Кора на топене при метеоритите

Кората на топене при метеоритите е била обект на интерес много от отдавна. Описанието на екстериора на метеорен камък като „тъмно черен на цвят, груб, неравномерен с изпъкнали краища“ е дадено около 275 г. сл. Хр. От нубийския оратор Арнобий Старейшина. Подобни описания са предоставени между другото от гръцкия историк Herodian (170-240 г.) от черния, вероятно ориентиран, метеорен камък на Elagabalus.

Чрез описването на небесния пратеник, на огненото спускане на земята, древните са тълкували правилно черното покритие върху метеоритните камъни.

Прочетете още…

Първите подробни и сравнителни изследвания на кората на топене, към които по-късно се присъединиха и произведенията на Chladni (1819), Цермак (1885) и Brezina, дължахме на Scherer и Schreibers (1809). Оттогава всеки основен изследовател в тази област се е занимавал с въпроса поне незначително.

Buchwald представил изчерпателно проучване на кората на топене на железни метеорити (1975). Ramdohr (1967) и по-наскоро Genge и Grady (1999) разкриха подробни микроскопски изследвания и изследвания чрез микро сонда. Все пак, погрешните схващания за кората на топене са доста чести в популярните медии и в Интернет, което е причина да се опитаме да представим кратко илюстрирано въведение в кората на топене и нейната обща морфология.

ФОРМИРАНЕ

Кора на топене или синтез кора е тънък разтопен повърхностен слой от термично трансформирани компоненти на метеорита. При каменните метеорити той се състои основно от оливин, стъкло, wuestite и други железни оксиди от серията магнетити и рядко надвишава дебелина 1мм. При железните метеорити тя е почти изцяло съставена от магнетит и е дори по-фина, често по-малка от ¼мм.

Кората на топене се образува, когато метеороидите навлизат в газовата атмосфера на нашата планета при скорости между 15 и 70 километра в секунда. Това е достатъчно бързо, за да пресече северноамериканския континент от изток на запад в рамките на 4 до 5 минути. Можем да си представим огромната предна вълна на сгъстен въздух, която се създава от тези космически ракети.

На височина от около 70 километра, където въздухът е по-малък от 1 процента, толкова гъста, колкото и на морското равнище, атмосферата започва да забавя метеороида. На този етап метеороидът вече е компресирал вълна въздух пред него. Колкото по-дълбоко космичната скала прониква във все по-гъстата атмосфера, толкова повече вълната от въздух в нейната траектория се компресира и се увеличава температурата.

В края на краищата горещият въздух причинява топенето на екстериора на метеороида. При температури около 1500° C, астероидните литологии оказват малко съпротивление. След като стопилката стане течна, тя веднага се отнема в газовия и плазмения поток и нов материал се стапя отново под него.

В този процес на аблация, в зависимост от ъгъла на влизане, входящата скорост и минералния състав, метеорoидът може да згуби до деветдесет процента от първоначалната си маса. Противно на широко разпространеното вярване, вътрешната част на метеороида не се влияе от температурата породена от процеса на аблация, тъй като топлината моментално се отвежда с течната стопилка в газовия поток.

ПРОЦЕС НА АБЛАЦИЯ

На този етап от горещата аблация, оригиналната форма на метеороида се променя. Поради неравномерната си форма повечето метеороиди се въртят или падат неконтролируемо по време на полета си.

В този случай цялата повърхност се отстраняват повече или по-малко равномерно. Освен ако метеороидът не се апелира към аеродинамична форма и развие стабилен полет, само нехомогенностите в неговия минерален състав предизвикват локални разлики в степента на аблация. Компонентите със сравнително по-ниска точка на топене, като например тролит, са склонни да се стопят много по-бързо от бедния на желязо оливин (olivine), например.

Богатите на калций литологии се разтопяват още по-бързо. След като аблативният процес достигне агрегати с по-ниска точка на топене, се образуват малки канали и трапчинки, които на свой ред предизвикват микро турболенции, които издълбават още повече тези вдлъбнатини. Получените канали се наричат регмаглипти – regmaglypts.

ВТВЪРДЯВАНЕ

След като атмосферата на Земята забави метеороида ни до точката, в която няма топене, то навлиза в тъмния и студен стадий на полета си. Сега е дошъл моментът, когато се формира синтез кората. Когато последната стопилка се охлади, тънкото, често стъклено и тъмно покритие се втвърдява: така наречената кора на топене. По този начин синтезната кора е моментна снимка на конкретен момент от морфологичната формация на метеороида, замразена във времето.

СИНТЕЗНИ СТРУКТУРИ

В някои случаи, синтезните кори развиват фини линии на втвърдена стопилка. Те се наричат поточни линии и обикновено сочат към страната на метеорита, представляваща повърхността, насочена настрани от посоката на полета в момента на охлаждане на кората. Понякога метеоритната повърхност показва капчици с разкъсване, които също сочат в тази посока. Противно на поточните линии, те се образуват от материал, който е отстранен от повърхността и впоследствие е захванат отново от въртящия се метеорит.

На други места, особено на задната страна, на фланговете и на части, защитени от въздушния поток, стопеният материал се натрупва и образува локални ръбове или наслагвания с по-дебела кора. Те се намират най-вече по ръбовете на повърхности, които се отклоняват от посоката на полета. Тези ръбове могат да оформят пълната траектория на метеорита и могат да се нарекат преобръщане на ръбовете. Те се образували като полутечна стопилка, която се търкаляла над ръба и се втвърдявала в течението на газовия поток.

Ако течният материал се улавя и блокира, и не може да избяга с газовия поток, той образува дебели хребети или запълва кухините. При определени условия, разтопеният материал се натрупва на отсрещната, задна страна на метеороидите със стабилни летателни нагласи и образува няколко слоя един върху друг. В екстремни случаи тези мегакрити могат да достигнат дебелина от 1 см и повече. Фрагментите, възстановени от основната маса на падащия метеорит Тамдахт (Buhl, et all., 2009), предоставят доказателства за този рядък феномен.

Характерни ръбове, известни от австралийските тектити, все още не са наблюдавани при метеоритите. Според Ramdohr (1967) това се дължи на относително ниския вискозитет на базовите метеоритни стопилки, в сравнение с високото съдържание на силициев диоксид при австралийските тектити.

РАЗПЕНВАНЕ И ВЕЗИКУЛИ

Метеороидите със стабилни полети развиват висок вакум в тяхната задна страна. Вакумът благоприятства интензивното обезгазяване на летливи елементи, които от своя страна произвеждат везикули и понякога по-големи мехурчета или везикули във външната кора. Колкото по-дълго метеороидът поддържа стабилен полет, толкова по-интензивен е процесът на дегазация и произтичащото от него образуване на пяна.

Макар, че е най-често срещан на края на метеоритите със стабилни летателни нагласи, образуването на мехурчета и по-големи везикули не се ограничава до тези. Насилственото освобождаването, например, на сяра от троилит, Н₂О от серпентинит (в въглеродните хондрити) или освобождаването на СО₂ при изгарянето на графит може да доведе до образуване на мехурчета в области, където ще се очакват по-малко: например на предната част на екземпляра.

КОНТРАКЦИОННИ ПУКНАТИНИ

Докато продължава да пада към ниските части на нашата атмосфера, метеороидът среща ниски температури, често под точката на замръзване. Това води до по-нататъшно свиване на току-що охладената синтезна кора. Формира се скреж върху метеороида; при специални условия може дори да развие слой лед. Термичните натоварвания, предизвикани от ниските температури, често водят до малки пукнатини в сърцевината. Тези деликатни структури приличащи на повърхността на замръзнало езеро се наричат контракционни пукнатини или пукнатини при свиване.

ЦВЯТ

Цветът на кората на топене върху каменните метеорити обикновено е черен. Нюансите обаче варират от стъкловидно черно при базовите ахондрити (с везикули като на лунните mare basalts) до мътно сивкаво черно с нюанси на богато или светло кафяво върху обикновените хондрити.

Пенливи, прозрачни, маслинено-зелени (olive-green), както на анореотичните лунни метеорити (anorthositic lunar highland), или ярките белезникави и пепелни цветове, например при аубритите, са редки изключения. Тънките синтезни кори на железните метеорити показват синьо-черно, често променящо се в темперирани цветове. Най-общо, цветът на кората на топене е основна функция на съдържанието на желязо, минералогичния състав на метеорита и диапазона на температурите на топене и последващия вискозитет на стопилката върху повърхността на метеорита (Schneider et al., 2000).

Често прясно падналите хондрити показват по-скоро черна синтезна кора от едната страна и по-кафяв цвят на кората от другата страна. Това не е ефект на атмосферни влияния. Цветовите разлики се дължат на измененията в съдържанието на магнетит в кората на противоположните страни. Те, от своя страна, се контролират от доставката на атмосферен кислород и температурата на окислителния процес. Високият вакум на отсрещната страна, например, намалява или блокира доставката на атмосферен кислород за реакцията.

ПЪЛНО РАЗВИТИЕ НА КОРАТА

Метеороидите, особено тези от камък и каменно-железен състав, не са много добре устроени, за да издържат на огромния механичен стрес на атмосферните влияния. Те често се разпадат на облаци от фрагменти, които продължават своите индивидуални траектории. Значителен процент от масата на тялото се превръща в метеоритен прах по време на тези разпадания. Фрагментиращите събития не се ограничават до горещата фаза на полета и могат да се появят в последствие по време на пълната траектория до удара.

Проби, пресичащи земната атмосфера като едно парче, развиват доста дебела сливаща кора и висока степен на повърхностна аблация. Фрагментациите, настъпили в по-късните стадии на горещия полет, създават екземпляри, които показват много по-малка степен на аблация. Те често се покриват само непълно или с изключително тънък слой кора. Понякога те показват само умерено отлагане на кората.

Множествените падания, пристигащи във формата на стотици или хиляди екземпляри на земята (разпаднал се на много фрагменти метеорит), показва различни преходни и междинни форми. Колекторите и изследователите се опитват да категоризират различните степени на синтезна кора, като ги адресират като първична , вторична и третична коричка . Това дава съвършенна насока, ако на няколко повърхности на един разпаднал се образец се наблюдават няколко степени на кора. Но трябва да се знае, че последователните фрагментации създават течен спектър от постепенно намаляващи проявления на синтезната кора. Ако сравняваме екземпляри с множество падания, предлагаме да се обърнем към определена степен на синтезна кора, като се позовем на времето, когато кората се формира в зависимост от прогреса на полета на метеорита.

ВЪТРЕШНИ И ВЪНШНИ СЛОЕВЕ НА КОРАТА НА ТОПЕНЕ

Както демонстрират Ramdohr (1967) и по-късно Genge и Grady (1999), синтезната кора не е хомогенен слой, и може да бъде разделена на външна кора и вътрешен слой.

Докато външната кора при каменните метеорити се състои от напълно разтопени продукти от оригиналната литология на метеорита, вътрешният слой (наречен субстрат в номенклатурата на Genge) е имал по-ниска степен на топене и е доминиран от силикатни стъклени вени и сулфидни капчици.

Морфологично външната кора съдържа голямо количество много малки везикули, от които най-външните се отварят към повърхността. Тези везикули могат да съставляват до 50% от външната кора. Вътрешният слой или субстратът е доста компактен и се пресича от метални вени и капчици. Под субстрата минералогията на метеорита не се променя от топлината, генерирана при преминаването през атмосферата.

Поради по-добрата им топлинна проводимост метеоритите от желязо обикновено притежават зона, показваща термично изменена кристална структура под техните синтезни кори. Тази топлинно засегната зона се нарича α₂-zone и може да достигне като дълбочина до 2 cm в метеорита.

РАЗДРОБЯВАНЕ ПО ВРЕМЕ НА ПОЛЕТ

Съществува и друга характеристика, характерна за синтезните кори, която рядко се разглежда в литературата. Особено тези метеорити с много дебела синтезна кора от 1 mm или повече, често имат празни петна без кората. CV3 chondrite Allende е добре известен пример. Тези голи петна често се появяват на изпъкналости и фланки на образеца, но те се появяват и върху плоски повърхности. Отстраняването не е резултат от въздействието върху метеорита.

Всъщност, по-голямата част от изгарянето се случва по време на полет. Други доказателства за изхвърляне на кората на топене по време на полет на метеороид са зоните, които са без коричка, които носят следи от утаяване, добър знак, че падането на кората е настъпило в последния етап на горещия полет.

В зависимост от формата на повърхността на метеороида, неговата топлинна проводимост, дебелината на кората, състава и размера на зърната на основната минерална матрица и температурния градиент, който метеорията среща по време на неговото падане, адхезията, с която кората се придържа към метеороида варира. По този начин се получава, че парчета от коричката се отделят от метеороида чрез атмосферно влачене във въздушния поток. Както посочи Рамдохр (1967), тънката магнетитна синтез кора на железните метеорити е особено податлива на изгаряне по време на полет.

ПОВЪРХНОСТНА ЕРОЗИЯ – SURFACE WEATHERING

И накрая, нашият метеороид удря земята и по този начин става така наречения метеорит. Често синтезната кора е повредена от удара. Обикновени полепи или прилепнали почвени материали ще бъдат бъдещи изходни пунктове за атмосферни влияния. В зависимост от твърдостта на целевата повърхност и поради ниските скорости на удара е възможно кората на топенето да остане непокътната. От големите метеорити които са паднали: Pultusk, Chelyabinsk, Mocs, Millbillillie, Camel Donga, Gao, Bassikounou и Chergach например, много от които са известни, изобщо нямат отчупена кора. След като падне върху земната повърхност, синтезната кора защитава метеорита от последиците от земното оросяване. Едновременно с това тя е най-изложената част от метеорита и всъщност много уязвима част.

Ако се извърши проверка на синтезната кора на каменен метеорит, намерен часове или дни след неговото падане, ще откриете нарушена, груба и туберкуларна структура, която предпазва изложената на открито метеоритна  повърхност за атаките на химически и механични атмосферни влияния. Грубата структура на синтез кората има тенденция да свързва замърсители като калциеви карбонати, глинести частици, агрегати на прах от рода на вятъра и росата. Независимо от относителната си твърдост, липсата на плътност го прави лесна плячка за изветряне чрез вятърни ледени кристали или солеви пясъчни зърна.

КОРАЗИЯ

Освен окисляването, един от първите видими ефекти от атмосферното влияния върху метеоритите в сухите среди с обилен кварцово пясък е лек лак или блясък, причинен от saltation.

(saltation – движението на твърди частици като пясък върху неравна повърхност в турбулентен поток от въздух или вода. Еродираната утайка може да бъде транспортирана чрез пълзене, изгаряне или суспензия и където има много фина почва или утайка, могат да се получат облаци от прах)

Непрекъснатото въздействие на кварцовите зърна ерозира външния везикуларен слой на кората. Докато основата на субстрата все още е на мястото си, тънкият груб текстуриран горен слой се абсорбира до известна степен от пясъка, пренасян от вятъра. Процес, известен също като коразия. В райони с изобилие от кварцов пясък този ефект може да се появи след няколко месеца.

Метеоритите в студена среда са податливи на подобен бърз метод на коразия. Независимо от честото си дълго пребиваване на Земята преди да бъдат открити, много антарктически находки показват доста свеж интериор, докато външността им е силно одраскана от ветрови ледникови кристали до дълбочина от 1см. и повече. След като кората е изчезнала на места, развиващите се голи пластири функционират като порти за достъп на ерозиращи частици. Често матрицата на метеорита е дълбоко издълбана между и дори под пластири от непокътната повърхност породени от удар с ледени кристали или кварцови зърна.

ДРУГИ МЕХАНИЧНИ И ХИМИЧЕСКИ ВЪЗДЕЙСТВИЯ

Температурният градиент на мястото на падане на метеорита е друг важен фактор за запазването на синтезната кора. Големи различия между дневните и нощните температурни пикове ще увеличат напрежението, и че причинят отделяне между вътрешността на метеорита и неговата синтезна кора, защото всеки от тях има различен коефициент на разширение и свиване. В крайна сметка индуцираното отделяне води до по-нататъшно олющване на кората.

В същото време, кората на топене е подложена на химически атаки отвън и отвътре. Основните химически атмосферни реакции, протичащи при метеорит, изложен на атмосферата са окисляване, хидратация и последващо разрушение.

Влажността прониква в метеорита чрез пукнатини и фрактури. Влажността ще разтваря наличните хлориди (в замяна на OH) и ще ги разпространява във метеорита. Развитие на Fe(II) хлорид (FeCl₂) окисляващ се допълнително до Fe(III) хлорид (FeCl₃) и заедно с водата образува солна киселина, която атакува метеорита още повече. Окисляването на желязото на метеорита води до локално разширяване обема си. Ако това се случи близо до повърхността му, това ще доведе до лющене на кората.

Докато желязото в метеорита се окислява до нови атмосферни минерали като гьотит, минерали като оливин, пироксен и фелдшпат се превръщат в глинести комбинации. Докато оливинът (olivine) е най-податливи на промяна feldspar предлага най-трайна съпротива. В прогресивно състояние (W2-W3) тези ефекти водят до по-скоро кафяв цвят на метеорита на интериора и екстериора. Понякога, както при много находки от пустините в Оман, се получава излугване на разтворени оксиди, което води до нарастващи ръждиви отлагания отвън.

ЕРОЗНИ ПУКТНАТИНИ

Ако са изложени на атмосферата от дълго време, метеоритите често развиват дълбоки пукнатини причинени от атмосферни влияния. Причинени от увеличаването на обема на окисленото желязо, тези пукнатини произхождат от вътрешността на метеорита. Противоположно на пукнатините на свиването, те пресичат целия метеорит, осигурявайки по-нататъшен достъп до влага и разтварящи агенти, като по този начин допринасят за още по-бърза промяна на литологията на метеорита. Рано или късно тези пукнатини ще доведат до пълна фрагментация на откритата маса.

ПОВЪРХНОСТНО И ПОДПОВЪРХНОСТНО ИЗВЕТРЯНЕ (ЕРОЗИЯ)

Скоростта и интензитетът, в които тези ефекти се проявяват, варират значително и до голяма степен зависят от геоложките и климатичните условия. Типът на атмосферния ефект, който се развива на повърхността на метеорита, също зависи от процента на контакт с почвата. Независимо от климатичната среда, части от метеорита, заровени в почвата, са склонни да ерозират химически много по-интензивно и бързо от тези части, които са изложени над повърхността. От друга страна, заровените части на метеорит са защитени от механична абразия. Особено в сухите среди практически няма движение на абразивни частици в почвата. По този начин метеоритите, паднали преди хилядолетия, често показват добре запазени външни термични коруни върху вложените им части.

Wlotzka et al (1993, 1995) разработи мащаб на ефектите от атмосферни влияния, наблюдавани в полирани тънки срезове на метеорити. Тяхната ветрова скала е относителна, тъй като не се твърди, че съществува универсална корелация между времето на престой на метеорита и неговото състояние причинени от атмосферните влияния. По този начин степента на атмосферни влияния по никакъв начин не е подходящ инструмент, от който да се извлече състоянието или дори наличието на синтезна кора на даден образец. L5 chondrite Tsarev, който падна през декември 1922 г., е добър пример. Въпреки, че падането му се е случило в последно време, образците, открити от 1978 г. насам, показват корозия, съставена от земни минерали, които са заменили повечето, ако не всичко, с оригиналната кора на топене.

За разлика от SAU 001 споменати по-горе, други метеорити с ниско изветряне като W1 (напр. NWA 5910 и NWA 5923) изобщо не показват никаква кора поради силното външно атмосферно влияние. Същото важи и за някои метеорити със степен на атмосферно влияние W2, от които много изобщо не показват визуално разпознаваема коричка, докато други показват, че все още тя е на мястото си. По този начин е очевидно, че степента на атмосферни влияния не е сигурен индикатор, който да определи дали можем да очакваме цялостна синтезна кора върху метеорит или не.

ЗЕМНИ ИЗМЕНЕНИЯ ПРИ ЕРОЗИЯ

Силно износените или ерозирали метеорити често имат дебели кори, съставени от оксиди и сухоземни минерали, които напълно заменят кората на топене. За да може да се говори за остатъци от синтез кора, нарязаната или счупена повърхност на даден метеорит трябва да показва най-малко основата на външната кора. Когато вече няма разлика в цвета, структурата и композицията между фино облицования външен ръб и вътрешната матрица, е доста безопасно да се каже, че синтезната кора е изчезнала. Ако все още има деликатно покритие, покриващо назъбените и неравномерни повърхности, и ако това покритие е гладко, блестящо, безцветно и светло до тъмнокафяво, както може да се види на много NWA, вие почти със сигурност гледате слой пустинен лак.

ПУСТИНЕН ЛАК И ПОКРИТИЕ ОТ CALICHE (КАЙСИ)

Пустинният лак или пустинната патина е тънка и лъскава тъмно кафява до черно покритие, която се образува на повърхности в суха и полу-суха среда и се състои предимно от глинести минерали. Последните съдържат повече от 70 процента лак, като силикатът е най-важно изразения минерал. Железните и мангановите оксиди образуват по-голямата част от остатъка и се разпръскват равномерно в целия глинен слой. Пустинният лак се разпознава от липсата на текстура и полу-непрозрачната му гладкост и блясък. Обикновено при метеоритите дебелината му е по-малка от 0.25мм.

Ако метеоритът покаже кафяво, сиво или бляскаво покритие, което може да се разтваря в киселина, кората на топене е заместена или обогатена с глинести минерали или кайси – Caliche. Caliche се състои от слоеве от закален калциев карбонат, който се образува от минерали, излужени от горния слой на почвата, и който прилепва към контактните повърхности.

Caliche – минерален слой от чакъл, пясък и нитрати, намиращи се предимно в сухите райони на Южна Америка. Депозити от кайси, суров минерален конгломерат от соли, включително нитрати.

При индивидите често няма отлепена повърхност, която да сравнява матрицата и външното покритие. Но почти всички метеорити, които са изложени до известна степен на атмосферни влияния, показват повредени повърхности, които се разпознават от по-грубата текстура, отколкото повърхностите, получени в резултат на аблацията. Ако няма разлика в цвета между тези и вторичните повърхности, това е знак, че пясъчното полиране и формирането на пустинен лак е вече в напреднало състояние.

И ако не може да се определи нито текстурален остатък, нито композиционна разлика между покритието и интериора на образеца от дългите излагания на въздух, може да се твърди, че кората на топене е изчезнала напълно. Тези метеорити често показват пълно заместване на тролит с железен сулфат и пълно разтваряне на всички други първични метали. Степента на атмосферно въздействие на такъв материал би била най-малко W4.

Дори ако все още може да има останки от субстрата на синтезната кора, скрита под високо оксидирания шистов или извертял слой, няма начин да се нарече този метеорит „fusion crusted“ – покрит с кора на топене метеорит. Ако външното видимо покритие на метеорит е кора в следствие на земните атмосферни влияния, трябва да се запише точно това, когато се описва метеорит.

COPYRIGHT METEORITE RECON 2002 – 2018

Източник: www.meteorite-recon.com

Със любезното разрешение на http://www.meteorite-recon.com/