Алексей Федькин и Лоуренс Гроссман (Lawrence Grossman) из Чикагского университета (США) предложили новое объяснение для загадки хондр — быстро затвердевших капель расплавленных силикатов, составляющих основной компонент метеоритов хондритного типа.

Ранняя Солнечная система по-прежнему во многом остаётся для нас загадкой, но прогресс в её понимании налицо. (Здесь и ниже иллюстрации Steven Simon, NASA / JPL-Caltech / T. Pyle, SSC.) Казалось бы, с момента их первого описания в 1877 году природа хондр была ясна. Но вот вопрос: что могло быстро охладить капли расплавленных силикатов в космосе, в том самом протопланетном облаке, из которого четыре с половиной миллиарда лет назад образовались и Солнечная система, и хондритные метеориты?

В этом процессе теоретически должно быть по меньшей мере два этапа: сначала вещество протопланетного диска должно охладиться, чтобы сконденсироваться и стать твёрдым, а затем нагреться — чтобы расплавиться с последующим быстрым охлаждением. Процессы эти в такой последовательности не так-то просто объяснить, особенно с учётом того, что они были характерны сразу для всего региона формирования хондр, то есть носили всесистемный характер.

Отдельная хондра под микроскопом.Ещё хуже то, что в составе хондр часто находят оксиды железа. А они, вообще говоря, могут сформироваться только при относительно низкой температуре. Куда более низкой, чем та, при которой кремний и магний могли реагировать, образуя оливин и другие компоненты хондр. Тут и диффузия не поможет: слишком много времени понадобилось для того, чтобы добиться наблюдаемой концентрации окислов железа в хондрах.

Теория Федькина и Гроссмана, в принципе, объясняет эти довольно загадочные события. В центрах кристаллов хондр часто находят натрий. Когда оливин затвердевал в кристаллах при температуре примерно 2 000 К, бóльшая часть натрия испарялась, но какое-то количество в самом центре оставалось. Однако, по расчётам, общий объём натрия был таков, что при формировании хондр испарялось не более 10% его массы.

Но что мешало натрию испаряться? Для этого должны были сложиться условия, уверены авторы рассматриваемой работы, весьма неожиданные для ранней Солнечной системы. «Вы не можете сделать это в газопылевом облаке», — поясняет г-н Гроссман. Нечто подобное могло случиться после серии столкновений планетезималей, из которых впоследствии образовались планеты Солнечной системы.

Столкновения покрытых льдом планетезималий просто обязаны быстро разогреть их материал, а также создать среду с высоким давлением, в которой испарение того же натрия было бы существенно затруднено.

Остаётся вопрос: как в оливин попал оксид железа? Недавние работы по точной датировке хондр показали, что они на пару миллионов лет моложе других компонентов хондритов, что поддерживает теорию столкновения планетезималей как непременного условия образования таких пород. По мнению учёных, это значит, что сперва планетезимали имели достаточно времени для того, чтобы распад радиоактивных элементов в их недрах вызвал появление в их составе жидкой воды, постепенно проникавшей внутрь этих образований и окислявшей железо. Затем, при столкновении планетезималей, капельки оксида железа вылетали из окружавших их пород и улавливались хондровыми, образуя исходный материал для современных хондритных метеоритов.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Geochimica et Cosmochimica Acta.

Истчоник: КОМПЬЮЛЕНТА

Многие десятилетия учёные полагали, что присутствие воды в глубинных породах делает последние менее вязкими и позволяет им течь. Это движение лежит в основе всех видов геофизических явлений — от толкотни литосферных плит до гигантской конвекции в мантии. Кроме того, оно участвует в круговороте углерода и других жизненно важных элементов в планетарном масштабе.

Конвекция в мантии, возможно, не так сильно зависит от наличия водной смазки. (Изображение Университета Лидса.)Однако эксперименты с кристаллами оливина (распространённый в мантии минерал) при высоких давлениях показали, что даже учебники ошибаются.

Многочисленные лабораторные работы продемонстрировали ослабляющее влияние воды на минералы. Но геохимик Хунчжань Фэй из Байройтского университета (ФРГ) и его коллеги указывают на то, что в большинстве этих исследований изучались кристаллы, перенасыщенные водой. Когда кристаллы сжимались, вода, находившаяся между крупинками, позволяла им скользить, вместо того чтобы деформироваться, как следовало бы ожидать в естественных условиях.

Поэтому группа г-на Фэя взялась за монокристаллы оливина, которые испытали температуры и давление, характерные для глубины 100–200 км. Работа не ставила задачей изучение того, как вода разупрочняет камни, всё внимание было нацелено на её воздействие на диффузию атомов кремния в кристаллах. Когда оливин сжимают, кремний движется медленнее всех, и по скорости его диффузии можно судить о том, насколько быстро течёт порода.

Оказалось, что «водный эффект» намного меньше ожидаемого: увеличение содержания воды в кристалле оливина в тысячу раз повысило диффузию кремния менее чем в 10 раз. «Я был очень удивлён», — признаётся г-н Фэй.

Исследователи полагают, что полученные результаты ставят под сомнение несколько важнейших геофизических представлений. Так, считается, что вода смягчает верхнюю часть мантии, позволяя двигаться литосферным плитам, но, возможно, дело не в ней. Кроме того, различия в количестве воды уже не объясняют, почему «горячие точки», то есть места выхода на поверхность мантийных плюмов, остаются неподвижными долгое время (к примеру, на Гавайях), несмотря на перемещение тектонических платформ.

Не все готовы принять новую точку зрения. Петролог Сумит Чакраборти из Рурского университета (ФРГ), который прислал г-ну Фэю некоторые материалы для экспериментов и ранее опубликовал статью о сильном влиянии воды на скорость диффузии кремния в оливине, увидел в этой работе ряд недочётов.

Во-первых, содержат богатые кремнием минералы воду или нет, не совсем ясно, действительно ли скорость диффузии кремния в них определяет скорость течения породы. Во-вторых, в отличие от многих типов оливина, кристаллы, использовавшиеся в исследовании, не содержали железа, а ведь минералы деформируются по-разному в зависимости от концентрации этого элемента. Поэтому, заключает г-н Чакраборти, претензии надуманны.

Со своей стороны, г-н Фэй намерен разобраться в том, как кремний диффундирует через границы крупинок минералов, — может быть, там он ведёт себя не так, как в одиночном кристалле.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Источник: КОМПУЛЕНТА