Durante il 2003-2008. Un gruppo di scienziati russi e austriaci con la partecipazione di Heinz Kohlmann, un rinomato paleontologo, curatore del Parco Nazionale di Eisenwurzen, ha studiato la catastrofe avvenuta 65 milioni di anni fa, quando più del 75% di tutti gli organismi sulla Terra, inclusi i dinosauri, si estinse. La maggior parte dei ricercatori ritiene che l'estinzione sia stata associata all'impatto di un asteroide, sebbene ci siano altri punti di vista
Tracce di questa catastrofe nelle sezioni geologiche sono rappresentate da un sottile strato di argilla nera da 1 a 5 cm di spessore. Una di queste sezioni si trova in Austria, nelle Alpi Orientali, nel Parco Nazionale vicino alla cittadina di Gams, situata a 200 km a sud ovest di Vienna. Come risultato dello studio dei campioni di questa sezione utilizzando un microscopio elettronico a scansione, sono state trovate particelle di forma e composizione insolite, che non si formano in condizioni del suolo e appartengono alla polvere cosmica.
Polvere di stelle sulla Terra
Per la prima volta, tracce di materia spaziale sulla Terra furono scoperte nelle argille rosse delle profondità marine da una spedizione inglese che esplorò il fondo dell'Oceano Mondiale sulla nave Challenger (1872–1876). Furono descritti da Murray e Renard nel 1891. In due stazioni nell'Oceano Pacifico meridionale, durante il dragaggio da una profondità di 4300 m, furono recuperati campioni di noduli ferromanganesi e microsfere magnetiche fino a 100 µm di diametro, chiamate in seguito "sfere spaziali". Tuttavia, i dettagli delle microsfere di ferro sollevate dalla spedizione Challenger sono stati studiati solo negli ultimi anni. Si è scoperto che le sfere sono al 90% di ferro metallico, al 10% di nichel e la loro superficie è ricoperta da una sottile crosta di ossido di ferro.
Figura: 1. Monolite della sezione Gams 1, preparato per il campionamento. Strati di età diverse sono indicati in lettere latine. Lo strato di transizione di argilla tra il periodo Cretaceo e Paleogene (età circa 65 milioni di anni), in cui è stato riscontrato un accumulo di microsfere e placche metalliche, è contrassegnato dalla lettera "J". Foto di A. F. Gracheva
La scoperta di misteriose sfere nelle argille di acque profonde, infatti, è associata all'inizio dello studio della materia cosmica sulla Terra. Tuttavia, un'esplosione di interesse tra i ricercatori per questo problema si è verificata dopo i primi lanci di veicoli spaziali, con l'aiuto del quale è diventato possibile selezionare il suolo lunare e campioni di particelle di polvere da diverse parti del sistema solare. Le opere di K. P. Florensky (1963), che ha studiato le tracce della catastrofe di Tunguska, e E. L. Krinov (1971), che ha studiato la polvere meteorica nel sito della caduta del meteorite Sikhote-Alin.
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L'interesse dei ricercatori per le microsfere metalliche ha portato al fatto che hanno iniziato a essere trovate in rocce sedimentarie di diverse età e origini. Le microsfere di metallo si trovano nel ghiaccio dell'Antartide e della Groenlandia, nei sedimenti oceanici profondi e nei noduli di manganese, nelle sabbie dei deserti e delle spiagge costiere. Si trovano spesso dentro e intorno ai crateri meteoritici.
Nell'ultimo decennio, microsfere metalliche di origine extraterrestre sono state trovate in rocce sedimentarie di epoche diverse: dal Cambriano inferiore (circa 500 milioni di anni fa) alle formazioni moderne.
I dati su microsfere e altre particelle di antichi sedimenti consentono di giudicare i volumi, nonché l'uniformità o l'irregolarità dell'afflusso di materia cosmica sulla Terra, il cambiamento nella composizione delle particelle che arrivano alla Terra dallo spazio e le fonti primarie di questa sostanza. Questo è importante perché questi processi influenzano lo sviluppo della vita sulla Terra. Molte di queste domande sono ancora lontane dall'essere risolte, ma l'accumulo di dati e il loro studio completo consentiranno indubbiamente di rispondere ad esse.
È ormai noto che la massa totale di polvere che circola all'interno dell'orbita terrestre è di circa 1015 tonnellate, da 4 a 10mila tonnellate di materia cosmica cadono ogni anno sulla superficie terrestre. Il 95% della materia che cade sulla superficie terrestre è costituito da particelle di dimensioni comprese tra 50 e 400 micron. La questione di come il tasso di afflusso di materia cosmica sulla Terra cambi nel tempo rimane controversa fino ad ora, nonostante molti studi effettuati negli ultimi 10 anni.
Sulla base delle dimensioni delle particelle di polvere cosmica, attualmente, la polvere cosmica interplanetaria effettiva viene emessa con una dimensione inferiore a 30 micron e micrometeoriti più grandi di 50 micron. Anche prima E. L. Krinov ha proposto di chiamare i più piccoli frammenti di un corpo meteorico sciolto dalle micrometeoriti superficiali.
Criteri rigorosi per distinguere la polvere cosmica e le particelle di meteorite non sono ancora stati sviluppati, e anche usando l'esempio della sezione Gams da noi studiata, è stato dimostrato che le particelle di metallo e le microsfere sono più diverse per forma e composizione rispetto a quanto previsto dalle classificazioni esistenti. La forma sferica quasi perfetta, la lucentezza metallica e le proprietà magnetiche delle particelle sono state considerate come prove della loro origine cosmica. Secondo il geochimico E. V. Sobotovich, “l'unico criterio morfologico per valutare la cosmogeneità del materiale in esame è la presenza di sfere fuse, anche magnetiche”. Tuttavia, oltre alla forma, che è estremamente diversa, la composizione chimica della sostanza è di fondamentale importanza. I ricercatori lo hanno scopertoche insieme alle microsfere di origine cosmica, esiste un numero enorme di sfere di diversa genesi, associate all'attività vulcanica, all'attività vitale dei batteri o al metamorfismo. È noto che le microsfere ferruginose di origine vulcanica sono molto meno spesso di forma sferica ideale e, inoltre, hanno una maggiore mescolanza di titanio (Ti) (oltre il 10%).
Un gruppo di geologi russo-austriaci e una troupe cinematografica della TV di Vienna presso la sezione Gams nelle Alpi orientali. In primo piano - A. F. Grachev
L'origine della polvere cosmica
L'origine della polvere cosmica è ancora in discussione. Il professor E. V. Sobotovich credeva che la polvere cosmica potesse rappresentare i resti della nube protoplanetaria originale, contro la quale B. Yu. Levin e A. N. Simonenko, credendo che la materia sottile non possa persistere per molto tempo (Earth and Universe, 1980, n. 6).
C'è un'altra spiegazione: la formazione di polvere cosmica è associata alla distruzione di asteroidi e comete. Come E. V. Sobotovich, se la quantità di polvere cosmica che entra nella Terra non cambia nel tempo, allora B. Yu. Levin e A. N. Symonenko.
Nonostante il gran numero di studi, la risposta a questa domanda fondamentale non può essere data al momento, perché ci sono pochissime stime quantitative e la loro accuratezza è controversa. Recentemente, i dati degli studi sugli isotopi nell'ambito del programma NASA sulle particelle di polvere cosmica campionate nella stratosfera suggeriscono l'esistenza di particelle di origine pre-solare. Nella composizione di questa polvere sono stati trovati minerali come il diamante, la moissanite (carburo di silicio) e il corindone che, secondo gli isotopi del carbonio e dell'azoto, permettono di attribuire la loro formazione al tempo prima della formazione del sistema solare.
L'importanza di studiare la polvere cosmica in una sezione geologica è ovvia. Questo articolo presenta i primi risultati degli studi sulla materia spaziale nello strato di transizione delle argille al confine Cretaceo-Paleogene (65 milioni di anni fa) dalla sezione Gams, nelle Alpi Orientali (Austria).
Caratteristiche generali della sezione Gams
Particelle di origine cosmica sono state ottenute da diverse sezioni degli strati di transizione tra il Cretaceo e il Paleogene (nella letteratura germanica - il confine K / T), situati nei pressi del villaggio alpino di Gams, dove l'omonimo fiume apre questo confine in più punti.
Nella sezione Gams 1, un monolite è stato tagliato dall'affioramento, in cui il confine K / T è molto ben espresso. La sua altezza è di 46 cm, larghezza - 30 cm nella parte inferiore e 22 cm - nella parte superiore, spessore - 4 cm Per uno studio generale della sezione, il monolite è stato diviso dopo 2 cm (dal basso verso l'alto) in strati designati da lettere dell'alfabeto latino (A, B, C … W), e all'interno di ogni strato, anche dopo 2 cm, viene eseguita una marcatura con numeri (1, 2, 3, ecc.). Lo strato di transizione J all'interfaccia K / T è stato studiato più in dettaglio, dove sono stati distinti sei sottolivelli con uno spessore di circa 3 mm.
I risultati della ricerca ottenuti nella sezione Gams 1 sono stati ampiamente ripetuti nello studio di un'altra sezione - Gams 2. Il complesso di studi includeva lo studio di sezioni sottili e frazioni monominerali, la loro analisi chimica, nonché analisi di fluorescenza a raggi X, attivazione neutronica e analisi strutturale a raggi X, isotopica analisi di elio, carbonio e ossigeno, determinazione della composizione dei minerali su microsonda, analisi magnetomineralogiche.
Varietà di microparticelle
Microsfere di ferro e nichel dallo strato di transizione tra il Cretaceo e il Paleogene nella sezione Gams: 1 - Microsfera di Fe con superficie reticolare-tuberosa grossolana (parte superiore dello strato di transizione J); 2 - Microsfera di Fe con superficie ruvida longitudinalmente parallela (la parte inferiore dello strato di transizione J); 3 - Microsfera di Fe con elementi di sfaccettatura cristallografica e tessitura superficiale a maglia grossolana (strato M); 4 - Microsfera di Fe con superficie a maglia sottile (parte superiore dello strato di transizione J); 5 - Microsfera di Ni con cristalliti in superficie (parte superiore dello strato di transizione J); 6 - aggregato di microsfere di Ni sinterizzate con cristalliti in superficie (parte superiore dello strato di transizione J); 7 - aggregato di microsfere di Ni con microdiamanti (C; parte superiore dello strato di transizione J); 8,9 - forme caratteristiche delle particelle metalliche dello strato di transizione tra Cretaceo e Paleogene nella sezione Gams nelle Alpi Orientali.
Nello strato argilloso di transizione tra i due confini geologici - Cretaceo e Paleogene, nonché a due livelli nei sedimenti sovrastanti del Paleocene nella sezione Gams, sono state trovate molte particelle metalliche e microsfere di origine cosmica. Sono molto più vari per forma, tessitura superficiale e composizione chimica di tutti finora conosciuti negli strati di argilla di transizione di questa età in altre regioni del mondo.
Nella sezione Gams la materia spaziale è rappresentata da particelle finemente disperse di varie forme, tra le quali le più comuni sono le microsfere magnetiche di dimensioni comprese tra 0,7 e 100 μm, costituite per il 98% da ferro puro. Tali particelle sotto forma di sfere o microsfere si trovano in gran numero non solo nello strato J, ma anche sopra, nelle argille del Paleocene (strati K e M).
Le microsfere sono composte da ferro puro o magnetite, alcune delle quali contengono cromo (Cr), una lega di ferro e nichel (avaruite) e nichel puro (Ni). Alcune particelle di Fe-Ni contengono impurità di molibdeno (Mo). Nello strato di transizione di argilla tra il Cretaceo e il Paleogene, furono tutti scoperti per la prima volta.
Mai prima d'ora ci siamo imbattuti in particelle con un alto contenuto di nichel e una significativa miscela di molibdeno, microsfere con presenza di cromo e pezzi di ferro a spirale. Oltre a microsfere e particelle di metallo, nello strato di argilla di transizione di Gams sono stati trovati spinello di Ni, microdiamanti con microsfere di Ni puro, nonché piastre lacerate di Au, Cu, che non si trovano nei depositi sottostanti e sovrastanti.
Caratteristiche delle microparticelle
Le microsfere metalliche nella sezione Gams sono presenti a tre livelli stratigrafici: particelle ferruginose di varia forma sono concentrate nello strato argilloso di transizione, nelle arenarie a grana fine sovrastanti dello strato K, e il terzo livello è formato dai siltiti dello strato M.
Alcune sfere hanno una superficie liscia, altre hanno una superficie nodosa a reticolo, altre sono ricoperte da una maglia di piccole poligonali o da un sistema di fessure parallele che si estende da una fessura principale. Sono cavi, simili a conchiglie, pieni di minerali argillosi e possono anche avere una struttura concentrica interna. Le particelle di metallo Fe e le microsfere si trovano in tutto lo strato di argilla di transizione, ma sono concentrate principalmente negli orizzonti inferiore e medio.
Le micrometeoriti sono particelle fuse di ferro puro o di una lega ferro-nichel Fe-Ni (avaruite); le loro dimensioni vanno da 5 a 20 micron. Numerose particelle avaruite sono confinate al livello superiore dello strato di transizione J, mentre le particelle ferruginose pure sono presenti nelle parti inferiore e superiore dello strato di transizione.
Le particelle sotto forma di piastre con una superficie tuberosa incrociata sono costituite solo da ferro, la loro larghezza è di 10–20 µm e la loro lunghezza è fino a 150 µm. Sono leggermente arcuate e si incontrano alla base dello strato di transizione J. Nella sua parte inferiore si incontrano anche piastre Fe-Ni con una miscela di Mo.
Le lastre realizzate in una lega di ferro e nichel hanno forma allungata, leggermente ricurva, con scanalature longitudinali sulla superficie, le dimensioni variano in lunghezza da 70 a 150 micron con una larghezza di circa 20 micron. Sono più comuni nelle parti inferiore e centrale dello strato di transizione.
Le piastre ferruginose con scanalature longitudinali sono identiche per forma e dimensioni alle piastre in lega Ni-Fe. Sono limitati alle parti inferiore e centrale dello strato di transizione.
Particolarmente interessanti sono le particelle di ferro puro, che hanno la forma di una spirale regolare e sono piegate a forma di uncino. Sono costituiti principalmente da Fe puro, raramente è una lega Fe-Ni-Mo. Particelle di ferro avvolte si trovano nella parte superiore dello strato J e nell'intercalare di arenaria sovrastante (strato K). Una particella elicoidale Fe-Ni-Mo è stata trovata alla base dello strato di transizione J.
Nella parte superiore dello strato di transizione J erano presenti diversi granuli di microdiamanti sinterizzati con microsfere di Ni. Studi di microsonda di sfere di nichel, condotti su due strumenti (con spettrometri a onda e dispersione di energia), hanno mostrato che queste sfere sono costituite da nichel quasi puro sotto una sottile pellicola di ossido di nichel. La superficie di tutte le sfere di nichel è punteggiata da cristalliti chiari con gemelli pronunciati di 1–2 µm. Tale nichel puro sotto forma di sfere con una superficie ben cristallizzata non si trova né nelle rocce ignee né nei meteoriti, dove il nichel contiene necessariamente una quantità significativa di impurità.
Nello studio del monolite dalla sezione Gams 1, le sfere di Ni pure sono state trovate solo nella parte più alta dello strato di transizione J (nella sua parte più alta - uno strato sedimentario molto sottile J 6, il cui spessore non supera i 200 μm), e secondo i dati dell'analisi magnetica termica, il nichel metallico è presente in livello di transizione, a partire dal sottolivello J4. Qui, insieme alle palline Ni, sono stati trovati anche diamanti. In uno strato rimosso da un cubo con un'area di 1 cm2, il numero di grani di diamante trovati è nelle decine (con una dimensione da frazioni di micron a decine di micron) e palline di nichel della stessa dimensione - in centinaia.
In campioni della parte superiore dello strato di transizione prelevati direttamente dall'affioramento, sono stati trovati diamanti con piccole particelle di nichel sulla superficie del grano. È significativo che durante lo studio di campioni da questa parte dello strato J, sia stata rilevata anche la presenza del minerale moissanite. In precedenza, sono stati trovati microdiamanti nello strato di transizione al confine Cretaceo-Paleogene in Messico.
Trova in altre aree
Le microsfere Gams con una struttura interna concentrica sono simili a quelle estratte dalla spedizione Challenger nelle argille di acque profonde dell'Oceano Pacifico.
Le particelle di ferro di forma irregolare con bordi fusi, così come sotto forma di spirali e ganci e piastre ricurve sono molto simili ai prodotti della distruzione dei meteoriti che cadono sulla Terra, possono essere considerati come ferro meteorico. Particelle di avaruite e nichel puro possono essere assegnate alla stessa categoria.
Le particelle di ferro curve sono vicine a varie forme di lacrime di Pelé: gocce di lava (lapilli), che i vulcani espellono dalla bocca durante le eruzioni allo stato liquido.
Pertanto, lo strato di argilla di transizione a Gams ha una struttura eterogenea ed è chiaramente suddiviso in due parti. Particelle di ferro e microsfere prevalgono nella parte inferiore e centrale, mentre la parte superiore dello strato si arricchisce di nichel: particelle avaruite e microsfere di nichel con diamanti. Ciò è confermato non solo dalla distribuzione delle particelle di ferro e nichel nell'argilla, ma anche dai dati delle analisi chimiche e termomagnetiche.
Il confronto dei dati dell'analisi termomagnetica e dell'analisi con microsonda indica un'estrema eterogeneità nella distribuzione del nichel, del ferro e della loro lega all'interno dello strato J; tuttavia, secondo i risultati dell'analisi termomagnetica, il nichel puro viene registrato solo dallo strato J4. Degno di nota è il fatto che il ferro elicoidale si trova principalmente nella parte superiore dello strato J e continua a verificarsi nello strato K sovrastante, dove però sono presenti poche particelle Fe, Fe-Ni isometriche o lamellari.
Sottolineiamo che una differenziazione così netta in ferro, nichel e iridio, manifestata nello strato di argilla di transizione in Gams, è presente anche in altre regioni. Ad esempio, nello stato americano del New Jersey, nello strato sferulico di transizione (6 cm), l'anomalia dell'iridio si è manifestata bruscamente alla sua base ei minerali da impatto sono concentrati solo nella parte superiore (1 cm) di questo strato. Ad Haiti, al confine Cretaceo-Paleogene e nella parte più alta dello strato sferico, c'è un forte arricchimento in Ni e quarzo shock.
Fenomeno di fondo per la Terra
Molte caratteristiche delle sferule Fe e Fe-Ni trovate sono simili alle palline scoperte dalla spedizione Challenger nelle argille di acque profonde dell'Oceano Pacifico, nell'area della catastrofe di Tunguska e nei siti di caduta del meteorite Sikhote-Alin e del meteorite Nio in Giappone, nonché in rocce sedimentarie di varie epoche da molti aree del mondo. Oltre alle regioni della catastrofe di Tunguska e della caduta del meteorite Sikhote-Alin, in tutti gli altri casi la formazione non solo di sferule, ma anche di particelle di varia morfologia, costituite da ferro puro (a volte con contenuto di cromo) e una lega di nichel con ferro, non ha alcuna relazione con l'evento di impatto. Consideriamo l'aspetto di tali particelle come risultato della polvere interplanetaria cosmica che cade sulla superficie terrestre, un processo che è in corso dalla formazione della Terra ed è una sorta di fenomeno di fondo.
Molte delle particelle studiate nella sezione Gams sono simili per composizione alla composizione chimica in massa della materia meteorica nel sito della caduta del meteorite Sikhote-Alin (secondo E. L. Krinov, questo è 93,29% di ferro, 5,94% di nichel, 0,38% di cobalto).
La presenza di molibdeno in alcune particelle non è inaspettata in quanto include molti tipi di meteoriti. Il contenuto di molibdeno nei meteoriti (ferro, pietra e condriti carboniose) varia da 6 a 7 g / t. Il più importante è stato il ritrovamento della molibdenite nel meteorite di Allende sotto forma di inclusione nella lega di un metallo della seguente composizione (% in peso): Fe - 31,1, Ni - 64,5, Co - 2,0, Cr - 0,3, V - 0,5, P - 0,1. Va notato che molibdeno e molibdenite nativi sono stati trovati anche nella polvere lunare campionata dalle stazioni automatiche Luna-16, Luna-20 e Luna-24.
Le prime sfere scoperte di nichel puro con una superficie ben cristallizzata non sono note né nelle rocce ignee né nei meteoriti, dove il nichel contiene necessariamente una quantità significativa di impurità. Una tale struttura della superficie delle sfere di nichel potrebbe sorgere in caso di caduta di un asteroide (meteorite), che ha portato al rilascio di energia, che ha permesso non solo di fondere il materiale del corpo in caduta, ma anche di evaporarlo. I vapori metallici potrebbero essere stati sollevati dall'esplosione a una grande altezza (probabilmente decine di chilometri), dove è avvenuta la cristallizzazione.
Particelle composte da avaruite (Ni3Fe) sono state trovate insieme a sfere metalliche di nichel. Appartengono alla polvere meteorica e le particelle di ferro fuse (micrometeoriti) dovrebbero essere considerate come "polvere meteorica" (nella terminologia di EL Krinov). È probabile che i cristalli di diamante incontrati insieme alle sfere di nichel siano sorti come risultato dell'ablazione (fusione ed evaporazione) di un meteorite dalla stessa nuvola di vapore durante il suo successivo raffreddamento. È noto che i diamanti sintetici sono ottenuti per cristallizzazione spontanea da una soluzione di carbonio in un metallo fuso (Ni, Fe) sopra la linea di equilibrio grafite - fase diamante sotto forma di cristalli singoli, loro intercrescenze, gemelli, aggregati policristallini, cristalli di cornice, cristalli aghiformi, grani irregolari. Quasi tutte le caratteristiche tipomorfe elencate dei cristalli di diamante sono state trovate nel campione studiato.
Questo ci permette di concludere che i processi di cristallizzazione del diamante in una nuvola di vapore di nichel-carbonio durante il suo raffreddamento e la cristallizzazione spontanea da una soluzione di carbonio in una fusione di nichel negli esperimenti sono simili. Tuttavia, la conclusione finale sulla natura del diamante può essere fatta dopo studi isotopici dettagliati, per i quali è necessario ottenere una quantità di sostanza sufficientemente grande.
Pertanto, lo studio della materia spaziale nello strato di argilla di transizione al confine Cretaceo-Paleogene ha mostrato la sua presenza in tutte le parti (dallo strato J1 allo strato J6), ma i segni di un evento di impatto sono registrati solo dallo strato J4, che ha 65 milioni di anni. Questo strato di polvere cosmica può essere paragonato alla morte dei dinosauri.
