). Изучение космичеcкой пыли, собранной с помощью ловушек на различном удалении от Земли, начиная с первых полетов U-2 и кончая современными системами зондирования, показало, что она имеет разные источники: кометы, астероиды, метеориты различных типов. Задача заключается не только в установлении космогенной природы вещества в геологическом разрезе, но и в выявлении его источника. Некоторые оценки скорости аккреции космической пыли на поверхности Земли (Karner et al., 2003) Метод и объект исследования Ir, лед Гренландии Ir, лед Антарктиды Ir, лед Антарктиды 3He, лед Гренландии Измерения in situ с помощью спутников Ir и Os в осадках Тихого океана Ir в пелагических глинах Os в глинах Тихого океана 3He, глины Тихого океана 3He, глины Атлантики 3He, глины Индийского океана Временной интервал, в годах 5000 8 6000 30 Современная эпоха 0-100 000 Скорость аккреции (109г/год) 0.12 400 5000-30000 0.17 40±20 33-67 млн. 30-270 тыс. 0-40 млн. 250-450 тыс. 0-200 тыс. 78 49-56 0.4±0.2 0.29 0.3±0.1 50±25 Межпланетная космическая пыль (далее IDP) образует характерные кластеры, состоящие из цепочек зерен различных минералов, образующих агломераты стекла с включениями металлов и сульфидов - так называемые GEMS (glass with embedded metal and sulfides) [Bradley, 1994; Dai, Bradley, 2001]. Размер большинства части IDP лежит в пределах от 5 до 30 мкм, а плотность меняется от 1 до 3 г/см3, составляя в среднем около 2 г/см3 (Love et al., 1993). В составе IDP (астероидной и кометной) преобладает хондритовый материал (60%), далее идут сульфиды железа и никеля (30%) и меньшую часть составляют силикаты (преимущественно оливин и пироксен) [Jessberger et al., 1992]. Наиболее важным открытием последних лет является обнаружение среди частиц IDP минералов досолнечного происхождения [Messenger et al., 2003; Stadermann et al., 2006]. Минералы межпланетной пыли: Наноалмаз, Муассонит, Графит, Корунд, Шпинель, Хибонит (Ca,Ce)Al12O19) , Силикаты (оливин,пироксены, филлосиликаты), Сульфиды Циркон Плагиоклаз Перовскит Fe-Ti оксиды Нитрид кремния (Si3N4) В результате реализации проекта Stardust было собрано более 10000 частиц IDPs в окрестностях кометы Вилд 2 [Brownlee et al., 2006] 0.35 0.29 1.6 0.12 0.22 3.2 2 2 mm Частица IDP размером 8 µm, состоящая из пирротина, энстатита и тонкозернистого пористого материала с хондритовым содержанием элеметов [Brownlee et al., 2006] Структура GEMS на фоне мелкозернистой массы космической пыли. Стрелками показаны нанокристаллы сульфидов железа на поверхности и внутри GEMS (Dai, Bradley, 2001). 5 типов космической пыли с досолнечной изотопной меткой (Е. Zinner, 2004) D. Whittet. Dust in the Galactic Environment, 2003 Сага об алмазах Алмазы в железных метеоритах δС13 = -5-6 ‰, Алмазы импактные (Аризонский кратер и Попигай) δС13= -5-7 и -8-20 ‰, Алмазы из K-Pg разреза δ C13 = -11-19 ‰ Алмазы импактные (129000 лет, С.Ам) Гелий в алмазах Муассонит (SiC) из разреза Гамс, К/Т граница, 65 млн. лет Ferdinand Frederick Henri Moissan Начиная с конца ХIХ в., до выявления аномалий Ir в земной коре, наиболее распространенным типом космических частиц в осадочных породах считались Fe и Fe-Ni сферулы. Отношение Fe/Ni (Fe/Ni = 19) некоторые исследователи считают показателем отличия сферул земного и космического происхождения (Rietmeijer, 1999). Химический состав сферул (%) из осадочных пород разных районов (Грачев, 2010) Содержание редких элементов в 3-х типах сферул из глубоководных осадков Тихого окена [Canapathy, 1982] Содержание Ir (ppb) в глубоководных осадках Тихого океана как доказательство импакта 34.4 млн.лет [Canapathy, 1982] Исследования содержания Ir на Земле привело к новому критерию – высокие концентрации Ir (> 1 ppb) стали рассматриваться как признак импактного события (L.Alvares et al., 1980). Позднее высокие концентрации Ir были обнаружены в частицах стекла во льдах Антарктиды (Ir до 7.5 ppb) (Koeberl, 1989). Наиболее важный результат был получен при изучении стекловатых сферул в песчаниках палеоцена в Гренландии, в которых содержание Ir достигает 5 ppb, кроме того в них же найдена Ni шпинель (Robin, 1996). Образование Ni Sp обычно связывается с абляцией метеоритов. В сферулах магнетита отношение Fe/Ni =11.5. Зап.Гренландия, песчаники палеоцена (Robin et al.,1996). Вверху - сферула магнетита, Внизу – скелетные кристаллы Ni шпинели. Отношения Ni/Cu, Ir/Ni, Ir/Co – нехондритовые! Распределение РЗЭ в сферуле магнетита из пограничного слоя на К/Т границе (65 млн. лет т.н.) в разрезе Петриччио (Италия) [Montanari et al., 1983] Металлические сферулы в стеклах метеоритного кратера Босумтви (Гана) [A. El Coresy, 1966]. Состав (%): Fe 95.4, Ni 5.2, Co 0.6. Fe/Ni=18.4 Магнитные сферулы из вулканитов Курильских островов [Сандомирова и др., 2003] Сферула, состоящая из ядра (Fe самородное) и оболочки из магнетита Сферула пирита и закрученная частица самородного Al из пеплов Карымского вулкана [Карпов и др., 2004] Критерии космического происхождения вещества в ископаемом состоянии: 1. Распределение редкоземельных элементов в породе и мономинеральных фракциях 1. Содержание элементов группы платины в породе и минералах 3. Изотопия благородных газов (He, Ne, Ar) для породы и мономинеральных фракций. 4. Изотопия Os, Sm-Nd, Mg, Cr, Fe, Al, О, С для мономинеральных фракций. Эти данные особенно важны для сопоставления ископаемой космической пыли с межпланетной. Распределение РЗЭ и других элементов, нормированное к хондриту, в космической пыли (Антарктида) [Kurat et al.,1994] Отсутствие фракционирования ЛРЗЭ! Распределение Os, Ir и других элементов в космической пыли (Антарктида) [Kurat et al.,1994] Для глубоководных осадков изотопные отношения гелия (3Не/4He) ~10(–5). Это результат смешения солнечного гелия (3Не/4He ~ 3.7×10 (–4), поставляемого космической пылью, и терригенного (с 3Не/4He ~ 10(–7)-10(–8). Gams Изотопия Ne частиц IDP из коллекции Лаборатории по изучению космической пыли (NASA Johnson Space Center) [Kehm et al., 2006] Разрез Massiggnano (Италия). Максимум в содержании 3Не и Ir по времени совпадает с образованием 100 км Попигайской астроблемы и 90 км кратера Чесапик-Бей (35.6 млн. лет) [Farley et al., 1998]. Тихий океан, разрез глубоководных отложений [Kyte, Wasson, 1986] Определение признаков космогенной природы вещества остается самой важной задачей будущих исследований 1.Ни высокое содержание Ni, ни высокое содержание Ir, ни высокие отношения 3Не/4Не, отдельно взятые, не позволяют различать импактные, космогенные и вулканогенные частицы. 2. Единственный путь, исходя из опыта изучения межпланетной пыли, состоит в изучении геохимии редких и редкоземельных элементов и изотопии мономинеральных фракций. В этом случае представляется возможным выявлять присутствие межпланетной пыли в ископаемом состоянии. Наше современное знание о составе космического вещества в ископаемом состоянии ( геологическом разрезе) крайне ограничено. За исключением находок микрометеоритов в известняках нижнего ордовика (480 млн. лет т.н.) [Schmitz et al., 1997] достоверных изотопно-геохимических доказательств существования древнего космического вещества нет, хотя оно несомненно существует в геологическом разрезе. Полное отсутствие данных по геохимии и изотопии мономинеральных фракций космического вещества в ископаемом состоянии делает невозможным проведение сравнительного анализа межпланетной и ископаемой пыли на Земле. Воспроизводимость результатов - главное условие Уроки истории изучения космических событий на границе Р/Т (251 млн. лет т.н.) Bowring, Erwin, 1998 В слое 25 разреза Мейшань Л. Бекккер [Becker et al., 2001] в 2 образцах обнаружила фуллерены с хондритовым отношением 3Не/4Не (концентрация 3He 0.052х10(-12) куб.см/г. Повторное изучение того же слоя в разрезах Мейшань (15 образцов) и Шангси (6 образцов) показало, что концентрация Не составляет 0.005 х10(-12) куб.см/г, т.е. в 100 раз ниже [Farley, Mukhopadhyay, 2001]. Fe-Ni-Si частицы из пограничного слоя на Р/Т границе [Basu et al., 2003]. A – разрез Мейшань, Китай; В – разрез Графит Пик, Антарктида (николи Х). А - 70% зерен содержат Fe (98100%),в остальных зернах обнаружен Ni (до 0.2%), Cr ( до 0.6%) и Si до (до 0.39%). В – частицы Fe,Ni,P,Si; сульфиды Fe, Ni. Kaiho et al., 2001 End-Permian catastrophe by a bolide impact : Содержание As, Cu, Ni и других элементов на границе Р/Т в Словении [Dolenec et al., 2001]. Аномальных содержаний Ir в разрезе на границе Р/Т нигде не было обнаружено. Роль вулканизма, связанного с мантийным плюмом 251 млн. лет т.н., в объяснении геохимических особенностей осадков на Р/Т границе. Изучение космической пыли в ископаемом состоянии требует организации междисциплинарных исследований на международном уровне. Необходимым условием работы является воспроизводимость результатов, что подразумевает контрольные исследования образцов в разных лабораториях. Главная первоочередная задача – организация межведомственной лаборатории, в которой будет производиться пробоподготовка образцов для аналитических исследований по единой методике и их изучение. Главные проблемы, над которой должна работать будущая лаборатория, заключаются в исследовании: 1. вариаций состава и скорости накопления космической пыли в истории Земли, начиная с древнейших пород с возрастом 3.9 млрд.лет, 2. влияния космической пыли на развитие биосферы, 3. выявлении следов межпланетной пыли на Земле.