Американско-немецкая исследовательская группа смоделировала падение метеорита в лаборатории и проследила полученные структурные изменения в двух минералах полевого шпата с помощью рентгеновских лучей по мере их возникновения. Результаты экспериментов в DESY и в Аргоннской национальной лаборатории в США показывают, что структурные изменения могут происходить при очень разных давлениях, в зависимости от степени сжатия. Выводы, опубликованные в выпуске научного журнала Earth and Planetary Science Letters от 1 февраля (опубликованного в Интернете заранее), помогут другим ученым реконструировать условия, приведшие к образованию ударных кратеров на Земле и других планетах земной группы.
Удары метеоритов играют важную роль в формировании и эволюции Земли и других планетарных тел в нашей Солнечной системе. Но условия удара, то есть размер ударника, скорость, пиковое давление и температура, обычно определяются спустя долгое время после того, как удар произошел из-за необратимых изменений в породообразующих минералах в ударном кратере. Чтобы решить загадку падения метеорита, то есть реконструировать условия удара по горным породам в ударном кратере спустя сотни или миллионы лет после падения, ученым необходимо согласовать наблюдения в полевых условиях с результатами лабораторных экспериментов.
За последние десятилетия была разработана классификационная схема, которая связывает условия удара с вызванными давлением и температурой изменениями в породообразующих минералах, которые можно обнаружить в типичных породах в ударных кратерах. Минералы группы полевых шпатов альбит (NaAlSi3O8), анортит (CaAl2Si 2O8) и их смесь плагиоклазов (NaxCa1-x Al2-xSi2+xO8) очень распространены в коре планет. Поэтому изменения в этих минералах по отношению к давлению и температуре, такие как структурные превращения или аморфизация, то есть потеря упорядоченной кристаллической структуры, в настоящее время широко используются в качестве индикатора очень крупных ударов.
Однако для минералов группы полевого шпата сообщаемые значения условий давления перехода аморфизации сильно различаются, если используются методы статического или динамического сжатия. «Эти различия указывают на большие пробелы в нашем понимании процессов, вызванных степенью сжатия в минералах», - говорит Ларс Эм из Университета Стоуни-Брук и Брукхейвенской национальной лаборатории, главный исследователь проекта. Это имеет далеко идущие последствия для интерпретации событий естественного столкновения, основанных на горных породах в отношении скорости, размера и других свойств метеорита.
Внутреннюю структуру минералов и других образцов можно исследовать с помощью рентгеновских лучей, которые дифрагируют на кристаллической решетке материала. По характерной дифракционной картине можно определить внутреннюю структуру образца. Эта техника используется и совершенствуется уже более века. Теперь его также можно использовать для отслеживания динамических процессов.
Появление новых и очень мощных источников рентгеновского излучения, таких как PETRA III, усовершенствованный источник фотонов и европейский рентгеновский лазер на свободных электронах, в сочетании с недавним квантовым скачком в технологии рентгеновских детекторов дает нам теперь у нас есть экспериментальные инструменты для исследования реакции материалов на измерение атомной структуры в условиях быстрого сжатия», - говорит Ханнс-Питер Лиерманн, руководитель направления экстремальных условий Beamline P02.2 в рентгеновском источнике DESY PETRA III, где проводились некоторые эксперименты. были проведены.
«В нашем эксперименте мы использовали ячейки с алмазной наковальней, управляемые газом или приводом, для быстрого сжатия наших образцов, в то время как мы непрерывно собираем картины дифракции рентгеновских лучей», - объясняет Мелисса Симс, ведущий автор исследования.«Это позволяет нам следить за изменениями в атомной структуре во время полного цикла сжатия и декомпрессии, а не только в начале и конце эксперимента, как в предыдущих так называемых экспериментах по восстановлению».
Исследовательская группа смогла наблюдать аморфизацию альбита и анортита при разных скоростях сжатия в эксперименте. Они сжали минералы до давления 80 гигапаскалей, что в 80 000 раз превышает атмосферное давление. В экспериментах использовались различные степени сжатия от 0,1 гигапаскалей в секунду (ГПа/с) до 81 ГПа/с. «Результаты показывают, что в зависимости от скорости сжатия минералы подвергаются переходу аморфизации при очень разных давлениях», - отмечает Эм. «Увеличение степени сжатия приводит к снижению наблюдаемого давления аморфизации». Например, при минимальной скорости сжатия 0,1 ГПа/с альбит полностью аморфизировался при давлении 31,5 ГПа, а при максимальной скорости 81 ГПа/с это происходило уже при 16.5 гигапаскалей.
«По этим причинам аморфизация минералов плагиоклаза вряд ли может быть недвусмысленным стандартом для определения конкретных условий пикового давления и температуры во время удара метеорита», - резюмирует Эм. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы полностью понять поведение этих минералов и оценить, можно ли сравнить условия удара со структурой горных пород.
Исследователи из Университета Стоуни-Брук, в том числе члены группы дистанционных, наземных и синхротронных исследований для науки и исследований (RIS4E), входящей в состав Виртуального института исследований Солнечной системы (SSERVI) НАСА, DESY, European XFEL, Аргоннская национальная лаборатория, Франкфуртский университет Гёте, Фрайбургский университет Альберта-Людвига, Йенский университет Фридриха-Шиллера и Брукхейвенская национальная лаборатория внесли свой вклад в это исследование.