Sferule z granicy Kreda-Paleogen (Lechówka, Polska) wstępne dane

ACTA SOCIETATIS METHEORITICAE POLONORUM Rocznik Polskiego Towarzystwa Meteorytowego Vol. 6, 2015 Tomasz BRACHANIEC 1, Krzysztof SZOPA 1, Łukasz KARWOWSKI 1, Tomasz KRZYKAWSKI 1, Mariusz SALAMON 1, Krzysztof BROM 1 Sferule z granicy Kreda-Paleogen (Lechówka, Polska) wstępne dane Spherules from the Cretaceous Paleogene boundary (Lechówka, Polska) preliminary data Abstract: Samples of boundary clay from Cretaceous Paleogene deposits from Lechówka, Poland were examined for spherules to confirm the impact origin of the sediment. The chemical composition of investigated spherules show similarities to material from the K Pg boundary from Stevns Klint. The impact genesis of the spherules is confirmed by the presence of nickel-rich spinel grains on their surfaces. The deposits with spherules are built by smectite with Al and Mg enrichment. This cheto smectite is forming as a result of the weathering of the impact glass. Keywords: spherule, spinel, smectite, impact origin, Cretaceous Paleogene boundary. Jedn¹ z najs³ynniejszych struktur impaktowych jest powi¹zany z póÿnokredowym wymieraniem jukatañski krater Chicxulub. W 1980 roku Ganapathy zasugerowa³, e powsta³ on na skutek spadku najprawdopodobniej chondrytu o œrednicy ok. 10 km. Datowania wykaza³y, e ta 180 kilometrowa struktura jest równowiekowa z wymieraniem póÿno kredowym (Sharpton i in. 1992). Szacuje siê (French 1998), e impakt cia³a o œrednicy kilku kilometrów mo e w kilka sekund wyzwoliæ energiê wiêksz¹, ni wszystkie ziemskie procesy geologiczne typu: trzêsienia ziemi, wulkanizm czy ruchy tektoniczne, w ci¹gu setek lub nawet tysiêcy lat. Œladami impaktu Chicxulub w zapisie kopalnym, s¹ przede wszystkim: anomalie geochemiczne platynowców (Alvarez in. 1980; Crocket i in. 1988; Schmitz i in. 1988; Ebihara i Miura, 1996; Premoviæ 2009; Racki i in. 2011), minera³y szokowe (Boher i in. 1987; McHone i in. 1989; French 1998; Alvarez 2003; French i Koeberl 2010) oraz szkliwo impaktowe (French 1998; Glass i Simonson 2012). Schmidt i Holsapple (1982) oszacowali, e ³¹czna masa wszystkich rodzajów szkliw impaktowych mo e mieæ wartoœæ stukrotnie wy sz¹ od masy cia³a kosmicznego. Mo na je podzieliæ na dwie kategorie: szklistych lub przeobra onych sferul oraz tektytów i mikrotektytów (French 1998, Glass i Simonson 2013). Mikrotektyty i sfe- 1 Uniwersytet Œl¹ski, Wydzia³ Nauk o Ziemi, 41-200 Sosnowiec, ul. Bêdziñska 60, e-mail: tbrachaniec@us.edu.pl

18 Sferule z granicy Kreda-Paleogen (Lechówka, Polska) wstępne dane rule s¹ produktami stopnienia ziemskich ska³ zasobnych w krzemionkê na skutek spadku du ego cia³a kosmicznego. S¹ one wyrzucane z krateru, podczas pierwszego etapu jego tworzenia siê, a nastêpnie rozrzucone na dystansie nawet tysi¹ca kilometrów od struktury Ÿród³owej. Jeœli sferule zawieraj¹ w swej strukturze pierwotne mikrolity (minera³y, które nie uleg³y przeobra eniu) nosz¹ nazwê mikrokrystitów (Glass i Burns 1988). W osadach granicy Kreda-Paleogen (K-Pg) na ca³ym œwiecie znajdowane s¹ obok anomalii platynowców i minera³ów szokowych (Glass i Simonson 2013) impaktowe sferule, które maj¹ praktycznie ca³kowicie zmienion¹ diagenetycznie strukturê (Montanari i in. 1983; Sharpton i in. 1992; Pollastro i Bohor 1993; Bohor i Glass 1995). Niniejszy artyku³ przedstawia obok pracy Brachaniec i in. (2014) wstêpne wyniki analiz chemicznych przeprowadzonych na sferulach znalezionych w utworach granicy K-Pg na terenie Polski. Lokalizacja i geologia Stanowisko w Lechówce znajduje siê na terenie województwa lubelskiego, ok. 50 km od granicy z Ukrain¹ (fig. 1A). W ods³oniêciu (fig. 1B) utworami najwy szego mastrychtu (Kreda) s¹ szare margle, maj¹ce mi¹ szoœæ ok. 30 cm. Nad nimi znajduje siê szaro-rdzawy i³ graniczny, w którym stwierdzono wystêpowanie anomalii platynowców, której wartoœci wed³ug Rackiego i in. (2011) odpowiadaj¹ chondrytowemu pochodzeniu komponentów i³u. Osadami najni szego danu (Paleogen) s¹ odwapnione opoki z glaukonitem. Fig. 1. A) Lokalizacja stanowiska w Lechówce, B) Ogólny widok odsłonięcia. Materiał i metodologia Pod binokularem wyseparowano z i³u 30 sferul, z czego 18 sztuk stanowi³a frakcja nieuszkodzona. Œrednica badanego materia³u waha³a siê od 100 300 mm. Do uzyskania zdjêæ BSE i SE celem zaobserwowania ornamentacji sferul u yto skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) Philips XL30 ESEM/TMP. ACTA SOCIETATIS METHEORITICAE POLONORUM vol. 6, 2015

T. BRACHANIEC, K. SZOPA, Ł. KARWOWSKI, T. KRZYKAWSKI, M. SALAMON, K. BROM 19 Analiza sk³adu chemicznego XRD zosta³a przeprowadzona za pomoc¹ dyfraktometru Panatytical X Pert PRO MPD PW 3040/60. Powy sze analizy wykonano na Wydziale Nauk o Ziemi Uniwersytetu Œl¹skiego. Analizy w mikroobszarze zosta³y wykonane przy pomocy elektronowej mikrosondy CAMECA SX-100 w Miêdzyinstytutowym Laboratorium Mikroanaliz Minera³ów i Substancji Syntetycznych na Wydziale Geologii Uniwersytetu Warszawskiego. Wyniki Wyniki analizy XRD pokaza³y, e sferule s¹ zbudowane g³ównie ze smektytów, z przewag¹ nontronitu i montmorilllonitu. W ich sk³ad wchodz¹ tak e: kaolinit, sanidyn, krzemionka, kwarc oraz akcesorycznie augit i diopsyd. Dziêki SEM stwierdzono wystêpowanie na powierzchniach sferul skorupy smektytowej, która ewidentnie wskazuje na przeobra enie sferul w smektyt buduj¹cy i³. Wykazano równie wystêpowanie bogatych w nikiel spineli, byæ mo e magnetytu (B. Glass inf. ustna). Sk³ad chemiczny uzyskany za pomoc¹ mikrosondy, wykaza³ podobieñstwa sferul z Lechówki, do tych z duñskiego stanowiska Stevns Klint (tab. 1). Œwiadczy to o wspólnym pochodzeniu materia³u. Tabela 1. Skład chemiczny sferul z Lechówki oraz ze Stevns Klint. % SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 MgO CaO Na 2 O K 2 O TiO 2 P 2 O 5 MnO Cr 2 O 3 Lechówka 62,93 14,07 5,84 4,83 3,82 0,09 2,27 0,55 1,17 0,01 0,006 Stevns Klint* 64,42 18,54 3,83 6,22 5,99 0,22 0,79 * Bauluz i in. (2000). Dyskusja Sferule z Lechówki charakteryzuj¹ siê owalnym, regularnym kszta³tem (fig. 2A). Pomimo, e wiêkszoœæ sferul impaktowych znajdowanych w zapisie kopalnym, powstaje podczas pierwszego etapu tworzenia siê krateru, uwa a siê (Glass i Simonson 2013), e mikrokrystity z granicy K-Pg ze spinelami niklu s¹ produktem skroplenia cz¹stek unosz¹cych siê w chmurze poimpaktowej. Obecnoœæ spineli elaza z du ¹ zawartoœci¹ niklu, które wystêpuj¹ w warstwie K-Pg na ca³ym œwiecie (Kyte i Smit 1986; Bohor i in. 1986), wskazuje na warunki utleniaj¹ce podczas krystalizacji w atmosferze (Robin i in. 1992). S¹ one niezbitym dowodem na kontaminacjê osadu komponentami meteorytowymi (Glass i Simonson 2013). Montanari i in. (1983) sklasyfikowali je jako magnetyt, podczas gdy Bohor i in. (1986) jako magnesioferryt. Jedn¹ z cech charakterystycznych mikrotektytów i sferul z osadów K-Pg jest posiadanie na powierzchniach licznych regularnych zag³êbieñ i szczelin (fig. 2B; Bohor i Betterton 1990; Sigurdsson i in. 1991). S¹ one najprawdopodobniej reliktami po b¹belkach gazów lub innych sferulach (Glass i Simonson 2013). Dodat-

20 Sferule z granicy Kreda-Paleogen (Lechówka, Polska) wstępne dane Fig. 2. A) Przykładowa sferula z Lechówki, zdjęcie BSE, B) powierzchnia sferuli pokryta licznymi szczelinami i wpustkami, zdjęcie BSE. kowo sferule z Lechówki posiadaj¹ na swej powierzchni skorupkê smektytow¹, podobn¹ do tej opisanej przez Izetta i in. (1991), znajduj¹c¹ siê na sferulach z Haiti oraz Klavera i in. (1986), z wierceñ na pó³nocnym Atlantyku. W osadach starszych od kenozoicznych, na skutek wietrzenia, oryginalne krzemianowe szkliwo sferul jest zastêpowane g³ównie przez minera³y ilaste, a tak e skalenie potasowe, kalcyt oraz kwarc. Minera³y grupy smektytu, nontronit i montmorillonit, stanowi¹ g³ówne sk³adniki struktury sferul z Lechówki oraz otaczaj¹cego je i³u. Œwiadczy to jednoznacznie o du ym udziale komponentów impaktowych w tworzeniu siê osadu z granicy K-Pg. Impaktowa geneza omawianych smektytów zosta³a potwierdzona m.in. przez Izetta (1987, 1990), Sigurdssona i in. (1991), Bohora i Glassa (1995) oraz Martineza-Ruiza i in. (2001). Sk³ad sferul z Lechówki cechuje ni sza zawartoœæ zarówno SiO 2,jakiAl 2 O 3 w stosunku do sferul z Stevns Klint (tab. 1), co wskazuje na ni sz¹ zawartoœæ smektytów. Smektyt bogaty w Al i Mg nosi nazwê cheto smectite i stanowi naturalny produkt wietrzenia szkliw impaktowych (Debrabant i in. 1999; Bauluz i in. 2000). Wed³ug Smita i in. (1992) wysoka zawartoœæ Ca w sferulach impaktowych œwiadczy o obecnoœci ska³ wêglanowych w miejscu spadku cia³a kosmicznego. Wnioski Wystêpowanie sferul w zapisie osadowym œwiadczy o du ym impakcie cia³a kosmicznego. Dodatkowym argumentem za kosmicznym pochodzeniem komponentów osadu œwiadczy identyczny sk³ad chemiczny badanych sferul oraz i³u je otaczaj¹cego. Sferule z Lechówki mo na zidentyfikowaæ jako mikrokrystity, poniewa zawieraj¹ najprawdopodobniej spinele typu magnetytu z niklem, które stanowi¹ pierwotne cz¹steczki chmury impaktowej. Niew¹tpliwie jednak materia³ ten wymaga dalszych i szczegó³owych badañ mineralogiczno-geochemicznych.

T. BRACHANIEC, K. SZOPA, Ł. KARWOWSKI, T. KRZYKAWSKI, M. SALAMON, K. BROM 21 Podziękowania Autorzy sk³adaj¹ serdeczne podziêkowania prof. B. Glassowi (University of Delaware, USA) i prof. B. Simonsonowi (Oberlin College, USA) za cenne uwagi i komentarze podczas przygotowywania artyku³u. Literatura Alvarez L.W., Alvarez W., Asaro F., Michel H.V., 1980, Extraterrestrial cause for the Cretaceous Tertiary extinction, Science, 208, s. 1095 1108. Alvarez W., 2003, Comparing the evidence relevant to impact and flood basalt at times of major mass extinctions, Astrobiology, 3, s. 153 161. Bauluz B., Peacor D.R., Elliot C., 2000, Coexisting altered glass and Fe-Ni oxides at the Cretaceous Tertiary boundary, Stevns Klint (Denmark): direct evidence of meteorite impact, Earth and Planeary Science Letters, 182, s. 127 136. Bohor B.F., Modreski P.J., Foord E.E., 1987, Shocked quartz in the Cretaceous Tertiary boundary clays: Evidence for a global distribution, Science, 236, s. 705 709. Bohor B.F., Betterton W.J., 1990, K/T spherules-clarifying the concept, Lunar and Planetary Science, 21, s. 107 108. Bohor B.F., Glass B.P., 1995, Origin and diagenesis of K/T impact spherules From Haiti to Wyoming and beyond, Meteoritics, 30, s. 182 198. Bohor B.F., Foord E.E., Ganapathy R., 1986, Magnesioferrite from the Cretaceous Tertiary boundary, Caravaca, Spain, Earth and Planetary Science Letters, 81, s. 57 66. Brachaniec T., Karwowski., Szopa K., 2014, Spherules associated with the Cretaceous Paleogene boundary in Poland, Acta Geologica Polonica, 64, s. 99 108. Crocket J.H., Officer C.B., Wezel F.C., Johnson G.D., 1988, Distribution of noble metals across the Cretaceous/Tertiary boundary at Gubbio, Italy: Iridium variation as a constraint on the duration and nature of Cretaceous/Tertiary boundary events, Geology, 16, s. 77 80. Debrabant P., Fourcade E., Chamley H., Rocchia R., Robin E., Bellier J.P., Gardin S., Thiebault F., 1999, Les argiles de la transition Cretace Tertiaire au Guatemala, temoins d un impact d asteroide, Bulletin De La Societe Geologique De France, 170, s. 643 660. Ebihara M., Miura T., 1996, Chemical characteristics of the Cretaceous Tertiary boundary layer at Gubbio, Italy, Geochimica et Cosmochimica Acta, 60, s. 5133 5144. French B.M., 1998, Traces of Catastrophe. A Handbook of Shock-Metamorphic Effects in Terrestrial Meteorite Impact Structures, Lunar and Planetary Institute, Boulevard. French B.M., Koeberl C., 2010, The convincing identification of terrestrial meteorite impact structures: What works, what doesn t, and why, Earth-Science Reviews, 98, s. 123 170. Ganapathy R., 1980, A major meteorite impast on the earth 65 million years ago: Evidence from the Cretaceous Tertiary boundary clay, Science, 209, s. 921 923. Glass B.P., Burns C.A., 1988, Microkrystites: a new term for impact-produced glassy spherules containing primary crystallities, [w:] G. Ryder (red.), Proceedings of the 18 th Lunar and Planetary Science Conference, Cambridge, s. 455 458. Glass B.P., Simonson B.M., 2012, Distal impact ejecta Layers: Spherules and More, Elements, 8, s. 43 48. Glass B.P., Simonson B.M., 2013, Distal impact ejecta layers. A record of large impacts in sedimentary deposits, Impact Studies. Springer; Berlin Heidelberg, s. 92 307.

22 Sferule z granicy Kreda-Paleogen (Lechówka, Polska) wstępne dane Izett G.A., 1987, The Cretaceous Tertiary (K T) boundary interval, Raton Basin, Colorado and New Mexico, and its content of shock metamorphosed minerals-implications concerning the Cretaceous Tertiary impact-extinction event, USGS Open-File Report, 58, s. 87 606. Izett G.A., 1990, The Cretaceous/Tertiary boundary interval, raton basin, Colorado and New Mexico, and its ceontent of shock-metamorphosed minerals; evidence relevant to the K/T boundary impact-extinction theory, Geological Society of America Special Papers, 249, s. 1 100. Izett G.A., Dalrymple G.B., Snee L.W., 1991, 40Ar/39Ar age of K T boundary tektites from Haiti, Science, 252, s. 159 1543. Kyte F.T., Smit J., 1986, Regional variations in spinel compositions: an important key to the Cretaceous event, Geology, 14, s. 485 487. Kyte F.T., Bohor B., 1995, Nickel-rich magnesiowüstite in Cretaceous/Tertiary boundary spherules crystallized from ultramafic, refractory silicate liquids, Geochimica et Cosmochimica Acta, 59, s. 4967 4974. Martinez-Ruiz F., Ortega-Huertas M., Palomo-Delgado I.,Smit J., 2001, K T boundary spherules from Blake Nose (ODP Leg 171B) as a record of the Chicxulubejecta deposits, Geological Society Special Publications, 183, s. 149 161. Montanari A., Hay R.L., Alvarez W., Asaro F., Michel H.V., Alvarez L.W., Smit J., 1983, Spheroids at the Cretaceous Tertiary boundary are altered impact droplets of basaltic composition, Geology, 11, s. 668 671. McHone J.F., Nieman R.A., Lewis C.F., Yates A.M., 1989, Stishovite at the Cretaceous/Tertiary boundary Raton, New Mexico, Science, 243, s. 1182 1184. Pollastro R.M., Bohor B.F., 1993, Origin and clay-mineral genesis of the Cretaceous/Tertiary boundary unit, western interior of North America, Clays and Clay Minerals, 41, s. 7 25. Premoviæ P.I., 2009, The Conspicuous Red Impact Layer of the Fish Clay at Højerup (Stevns Klint, Denmark), Geochemistry International, 47, s. 513 521. Racki G., Machalski M., Koeberl C., Harasimiuk M., 2011, The weathering-modified iridium record of a new Cretaceous Palaeogene site at Lechówka near Che³m, SE Poland, and its palaeobiologic implications, Acta Palaeontologica Polonica, 56, s. 205 215. Robin E., Bonté P., Froget L., Jéhanno C.,Rocchia, R., 1992, Formation of spinels in cosmic objects during atmospheric entry: A clue to the Cretaceous Tertiary boundary event, Earth and Planetary Science Letters, 108, s. 181 190. Schmidt R.M., Holsapple K.A., 1982, Estimates of crater size for large-body impact: gravity-scaling results, [w:] L.T. Silver, P.H. Schultz (red.), Geological implications of impacts of large asteroids and comet on the Earth, Geological Society of America Special Papers, 190, s. 93 102. Schmitz B., Andersson P., Dahl J., 1988, Iridium, sulfur isotopes and rare earth elements in the Cretaceous Tertiary boundary clay at Stevns Klint, Denmark, Geochimica et Cosmochimica Acta, 52, s. 229 236. Sharpton V.L., Dalrymple G.B., Marín L.E., Ryder G., Schuraytz B.C.,Urrutia- Fucugauchi J., 1992, New links between the Chicxulub impact structure and the Cretaceous/Tertiary boundary, Nature, 359, s. 819 821. Sigurdsson H., D Hondt S., Arthur M.A., Bralower T,J., Zachos J.C., Van Fossen M.,Channell J.E.T., 1991, Glass from the Creataceous Tertiary boundary in Haiti, Nature, 349, s. 482 487. Smit J., Alvarez W., Montanari A., Swinburne N., Kempen Van T.M., Klaver G.T., Lustenhouwer W.J., 1992, Tektites and microtektites at the Cretaceous Tertiary boundary: Two strewn fields, one crater?, Proceedings of Lunar and Planetary Science, 22, s. 87 100.