Gedurende 2003-2008. Een groep Russische en Oostenrijkse wetenschappers met deelname van Heinz Kohlmann, een gerenommeerd paleontoloog, curator van het Eisenwurzen National Park, bestudeerde de catastrofe die 65 miljoen jaar geleden plaatsvond, toen meer dan 75% van alle organismen op aarde, inclusief dinosaurussen, uitstierf. De meeste onderzoekers denken dat het uitsterven in verband werd gebracht met een asteroïde-inslag, hoewel er andere standpunten zijn
Sporen van deze catastrofe in geologische secties worden weergegeven door een dunne laag zwarte klei van 1 tot 5 cm dik. Een van deze secties bevindt zich in Oostenrijk, in de oostelijke Alpen, in het Nationaal Park nabij het stadje Gams, 200 km ten zuidwesten van Wenen. Als resultaat van het bestuderen van de monsters uit deze sectie met behulp van een rasterelektronenmicroscoop, werden deeltjes met een ongebruikelijke vorm en samenstelling gevonden, die zich niet vormen onder grondomstandigheden en tot kosmisch stof behoren.
Sterrenstof op aarde
Voor het eerst werden sporen van ruimtematerie op aarde ontdekt in rode diepwaterklei door een Engelse expeditie die de bodem van de Wereldoceaan verkende op het Challenger-schip (1872-1876). Ze werden in 1891 door Murray en Renard beschreven. Op twee stations in de Stille Zuidzee werden bij het baggeren vanaf een diepte van 4300 m monsters van ferromangaanknobbeltjes en magnetische microsferen met een diameter tot 100 µm teruggevonden, later "ruimteballen" genoemd. De details van de ijzeren microsferen die door de Challenger-expeditie zijn opgewekt, zijn echter pas de laatste jaren onderzocht. Het bleek dat de ballen 90% metallisch ijzer, 10% nikkel zijn en dat hun oppervlak bedekt is met een dunne korst van ijzeroxide.
Figuur: 1. Monoliet uit de Gams 1 sectie, voorbereid voor bemonstering. Lagen van verschillende leeftijden worden aangegeven in Latijnse letters. De overgangslaag van klei tussen het Krijt en het Paleogeen (leeftijd ongeveer 65 miljoen jaar), waarin een opeenhoping van metalen microbolletjes en platen werd gevonden, is gemarkeerd met de letter "J". Foto door A. F. Gracheva
De ontdekking van mysterieuze ballen in diepzeeklei wordt in feite geassocieerd met het begin van de studie van kosmische materie op aarde. Een explosie van interesse onder onderzoekers voor dit probleem deed zich echter voor na de eerste lanceringen van ruimtevaartuigen, met behulp waarvan het mogelijk werd om maangrond en monsters van stofdeeltjes uit verschillende delen van het zonnestelsel te selecteren. De werken van K. P. Florensky (1963), die de sporen van de Tunguska-catastrofe bestudeerde, en E. L. Krinov (1971), die meteoorstof bestudeerde op de plaats van de val van de Sikhote-Alin-meteoriet.
Promotie video:
De belangstelling van onderzoekers voor metalen microsferen leidde ertoe dat ze werden aangetroffen in sedimentair gesteente van verschillende leeftijden en oorsprong. Metalen microsferen worden gevonden in het ijs van Antarctica en Groenland, in diepe oceaansedimenten en mangaanknobbeltjes, in het zand van woestijnen en kuststranden. Ze worden vaak aangetroffen in en rond meteorietkraters.
In het afgelopen decennium zijn er metalen microsferen van buitenaardse oorsprong gevonden in sedimentair gesteente van verschillende leeftijden: van het Beneden-Cambrium (ongeveer 500 miljoen jaar geleden) tot moderne formaties.
Gegevens over microsferen en andere deeltjes uit oude sedimenten maken het mogelijk om de volumes te beoordelen, evenals de uniformiteit of ongelijkheid van de instroom van kosmische materie naar de aarde, de verandering in de samenstelling van deeltjes die vanuit de ruimte naar de aarde komen, en de primaire bronnen van deze stof. Dit is belangrijk omdat deze processen de ontwikkeling van het leven op aarde beïnvloeden. Veel van deze vragen zijn nog lang niet opgelost, maar de opeenstapeling van gegevens en hun uitgebreide studie zullen het ongetwijfeld mogelijk maken om ze te beantwoorden.
Het is nu bekend dat de totale massa stof die in de baan van de aarde circuleert ongeveer 1015 ton bedraagt en dat er jaarlijks 4 tot 10 duizend ton kosmische materie op het aardoppervlak valt. 95% van de materie die op het aardoppervlak valt, bestaat uit deeltjes met een grootte van 50-400 micron. De vraag hoe de snelheid waarmee kosmische materie de aarde binnendringt in de loop van de tijd verandert, blijft tot nu toe controversieel, ondanks veel onderzoeken die in de afgelopen 10 jaar zijn uitgevoerd.
Op basis van de grootte van kosmische stofdeeltjes wordt momenteel het werkelijke interplanetaire kosmische stof uitgestoten met een grootte van minder dan 30 micron en micrometeorieten groter dan 50 micron. Zelfs eerdere E. L. Krinov stelde voor om de kleinste fragmenten van een meteoorlichaam, gesmolten van het oppervlak, micrometeorieten te noemen.
Er zijn nog geen strikte criteria ontwikkeld om kosmisch stof en meteorietdeeltjes te onderscheiden, en zelfs met het voorbeeld van de door ons bestudeerde Gams-sectie is aangetoond dat metaaldeeltjes en microsferen meer divers van vorm en samenstelling zijn dan voorzien door de bestaande classificaties. De bijna perfecte bolvorm, metaalglans en magnetische eigenschappen van de deeltjes werden beschouwd als bewijs van hun kosmische oorsprong. Volgens de geochemist E. V. Sobotovich, "het enige morfologische criterium voor het beoordelen van de kosmogeniteit van het materiaal dat wordt bestudeerd, is de aanwezigheid van gefuseerde ballen, inclusief magnetische ballen". Naast de vorm, die extreem divers is, is de chemische samenstelling van de stof echter van fundamenteel belang. De onderzoekers kwamen erachterdat er, naast microsferen van kosmische oorsprong, een groot aantal ballen is van een andere oorsprong - geassocieerd met vulkanische activiteit, de vitale activiteit van bacteriën of metamorfose. Het is bekend dat ijzerhoudende microsferen van vulkanische oorsprong veel minder waarschijnlijk een ideale bolvorm hebben en bovendien een verhoogde bijmenging van titanium (Ti) hebben (meer dan 10%).
Een Russisch-Oostenrijkse groep geologen en een filmploeg van de Weense TV in de sectie Gams in de oostelijke Alpen. Op de voorgrond - A. F. Grachev
De oorsprong van kosmisch stof
De oorsprong van kosmisch stof is nog steeds een punt van discussie. Professor E. V. Sobotovich geloofde dat kosmisch stof de overblijfselen van de oorspronkelijke protoplanetaire wolk kon vertegenwoordigen, waartegen B. Yu. Levin en A. N. Simonenko, in de overtuiging dat fijne materie niet lang zou kunnen blijven bestaan (Earth and Universe, 1980, nr. 6).
Er is nog een andere verklaring: de vorming van kosmisch stof wordt geassocieerd met de vernietiging van asteroïden en kometen. Zoals E. V. Sobotovich, als de hoeveelheid kosmisch stof die de aarde binnenkomt niet in de loop van de tijd verandert, dan is B. Yu. Levin en A. N. Symonenko.
Ondanks het grote aantal onderzoeken kan het antwoord op deze fundamentele vraag momenteel niet worden gegeven, omdat er zeer weinig kwantitatieve schattingen zijn en de nauwkeurigheid ervan controversieel is. Onlangs suggereren gegevens van isotopenonderzoeken in het kader van het NASA-programma van kosmische stofdeeltjes die in de stratosfeer werden bemonsterd het bestaan van deeltjes van pre-solaire oorsprong. In de samenstelling van dit stof zijn mineralen zoals diamant, moissaniet (siliciumcarbide) en korund aangetroffen, die op basis van de isotopen van koolstof en stikstof het mogelijk maken om hun vorming toe te schrijven aan de tijd vóór de vorming van het zonnestelsel.
Het belang van het bestuderen van kosmisch stof in een geologische sectie is duidelijk. Dit artikel presenteert de eerste resultaten van de studie van ruimtematerie in de overgangskleilaag aan de Krijt-Paleogeengrens (65 miljoen jaar geleden) van de Gams-sectie, in de oostelijke Alpen (Oostenrijk).
Algemene kenmerken van de Gams-sectie
Deeltjes van kosmische oorsprong werden verkregen uit verschillende delen van de overgangslagen tussen het Krijt en het Paleogeen (in de Germaanse literatuur - de K / T-grens), gelegen nabij het bergdorp Gams, waar de rivier met dezelfde naam op verschillende plaatsen deze grens opent.
In de sectie Gams 1 werd een monoliet uit de ontsluiting gesneden, waarin de K / T-grens zeer goed tot uiting komt. De hoogte is 46 cm, breedte - 30 cm in het onderste gedeelte en 22 cm - in het bovenste gedeelte, dikte - 4 cm Voor een algemene studie van de sectie werd de monoliet na 2 cm (van onder naar boven) verdeeld in lagen die worden aangeduid met letters van het Latijnse alfabet (A, B, C … W), en binnen elke laag, ook na 2 cm, wordt een markering met cijfers (1, 2, 3, etc.) uitgevoerd. De overgangslaag J op het K / T-grensvlak werd in meer detail bestudeerd, waarbij zes sublagen met een dikte van ongeveer 3 mm werden onderscheiden.
De onderzoeksresultaten verkregen in de Gams 1-sectie werden grotendeels herhaald bij het bestuderen van een andere sectie - Gams 2. Het studiecomplex omvatte de studie van dunne secties en monominerale fracties, hun chemische analyse, evenals röntgenfluorescentie, neutronenactivering en röntgenstructuuranalyses, isotopisch analyse van helium, koolstof en zuurstof, bepaling van de samenstelling van mineralen op een microsonde, magnetomineralogische analyse.
Verscheidenheid aan microdeeltjes
IJzer- en nikkelmicrosferen uit de overgangslaag tussen het Krijt en het paleogeen in de Gams-sectie: 1 - Fe-microsfeer met een grof reticulair-knobbelig oppervlak (bovenste deel van de overgangslaag J); 2 - Fe-microsfeer met een ruw longitudinaal parallel oppervlak (onderste deel van de overgangslaag J); 3 - Fe-microsfeer met kristallografische facetelementen en een grove maasachtige oppervlaktestructuur (laag M); 4 - Fe-microsfeer met een dun maasoppervlak (bovenste deel van de overgangslaag J); 5 - Ni-microsfeer met kristallieten op het oppervlak (bovenste deel van de overgangslaag J); 6 - aggregaat van gesinterde Ni-microsferen met kristallieten op het oppervlak (bovenste deel van de overgangslaag J); 7 - aggregaat van Ni-microsferen met microdiamanten (C; bovenste deel van de overgangslaag J); 8,9 - karakteristieke vormen van metaaldeeltjes uit de overgangslaag tussen Krijt en Paleogeen in het Gams-gedeelte in de oostelijke Alpen.
In de overgangskleilaag tussen de twee geologische grenzen - Krijt en Paleogeen, alsook op twee niveaus in de bovenliggende sedimenten van het Paleoceen in de Gams-sectie, werden veel metaaldeeltjes en microsferen van kosmische oorsprong gevonden. Ze zijn veel diverser in vorm, oppervlaktestructuur en chemische samenstelling dan tot dusver allemaal bekend is in de overgangskleilagen van deze tijd in andere delen van de wereld.
In de sectie Gams wordt ruimtematerie weergegeven door fijn verspreide deeltjes met verschillende vormen, waarvan de meest voorkomende magnetische microsferen zijn die in grootte variëren van 0,7 tot 100 μm, bestaande uit 98% puur ijzer. Dergelijke deeltjes in de vorm van bolletjes of microbolletjes worden in grote aantallen aangetroffen, niet alleen in laag J, maar ook daarboven, in kleien van het Paleoceen (lagen K en M).
Microsferen zijn samengesteld uit puur ijzer of magnetiet, waarvan sommige chroom (Cr), een legering van ijzer en nikkel (avaruite) en puur nikkel (Ni) bevatten. Sommige Fe-Ni-deeltjes bevatten molybdeen (Mo) onzuiverheden. In de overgangslaag van klei tussen het Krijt en het Paleogeen werden ze allemaal voor het eerst ontdekt.
Nooit eerder zijn we deeltjes tegengekomen met een hoog nikkelgehalte en een aanzienlijke bijmenging van molybdeen, microsferen met de aanwezigheid van chroom en stukjes spiraalvormig ijzer. Naast metalen microsferen en deeltjes, werden Ni-spinel, microdiamanten met microsferen van puur Ni, evenals gescheurde platen van Au, Cu, die niet worden aangetroffen in de onderliggende en bovenliggende afzettingen, aangetroffen in de overgangskleilaag in Gams.
Kenmerken van microdeeltjes
Metalen microsferen in de Gams-sectie zijn aanwezig op drie stratigrafische niveaus: ijzerhoudende deeltjes van verschillende vormen zijn geconcentreerd in de overgangskleilaag, in de bovenliggende fijnkorrelige zandstenen van de K-laag, en het derde niveau wordt gevormd door siltstenen van de M-laag.
Sommige bollen hebben een glad oppervlak, andere hebben een rooster-knobbelig oppervlak en andere zijn bedekt met een netwerk van kleine veelhoekige of een systeem van parallelle scheuren die zich uitstrekken vanaf één hoofdscheur. Ze zijn hol, schelpvormig, gevuld met kleimineralen en kunnen ook een interne concentrische structuur hebben. Fe-metaaldeeltjes en microsferen worden overal in de overgangskleilaag aangetroffen, maar zijn voornamelijk geconcentreerd in de onder- en middenhorizon.
Micrometeorieten zijn versmolten deeltjes van zuiver ijzer of een ijzer-nikkellegering Fe-Ni (avaruite); hun afmetingen zijn van 5 tot 20 micron. Talrijke avaruite-deeltjes zijn beperkt tot het bovenste niveau van de overgangslaag J, terwijl zuivere ijzerhoudende deeltjes aanwezig zijn in de onderste en bovenste delen van de overgangslaag.
Deeltjes in de vorm van platen met een dwarsknolvormig oppervlak bestaan alleen uit ijzer, hun breedte is 10-20 µm en hun lengte is maximaal 150 µm. Ze zijn licht gebogen en ontmoeten elkaar aan de basis van de overgangslaag J. In het onderste deel komen ook Fe-Ni-platen met een bijmenging van Mo voor.
Platen van een legering van ijzer en nikkel hebben een langwerpige vorm, licht gebogen, met lengtegroeven op het oppervlak, de afmetingen variëren in lengte van 70 tot 150 micron met een breedte van ongeveer 20 micron. Ze komen vaker voor in de onderste en middelste delen van de overgangslaag.
IJzerhoudende platen met lengtegroeven zijn identiek in vorm en afmeting aan platen uit Ni-Fe-legering. Ze zijn beperkt tot de onderste en middelste delen van de overgangslaag.
Bijzonder interessant zijn deeltjes zuiver ijzer, die de vorm hebben van een regelmatige spiraal en gebogen zijn in de vorm van een haak. Ze bestaan voornamelijk uit puur Fe, zelden is het een Fe-Ni-Mo-legering. Spiraalvormige ijzerdeeltjes worden gevonden in het bovenste deel van de J-laag en in de bovenliggende zandstenen tussenlaag (K-laag). Een spiraalvormig Fe-Ni-Mo-deeltje werd gevonden aan de basis van de overgangslaag J.
In het bovenste deel van de overgangslaag J waren er verschillende korrels microdiamanten gesinterd met Ni-microsferen. Microprobe-onderzoeken van nikkelballen, uitgevoerd op twee instrumenten (met golf- en energiedispersieve spectrometers), toonden aan dat deze ballen bestaan uit bijna puur nikkel onder een dunne film van nikkeloxide. Het oppervlak van alle nikkelballen is bezaaid met heldere kristallieten met een uitgesproken tweeling van 1 à 2 µm groot. Zulk zuiver nikkel in de vorm van bolletjes met een goed gekristalliseerd oppervlak wordt noch in stollingsgesteenten noch in meteorieten aangetroffen, waar nikkel noodzakelijkerwijs een aanzienlijke hoeveelheid onzuiverheden bevat.
In de studie van de monoliet uit de Gams 1-sectie werden zuivere Ni-bollen alleen gevonden in het bovenste deel van de overgangslaag J (in het bovenste deel - een zeer dunne sedimentaire laag J 6, waarvan de dikte niet groter is dan 200 μm), en volgens de gegevens van thermische magnetische analyse is metallisch nikkel aanwezig in overgangslaag, beginnend met sublaag J4. Hier werden, samen met Ni-ballen, ook diamanten gevonden. In een laag verwijderd uit een kubus met een oppervlakte van 1 cm2, is het aantal gevonden diamantkorrels in de tientallen (met een grootte van fracties van micron tot tientallen micron), en nikkelballen van dezelfde grootte - in honderden.
In monsters van het bovenste deel van de overgangslaag die rechtstreeks uit de ontsluiting waren genomen, werden diamanten met kleine nikkeldeeltjes op het korreloppervlak gevonden. Het is significant dat bij het bestuderen van monsters uit dit deel van laag J, ook de aanwezigheid van het mineraal moissaniet werd onthuld. Eerder werden microdiamanten gevonden in de overgangslaag op de grens van het Krijt-Paleogeen in Mexico.
Vondsten in andere gebieden
De Gams-microsferen met een concentrische interne structuur zijn vergelijkbaar met die welke werden gewonnen door de Challenger-expeditie in de diepzeekleien van de Stille Oceaan.
IJzerdeeltjes met een onregelmatige vorm met gesmolten randen, evenals in de vorm van spiralen en gebogen haken en platen lijken sterk op de vernietigingsproducten van meteorieten die op de aarde vallen, ze kunnen worden beschouwd als meteoorijzer. Deeltjes van avaruite en puur nikkel kunnen in dezelfde categorie worden ingedeeld.
Gebogen ijzerdeeltjes lijken dicht bij verschillende vormen van Pele-tranen - lavadruppels (lapilli), die vulkanen tijdens uitbarstingen in vloeibare toestand uit de luchtopening werpen.
De tussenliggende kleilaag bij Gams heeft dus een heterogene structuur en is duidelijk onderverdeeld in twee delen. In het onderste en middelste gedeelte overheersen ijzerdeeltjes en microsferen, terwijl het bovenste gedeelte van de laag verrijkt is met nikkel: avaruite-deeltjes en nikkel-microsferen met diamanten. Dit wordt niet alleen bevestigd door de verdeling van ijzer- en nikkeldeeltjes in de klei, maar ook door de gegevens van chemische en thermomagnetische analyses.
Vergelijking van de gegevens van thermomagnetische analyse en microprobe-analyse duidt op een extreme heterogeniteit in de verdeling van nikkel, ijzer en hun legering binnen de J-laag; volgens de resultaten van thermomagnetische analyse wordt puur nikkel echter alleen geregistreerd van de J4-laag. Opvallend is het feit dat spiraalvormig ijzer voornamelijk voorkomt in het bovenste deel van de J-laag en blijft voorkomen in de K-laag die eroverheen ligt, waar er echter weinig isometrische of lamellaire Fe, Fe-Ni-deeltjes zijn.
Laten we benadrukken dat een dergelijke duidelijke differentiatie voor ijzer, nikkel en iridium, die tot uiting komt in de overgangskleilaag in Gams, ook in andere regio's aanwezig is. In de Amerikaanse staat New Jersey bijvoorbeeld, in de overgangslaag (6 cm) sferulische laag, manifesteerde de iridium-anomalie zich scherp aan de basis, en inslagmineralen zijn alleen geconcentreerd in het bovenste (1 cm) deel van deze laag. In Haïti, aan de Krijt-Paleogeengrens en in het bovenste deel van de bollaag, is er een sterke verrijking van Ni en schokkwarts.
Achtergrondverschijnsel voor de aarde
Veel kenmerken van de gevonden Fe- en Fe-Ni-bolletjes zijn vergelijkbaar met de ballen die door de Challenger-expeditie zijn ontdekt in de diepzeekleien van de Stille Oceaan, in het gebied van de Tunguska-catastrofe en de vallocaties van de Sikhote-Alin-meteoriet en Nio-meteoriet in Japan, evenals in sedimentair gesteente van verschillende leeftijden uit vele gebieden van de wereld. Naast de regio's van de Tunguska-catastrofe en de val van de Sikhote-Alin-meteoriet, heeft in alle andere gevallen de vorming van niet alleen bolletjes, maar ook deeltjes met verschillende morfologieën, bestaande uit puur ijzer (soms met chroomgehalte) en een legering van nikkel met ijzer, geen verband met de inslag. We beschouwen het verschijnen van dergelijke deeltjes als het resultaat van kosmisch interplanetair stof dat op het aardoppervlak valt - een proces dat continu aan de gang is sinds de vorming van de aarde en een soort achtergrondverschijnsel is.
Veel van de deeltjes die in de Gams-sectie zijn bestudeerd, komen qua samenstelling dicht bij de chemische samenstelling van de meteoriet op de plaats van de val van de Sikhote-Alin-meteoriet (volgens E. L. Krinov is dit 93,29% ijzer, 5,94% nikkel, 0,38% kobalt).
De aanwezigheid van molybdeen in sommige deeltjes is niet onverwacht, aangezien het veel soorten meteorieten bevat. Het gehalte aan molybdeen in meteorieten (ijzer, steen en koolstofhoudende chondrieten) varieert van 6 tot 7 g / t. De belangrijkste was de vondst van molybdeniet in de Allende-meteoriet in de vorm van een opname in de legering van de volgende metaalsamenstelling (gew.%): Fe - 31,1, Ni - 64,5, Co - 2,0, Cr - 0,3, V - 0,5, P - 0,1. Opgemerkt moet worden dat natief molybdeen en molybdeniet ook werden aangetroffen in maanstof, bemonsterd door de automatische stations Luna-16, Luna-20 en Luna-24.
De eerste ontdekte bollen van puur nikkel met een goed gekristalliseerd oppervlak zijn noch in stollingsgesteenten noch in meteorieten bekend, waar nikkel noodzakelijkerwijs een aanzienlijke hoeveelheid onzuiverheden bevat. Zo'n structuur van het oppervlak van nikkelballen zou kunnen ontstaan in het geval dat een asteroïde (meteoriet) viel, wat leidde tot het vrijkomen van energie, waardoor het materiaal van het vallende lichaam niet alleen kon smelten, maar ook verdampen. De metaaldampen hadden door de explosie tot grote hoogte (waarschijnlijk tientallen kilometers) kunnen worden opgetild, waar kristallisatie plaatsvond.
Deeltjes bestaande uit avaruite (Ni3Fe) werden samen met metalen nikkelkogels gevonden. Ze behoren tot meteoorstof en gefuseerde ijzerdeeltjes (micrometeorieten) moeten worden beschouwd als "meteorietstof" (in de terminologie van EL Krinov). De diamantkristallen die samen met nikkelballen worden aangetroffen, zijn waarschijnlijk ontstaan als gevolg van ablatie (smelten en verdampen) van een meteoriet uit dezelfde dampwolk tijdens de daaropvolgende afkoeling. Het is bekend dat synthetische diamanten worden verkregen door spontane kristallisatie uit een koolstofoplossing in een metaalsmelt (Ni, Fe) boven de grafiet-diamantfase-evenwichtslijn in de vorm van eenkristallen, hun vergroeiingen, tweelingen, polykristallijne aggregaten, framekristallen, naaldvormige kristallen, onregelmatige korrels. Bijna alle genoemde typomorfe kenmerken van diamantkristallen werden gevonden in het bestudeerde monster.
Dit stelt ons in staat om te concluderen dat de processen van diamantkristallisatie in een wolk van nikkel-koolstofdamp tijdens het afkoelen en spontane kristallisatie uit een koolstofoplossing in een nikkelsmelt in experimenten vergelijkbaar zijn. De definitieve conclusie over de aard van diamant kan echter worden gemaakt na gedetailleerde isotopenstudies, waarvoor het nodig is om een voldoende grote hoeveelheid stof te verkrijgen.
Zo toonde de studie van kosmische materie in de kleiachtige overgangslaag aan de Krijt-Paleogeengrens zijn aanwezigheid in alle delen (van laag J1 tot laag J6), maar tekenen van een inslaggebeurtenis worden alleen geregistreerd vanaf laag J4, die 65 miljoen jaar oud is. Deze laag kosmisch stof is te vergelijken met de dood van de dinosauriërs.
