Kryształy w meteorytach *

Transkrypt

1 Rozdział 11 Kryształy w meteorytach * MARIAN SZRGOT 11. Kryształy w meteorytach Crystals in meteorites Crystals forming various types of meteorites have been presented. Meteorites from Polish collections, and meteorites from falls and finds in Poland have been used as examples of extraterrestrial materials. Meteoryty to fragmenty skał spadłe na Ziemię z przestrzeni międzyplanetarnej. Sa pozostałościa po utworzeniu kładu Słonecznego, a niektóre z nich stanowia materię pierwotna, zktórej uformował się nasz układ planetarny. Meteoryty sa ważnym źródłem informacji o materii pozaziemskiej, a ich fizyczne i chemiczne właściwości, zwłaszcza zawartość oraz rozkład pierwiastków i minerałów, struktura wewnętrzna minerałów, ich mikrostruktura i tekstura pozwalaja odczytać historię narodzin i ewolucji materii w kosmosie. Badania materii pochodzenia pozaziemskiego prowadza do poznania nowych faz krystalicznych nieznanych na Ziemi, procesów minerało- i skałotwórczych, wejrzenia w historię tworzenia i ewolucji planet i planetoid oraz do poznania właściwości materii tworza cej szechświat [1 5, 9, 12 15, 16 19, 20, 23, 26 29]. Meteoryty spadały na Ziemię od pocza tku jej istnienia i w wielu przypadkach silnie ja przeobrażały. Towarzyszyły one gatunkowi ludzkiemu od zawsze. Poznawaliśmy, ceniliśmy i wykorzystywaliśmy meteoryty jako narzędzia, broń, ozdoby oraz przedmioty kultu. Tajemnice i piękno materii pozaziemskiej również i dzisiaj wzbudzaja dreszcz * Serdeczne podziękowania składam: prof. dr. hab. inż. Andrzejowi Maneckiemu, prof. dr. hab. ukaszowi Karwowskiemu, panu Andrzejowi Pilskiemu, dr Jadwidze Białej, mgr Elżbiecie Plucińskiej, panu Kazimierzowi Mazurkowi, dr. Krzysztofowi Polańskiemu, panu łodzimierzowi ypychowi oraz panom Marcinowi Cimale i Tomaszowi Jakubowskiemu.

2 210 Kryształy w przyrodzie i technice MARIAN SZRGOT emocji i olbrzymie zainteresowanie. Celem niniejszej pracy jest prezentacja materii pozaziemskiej i jej składników krystalicznych, które moga być identyfikowane na podstawie cech makroskopowych, charakterystyk mikroskopowych oraz składu chemicznego. Meteoryty sa pozostałościa po utworzeniu kładu Słonecznego, a niektóre z nich, te najmniej przeobrażone, np. chondryty węgliste, stanowia materię pierwotna, zktórej uformował się nasz układ planetarny. Meteoryty to najczęściej fragmenty istnieja cych planetoid, zgrupowanych w pasie między Marsem i Jowiszem, lub planetoid zniszczonych wskutek zderzeń kosmicznych, także odłamki planet w nich zapisana jest historia materii kosmicznej. Znamy również meteoryty marsjańskie (SNC, ALH84001) oraz meteoryty księżycowe. meteorytach poszukujemy śladów życia pozaziemskiego w celu poznania tajemnic jego narodzin i rozprzestrzeniania. Istnieje wiele różnych klasyfikacji meteorytów. Tradycyjnie dzielimy je na kamienne, żelazno-kamienne oraz żelazne. Meteoryty kamienne sa najliczniej reprezentowane spośród wszystkich klas meteorytów (ryc. 160(a)). Dzielimy je na chondryty i achondryty. Meteoryty żelaznokamienne to pallasyty oraz mesosyderyty. śród meteorytów żelaznych wyróżniamy: heksaedryty (H) (93,5% Fe i 4.5 6% Ni, średnio 5.5% Ni), oktaedryty (O) (6 17% Ni) oraz ataksyty (D) (> 16% Ni). Rycina 161 prezentuje nowa klasyfikację meteorytów, w której na pierwszym planie wyróżniono dwie grupy meteorytów: niezdyferencjonowane i zdyferencjonowane. Pokazano na niej pozycję jednego z polskich meteorytów: pierwotnego achondrytu enstatytowego Zakłodzie [21]. Nazwy meteorytów pochodza najczęściej od nazwy geograficznej miejsca, w pobliżu którego zaobserwowano spadek lub dokonano znaleziska. Meteoryty zdyferencjonowane (żelazne, żelazno-kamienne oraz większość achondrytów) pochodza z większych obiektów, które uległy stopieniu i w wyniku grawitacyjnego rozwarstwienia składników o różnej gęstości utworzyły ja dro oraz kamienny płaszcz i skorupę [2, 5, 9, 12 19]. Meteoryty niezdyferencjonowane (chondryty i pierwotne achondryty) pochodza z obiektów małych. Meteoryty żelazne pochodza najczęściej z ja der planetoid, pallasyty z warstwy granicznej między ja drem i płaszczem, achondryty ze skorupy. Mezosyderyty stanowia brekcje impaktowe, sa wynikiem zderzeń planetoid, zawieraja wymieszane składniki wszystkich ciał biora cych udział w zderzeniach. Charakterystyczne cechy makroskopowe meteorytów to skorupa obtopieniowa oraz regmaglipty, wgłębienia na powierzchni, które powstaja podczas przelotu meteoroidów przez atmosferę ziemska z dużymi,

3 11. Kryształy w meteorytach 211 kosmicznymi prędkościami (ryc. 162 i 164). Prędkości wlotowe w atmosferę zawarte sa zwykle w przedziale wartości od 14 do 22 km/s, zaś w końcowej fazie, podczas upadku na grunt, sa dla małych meteorytów najczęściej niewielkie, rzędu 0.1 km/s. Głównymi pierwiastkami tworza cymi materię meteorytów sa obejmuja ce około 90 94% całego składu minerałów: Si, O, Fe i Mg. Istotnymi składnikami meteorytów o wkładzie 6 10% sa : Ca, Al, S, Ni, Na, K, Cr, P, Mn, Cl i C. Pozostałe pierwiastki stanowia ła cznie około 1% substancji meteorytów. meteorytach wykryto dotychczas około 300 minerałów, w skałach ziemskich ponad 4 tys. minerałów [13]. Tabela 4 prezentuje zawartość głównych składników mineralnych w różnych grupach meteorytów, a ryc. 160(b) i 174 ilustruja zawartość minerałów obecnych w chondrytach. Tabela 4: dział procentowy różnych faz mineralnych w różnych klasach meteorytów (% objętościowe) (wg: [9, 15, 29]) Minerały meteorytów Żelazne Pallasyty Mezosyderyty Achondryty Chondryty Żelazo-nikiel Oliwin Pirokseny Skalenie Troilit Schreibersyt Chromit Cohenit Apatyt 0.7 Głównymi minerałami meteorytów żelaznych sa stopy żelazo-niklu: kamacyt (żelazo belkowe, α-feni) i taenit (żelazo wstęgowe, γ -FeNi), meteorytów żelazno-kamiennych typu pallasytów: kamacyt i taenit (około 50%) oraz minerały krzemianowe (50%); oliwiny krzemiany żelaza i magnezu, także pirokseny krzemiany żelaza, magnezu i wapnia. mezosyderytach metal (45%) występuje w postaci ziaren w strukturze piroksenów (31%) zawieraja cych także plagioklazy (16%) (ryc. 165(g) i 176). pallasytach ziarna oliwinów, średnio 4 mm, tkwia w żelazo- -niklowej, nieprzerwanej strukturze kamacytu (ryc. 165(c), (d)). Meteoryty kamienne: chondryty i achondryty zbudowane sa głównie z oliwinów i piroksenów (> 70% objętości) oraz skaleni (21% w achondrytach, 12% w chondrytach), ale zawieraja ponadto wiele innych

4 212 Kryształy w przyrodzie i technice MARIAN SZRGOT minerałów, np. troilit (FeS, 1.5 5%), FeNi (11% w chondrytach, 1.5% w achondrytach), chromit, cohenit, schreibersyt, apatyt, a chondryty węgliste także materięorganiczna, m. in. aminokwasy ważny budulec organizmów żywych (ryc. 174(a), 176). ażna grupę meteorytów stanowia meteoryty żelazne. Meteoryty żelazne to fragmenty żelazno-niklowych ja der małych planet zniszczonych wskutek zderzeń kosmicznych. Skład tych meteorytów odpowiada składowi chemicznemu ja dra Ziemi, materii wnętrza naszej planety niedostępnej obecnie do bezpośrednich badań. Średni skład głównego składnika tych meteorytów tj. żelaza meteorytowego wynosi: 90.8% Fe, 8.6% Ni, 0.6% Co [3]. meteorytach żelaznych można trawieniem chemicznym ujawnić i zbadać ich mikrostrukturę, zwłaszcza struktury typowe dla żelaza materii pozaziemskiej: strukturę idmanstättena w oktaedrytach oraz linie Neumanna w kamacycie heksaedrytów, oktaedrytów i mezosyderytów (ryc. 165(a), (b), (h), 166, 167, 169). Oznaczenia grup meteorytów żelaznych: H heksaedryty, O oktaedryty, D ataksyty. Oktaedryty posiadaja różna zawartość niklu (6 17%), a w strukturze idmanstättena uwidacznia się to poprzez różna szerokość belek kamacytu (zwykle od 0.2 do 3.3 mm). Im większa zawartość Ni, tym belki kamacytu sa węższe, a im mniej niklu, belki sa szersze. Z szerokości belek kamacytu wnioskować można także oszybkości ostygania ciała macierzystego, bardzo powolnego ostygania, w którym tempo zmian temperatury było rzędu 1 10 K/mln lat. Znamy oktaedryty bardzo gruboziarniste (Ogg, grubość belek mm; % Ni), gruboziarniste (Og, mm; % Ni), średnioziarniste (Om, mm, % Ni), drobnoziarniste (Of, mm; % Ni), bardzo drobnoziarniste (Off, < 0.2 mm, % Ni), plessytowe (Opl, < 0.2 mm). Ataksyty (D) posiadaja duża zawartość niklu (16 70%) i nie wykazuja struktury idmanstättena. Natomiast szerokość belek kamacytu w heksaedrytach, które zawieraja najmniej niklu ze wszystkich grup meteorytów żelaznych ( % Ni), przyjmuje się za równa lub przewyższa jaca 5 cm, co oznacza, że jest ona równa lub większa od szerokości samego meteorytu, który zwykle składa się z jednego lub kilku dużych kryształów [17]. Oprócz podziału strukturalnego meteorytów żelaznych opartego na zawartości niklu, dokonano podziału, uwzględniaja c zawartość pierwiastków śladowych wyrażona w ppm, głównie: Ge, Ga, Ir (klasy: I, II, III i IV oraz podklasy A, B, C i D). klasie I, dla przykładu, zawartość Ga wynosi ppm, a Ge: ppm, natomiast w klasie IV Ga: 1 3 ppm i Ge: < 1 ppm. Diagram fazowy Fe-Ni

5 11. Kryształy w meteorytach 213 pokazuja cy obszar występowania głównych minerałów meteorytów żelaznych: kamacytu i taenitu oraz heksaedrytów i oktaedrytów zaprezentowano na ryc. 169(e). idać, że struktura dwufazowa kamacyt- -taenit dla oktaedrytów (6.5 13% Ni) powstaje jako wynik ochładzania taenitu. meteorytach kamiennych typu chondrytów cecha charakterystyczna jest występowanie chondr zajmuja cych nawet do 75% objętości meteorytu (ryc. 165(e), ). Chondry to kuliste lub elipsoidalne agregaty minerałów, głównie wysokotemperaturowych krzemianów oliwinów i piroksenów. Rozmiary chondr, wyrażone ich średnica, wynosza zwykle od 0.01 do 3 mm, niekiedy dochodza do 1 cm. yróżniamy różne populacje i typy chondr, z których najczęściej spotykanymi sa chondry średnie: mm. Badania cienkich płytek (0.03 mm), wktórych skały iminerały meteorytów staja się przezroczyste, ujawniaja wświetle spolaryzowanym różne typy teksturalne chondr, m. in. chondry belkowe, utworzone z warstwowo ułożonych kryształów oliwinów, rozdzielonych warstewkami szkliwa (np. ryc. 171). Oprócz oliwinów ((Mg, Fe) 2 [SiO 4 ]) i piroksenów rombowych ((Mg, Fe) 2 [Si 2 O 6 ]), stanowia cych główny składnik chondr i ciasta skalnego, wykryć można także inne minerały, m. in.: główne składniki meteorytów żelaznych: kamacyt (żelazo belkowe, (α-fe, Ni (92 93% Fe, 6 7.5% Ni)), taenit (żelazo wstęgowe, γ -Fe, Ni o zawartości Ni 8 60%, zwykle 24 30% Ni oraz Fe średnio 75%), także troilit (FeS), chromit (FeCr 2 O 4 ), schreibersyt i rhabdyt ((Fe, Ni) 3 P), glinokrzemiany (np. plagioklaz (Na, Ca)(Al, Si) 4 O 8 ), krzemionkę (SiO 2 ) i inne (ryc. 160(b), 174). Chondry pod względem teksturalnym podzielono na: C kryptokrystaliczne (5%), RP radialne piroksenowe (7%), BO belkowe oliwinowe (4%), PO porfirowe oliwinowe (23%), PP porfirowe piroksenowe (10%), POP porfirowe oliwinowo-piroksenowe (48%), GOP ziarniste oliwinowo-piroksenowe (3%) [17]. Chondry utworzyły się w mgławicy słonecznej przez gwałtowne, całkowite lub częściowe stopienie i szybkie ochłodzenie, i nazywane były kroplami ognistego deszczu. Chondryty podzielono na różne klasy petrograficzno-chemiczne uwzględniaja c metemorfizm termiczny oraz zmiany pod wpływem wody, którym one ulegały (ryc. 163). Oznaczenia literowe chondrytów opisuja grupy meteorytowe na podstawie ich składu chemicznego i izotopowego. C chondryty węgliste; E chondryty enstatytowe; H, L i LL chondryty zwyczajne. Symbol L oznacza niska całkowita zawartość żelaza; LL niska całkowita zawartość żelaza i niska zawartość metalicznego

6 214 Kryształy w przyrodzie i technice MARIAN SZRGOT żelaza, H wysoka zawartość żelaza. Typy petrologiczne sa oznaczone przez cyfry, które opisuja dodatkowe cechy chondrytów: stopień przeobrażenia przez wodę i ciepło, rozmiar i wyrazistość chondr i inne składniki. waża się, że każda z grup chondrytów pochodzi z tego samego ciała macierzystego, ale ich historia przemian była różna. Przypuszczalnie aubryty pochodza z planetoidy 44 Nysa, achondryty typu HED (howardyty, eukryty i diogenity) z planetki 4 esta, chondryty zwyczajne L4 z 433 Erosa, chondryty zwyczajne typu H z planetki 6 Hebe, chondryty enstatytowe E4 z 16 Psyche, a chondryty węgliste CM2 z 1 Ceres [16, 17]. Minerałami najbardziej rozpowszechnionymi w meteorytach, buduja cymi ich podstawowa masę, sa oliwiny (Mg, Fe) 2 SiO 4, zawieraja ce zwykle 10 30% fajalitu (Fe 2 SiO 4 ); pirokseny (Mg 1 x Fe x ) 2 [Si 2 O 6 ] (enstatyt (x < 0.12), bronzyt (0.12 < x < 0.3), hipersten (x > 0.3), pirokseny jednoskośne ((Fe, Mg, Ca) 2 [Si 2 O 6 ]), plagioklazy (NaAlSi 3 O 8 -CaAl 2 Si 3 O 8, albit- -oligoklaz, bytowit-anortyt), serpentyn (Mg 3 Si 2 O 5 (OH) 4 ). Minerałami rzadszymi, akcesorycznymi sa : siarka (S), lonsdaleit (C), cliftonit (C), cohenit (Fe, Ni) 2 C, krystobalit (SiO 2 ), whitlocklit (merrylit) Ca 3 (PO 4 ) 2, spinel (MgAl 2 O 4 ), granaty (Ca 3 Al 2 [SiO 4 ] 3 grossular) i inne [27]. łasnościa specyficzna składu meteorytów jest powszechne występowanie żelazo-niklu, bardzo rzadkiego na Ziemi, oraz bardzo mała zawartość kwarcu dominuja cego w warunkach ziemskich. Szereg minerałów jest znanych tylko w meteorytach. Sa to m. in.: osbornit (TiN), carlsbergit (CrN), sinoit (Si 2 N 2 O), oldhamit (CaS), daubreelit (FeCr 2 S 4,), schreisbersyt (Fe, Ni) 3 P, perryit ((Ni, Fe) 2 (Si, P), farringtonit Mg 3 PO 4, ureyit NaCr(SiO 3 ) i inne [27]. Dota d nie wykryto ich w skałach ziemskich. Kryształy meteorytów sa zwykle małe, czasem mikroskopowe, największe rzędu kilku mm, rzadko dochodza do 1 cm. Najmniejsze to kryształy o rozmiarach mikrometrowych oraz nanometrowych. Do tych najmniejszych należa : kryształy diamentu (C), grafitu (C), lonsdaleitu (C), SiC, TiC, ZrC, MoC, Al 2 O 3,MgAl 2 O 4 isi 3 N 4 będa ce ziarnami materii międzygwiazdowej, przedsłonecznej [17, 25]. Dowodzi to, że informacje zapisane w materii meteorytów obejmuja nie tylko pocza tki tworzenia naszego układu planetarnego, lecz opisuja także zdarzenia wcześniejsze w historii materii galaktycznej i pozwalaja prześledzić jej ewolucję. Znamy 22 meteoryty, których spadki i znaleziska objęły terytorium Polski. Należa do nich: chondryty zwyczajne: typu L: Baszkówka (ryc. 162(a)), Skalin, Suchy Dul; chondryty zwyczajne typu H: Pułtusk

7 11. Kryształy w meteorytach 215 (ryc. 164(b)), Piława Górna, Grzempy, ikanówko, Podgrodzie; achondryt (howardyt) Białystok; mezosyderyt owicz (ryc. 176); meteoryty żelazne: oktaedryty gruboziarniste: Morasko (ryc ), Krza dka, Przełazy (ryc. 165(a)); oktaedryt średnioziarnisty Świecie, oktaedryt drobnoziarnisty Częstochowa Raków II, ataksyt Częstochowa Raków I [7] oraz pierwotny achondryt enstatytowy Zakłodzie (ryc. 175). Niektóre z nich np. meteoryt żelazny Oborniki, meteoryt kamienny Da browa użycka oraz meteoryt Ratyń, zaginęły [4, 6, 8, 10, 11, 18 21]. końcu 2004 r. znaleziono trzy nowe meteoryty: meteoryt żelazny Jankowo Dolne, chondryt Krupe (ryc. 177 [7]) oraz chondryt Święcany. ażna rolę w badaniach materii pozaziemskiej odgrywaja meteoryty planetarne. Z Marsa pochodza achondryty należa ce do grupy SNC, do której przyporza dkowano shergottyt DaG 735 (ryc. 179). Meteorytem księżycowym jest znaleziony w 2007 r. achondryt NA 5219 (ryc. 180). iele spośród dotychczas odkrytych kryształów meteorytów pokrywa się z minerałami ziemskimi, występuja cymi w skałach ziemskich lub wytworzonymi w ziemskich laboratoriach badawczych, w znanych, dobrze określonych warunkach fizycznych. arunki takie panowały w czasie tworzenia tych kryształów w kosmosie. spółczesne metody eksperymentalne wykorzystywane w badaniach meteorytów pozwalaja odtworzyć procesy nie tylko tworzenia, lecz i późniejszych przemian materii meteorytowej, także jej długa podróż kosmiczna do naszej planety, przelot przez atmosferę i historię ziemskich przemian. Poszukiwania i badania meteorytów dostarczaja wielu ważnych, fundamentalnych dla nauki informacji o materii pozaziemskiej, dla zdobycia których organizujemy kosztowne misje kosmiczne, wysyłaja c w przestrzeń załogowe i bezzałogowe pojazdy. Odkrywcom meteorytów i nowych pozaziemskich minerałów dostarczaja wielu fascynuja cych wrażeń isatysfakcji, zwykłym ludziom pozwalaja obcować zfragmentami materii przybyłej z dalekich planet i planetoid oraz podziwiać ich nieziemskie piękno. Nam wszystkim umożliwiaja poznawanie i zrozumienie wszechświata. Literatura [1] Bischoff A., Planetary and Space Science 2001, 49, s [2] Boschke F. L., Z kosmosu na Ziemię, arszawa [3] Buchwald V. F., Handbook of Iron Meteorites, Berkeley [4] Grady M. M., Catalogue of Meteorites, Cambridge 2000.

8 216 Kryształy w przyrodzie i technice MARIAN SZRGOT [5] Hurnik B., H. Hurnik, Materia kosmiczna na Ziemi, jej źródła i ewolucja, Poznań [6] Karwowski., [w:] Materiały II Seminarium Meteorytowego, Olsztyn 2003, Olsztyn Sosnowiec 2003, s. 42. [7] Karwowski., Meteoryt 2004, 4(52), s. 3, 26. [8] Kotowiecki A., [w:] Materiały II Seminarium Meteorytowego, Olsztyn 2003, Olsztyn Sosnowiec 2003, s. 55. [9] Krinov E. L., Principles of Meteoritics, New York [10] odziński M., M. Żmudzka, Otoczak 2003, 29, s. 17. [11] Manecki A., Geological Quarterly 2001, 45(3) s. 211 (i prace innych autorów zamieszczone w tym numerze poświęconym meteorytowi Baszkówka). [12] Manecki A., Meteoryty, pyły kosmiczne i skały księżycowe, Kraków [13] Manecki A., Encyklopedia minerałów z polskim i angielskim słownikiem nazw: Minerały Ziemi i materii kosmicznej, Kraków [14] Mason B., Meteorites, New York [15] Mc Call G. J. H., Meteorites and Their Origins, Devon [16] McSween Jr. H. Y., Meteorities and Their Parent Planets, New York [17] Norton O. R., The Cambridge Encyclopedia of Meteorites, Cambridge [18] Pilski A. S., Meteoryty w zbiorach polskich, Olsztyn [19] Pilski A. S., Nieziemskie skarby, arszawa [20] Pokrzywnicki J., Meteoryty Polski, Studia Geologica Polonica 1964, 15. [21] Przylibski T. A., P. P. Zagożdżon, R. Kryza, A. S. Pilski, [w:] Materiały II Seminarium Meteorytowego, Olsztyn 2003, Olsztyn Sosnowiec 2003, s. 80. [22] Rożniakowski K., M. Szurgot, T.. ojtatowicz, [w:] Materiały II Seminarium Meteorytowego, Olsztyn 2003, Olsztyn Sosnowiec 2003, s [23] Simonienko A. I., Mietieority oskołki asteroidow, Moskwa [24] Szurgot M., [w:] Materiały II Seminarium Meteorytowego, Olsztyn 2003, Olsztyn Sosnowiec 2003, s [25] Szurgot M., A. Karczemska, M. Kozanecki, Extraterrestrial diamonds, [w:] Nanodiam, S. Mitura, P. Niedzielski, B. alkowiak (eds), PN, arszawa 2006, s [26] Szurgot M., K. Polański, [w:] Materiały II Seminarium Meteorytowego, Olsztyn 2003, Olsztyn Sosnowiec 2003, s [27] Yushkin I. P., Topominieralogia, Moskwa [28] ood J. A., Meteorites and the Origin of Planets, New York [29] ood J. A., kład Słoneczny, PN, arszawa [30] ood J. A., [w:] The Moon, Meteorites and Comets, B. M. Middlehurst, G. Kuiper (eds), Chicago 1963, s. 337.

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22