Введение к работе
Актуальность темы. Происхождение Солнечной системы и расшифровка ранней истории ее становления относятся к важнейшим и фундаментальным вопросам современного естествознания. Интенсивное развитие таких научных дисциплин, как сравнительная планетология, теоретическое моделирование аккреции планет и эволюции протопланетного облака, изучение происхождения Луны и спутников планет - несомненно обогащает нас знаниями об основных этапах в истории развития Солнечной системы, но основа подхода к решению этого вопроса остается связанной с детальным лабораторным изучением метеоритного вещества, поскольку некоторые его типы (недифференцированные метеориты) содержат в себе запись ранних процессов и последовательности их протекания еще на допланетной стадии эволюции солнечной туманности. Теперь уже очевидно, что расшифровка этой записи связана не только с традиционным изучением минерального и химического состава отдельных составляющих метеоритов, но также и с детальным исследованием их изотопных характеристик, т. к. последние датируют время протекания отдельных событий, их длительность, а иногда определяют и источник вещества. Именно поэтому задача всестороннего изучения метеоритов представляется нам весьма актуальной в рамках проблемы образования Солнечной системы. Данная работа посвящена комплексному изучению минералогии, геохимии и изотопного состава раннего вещества Солнечной системы и представляет собой итог более чем 15-и летних исследований, начатых автором в ГЕОХИ РАН, а впоследствие продолженных на геологическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова.
Цель и задачи. Основной целью исследований было выяснение ограничений на природу и механизмы процессов, ответственных за образование твердого вещества на ранних этапах эволюции Солнечной системы. В соответствии с этим главные задачи можно сформулировать следущим образом:
детальное минералого-петрографическое и геохимическое изучение недифференцированных метеоритов и их литологических составляющих;
выявление изотопных аномалий в метеоритном веществе и определение, их природы; выяснение возможности использования стабильных изотопов в геохронологических целях;
проведение цикла работ по теоретическому моделированию процесса фракционной конденсации из высокотемпературного "силикатного" пара и экспериментальное изучение процессов конденсации и испарения силикатных систем;
разработка и модернизация методов анализа внеземного вещества.
Научная новизна. Реализован подход, использующий комплекс методов минералого-петрографических и изотопно-геохимических исследований при изучении условий образования отдельных составляющих недифференцированных метеоритов. :
На примере метеорита Ефремовка показано, что даже наименее измененные тугоплавкие включения (крайне перспективные объекты для изучения процессов образования и изменения вещества на ранних этапах развития Солнечной системы) являются многостадийными образованиями, запечатлевшими в себе следы процессов конденсации, испарения, смешения, плавления, кристаллизации, вторичного преобразования, дробления и др.
Показано, что вещество в ранней солнечной туманности характеризовалось гетерогенным распределением, причем эта гетерогенность была проявлена на нескольких уровнях: 1 - гетерогенное распределение твердых составляющих газо-пыле-вого облака; 2 - гетерогенное распределение химических элементов (в первую очередь редких и рассеянных) в нем; 3 - гетерогенное распределение изотопов.
Показана полигенная природа раннего твердого вещества Солнечной системы. Практически во всех типах тугоплавких литологических составляющих недифференцированных метеоритов встречаются минералы и их ассоциации, образовавшиеся в разное время, в разных процессах и в разном астрофизическом окружении.
Для некоторых ранних минеральных ассоциаций оценены температуры образования, фугитивность и другие параметры среды. Установлены ранее неизвестные минеральные фазы (разнообразные сплавы платиноидов, вольфрама, молибдена, алюминаты и силикаты кальция и титана, Sc-пироксен и др.), многие из которых могут быть новыми минеральными видами.
Изучение брекчированных метеоритов позволило установить новые типы метеоритного вещества - разнообразные ксенолиты, образование которых происходило на различных родительских телах. 'Совместное их нахождение в составе брекчированных метеоритов указывает на протекание интенсивного обмена твердым веществом между отдельными резервуарами на этапе аккреции родительских тел метеоритов.
Установлены закономерности в поведении ряда изотопов в метеоритном веществе. Изучен изотопный состав Н, О, Mg, Si, К, Са, Ті, Fe и КІІ в разных типах тугоплавких включений и других литологических составляющих углистых хондритов. Это позволило идентифицировать процессы, ответственные за образование твердого вещества в протосолнечной небуле.
Показано, что процесс вторичного преобразования тугоплавких включений не нашел своего отражения в изменении их изотопного состава кислорода, а носитель изотопно-кислородной аномалии входит не только в наиболее ранние высокотемпературные образования, но также содержится и в относительно низкотемпературных составляющих метеоритов, обогащенных летучими элементами.
Установлены гетерогенное распределение изотопа 50Ті в высокотемпературных минералах тугоплавких включений и ассоциации изотопных аномалий (48Са-50Ті и 41К-26Мд), что указывает на привнос в раннюю Солнечную систему материала, синтезированного на заключительной стадии эволюции Сверхновых звезд, непосредственно перед изоляцией протосолнечной туманности. Получены дополнительные подтверждения
ПРИСУТСТВИЯ КОрОТКОЖИВущегО ИЗОТОПа 26АІ (Т!/2 - 0,72 млн лет)
в ранней Солнечной системе.
Впервые в метеоритном веществе достоверно зафиксирован избыток изотопа 41К, содержание которого коррелирует с величиной отношения 40Са/39К в анализированных зернах, что указывает на присутствие короткоживущего радионуклида
41 Са (туг - 0,15 млн лет) в ранней Солнечной системе. Проведена оценка времени между последним событиеми нуклеосинтеза, предшествовавшим изоляции протосолнечной туманности, и образованием твердых тел в Солнечной системе. Полученная величина существенно меньше, чем считалось ранее, и составляет д - 0,6 млн лет.
Измерение значений D/H в водосодержащих фазах вторично преобразованных тугоплавких включений позволило оценить изотопный состав водорода на стадии аккреции вещества и формирования протопланет. Полученное нами значение D/H = 3,7-10"5 полностью соответствует теоретическим оценкам величины D/H в примитивной солнечной небуле.
На основании теоретического и экспериментального моделирования процессов образования тугоплавких включений показано, что вариации состава последних совпадают с трендами высокотемпературной фракционной конденсации и/или испарения силикатного материала.
На основании всего объема полученных минералого-геохимических и изотопных данных рассмотрен один из возможных сценариев эволюции твердого вещества в первично-гетерогенной ранней Солнечной системе, включающий разнообразные процессы минералообразования.
Практическая значимость. Реализованный в работе комплексный подход к изучению отдельных минералов и их ассоциаций в недифференцированных метеоритах ПОЗВОЛИЛ получить большой объем аналитических данных, который представляется весомым вкладом в развитие современной космической минералогии, геохимии, изотопной космохимии, изотопной минералогии и расширяет наши знания о разнообразии вещества в Космосе.
Поскольку ксенолиты являются относительно распространенными составляющими некоторых типов метеоритов, то данные, полученные по их химическому и минеральному составу, важны при интерпретации результатов дистанционного зондирования поверхности планет и астероидов, а также результатов анализа грунта, получаемых спускаемыми космическими аппаратами.
Разработанные и модернизированные методы (растровое сканирование электронным зондом для определения хими-
7 ческого состава полиминеральных тонкозернистых объектов, локальный метод рентгенофлуоресцёнтного анализа с использованием синхротронного излучения, поиск и обнаружение рентгеноконтрастных фаз методом рентгеновской вычислительной микротомографии, филлосиликатный геотермометр и др.) могут быть с успехом применены и во многих других областях науки и техники.
Апробация работы. По теме диссертации было опубликовано более ста сорока печатных работ, главные из которых приведены в списке основных публикаций. Результаты исследований были также представлены на отечественных и международных научных конференциях, в том числе на XVIII-XXI Всесоюзных и XXII Российской конференциях по метеоритике и космохимии (Черноголовка, 1981, 1984, 1994; Таллин, 1987; Миасс, 1990), на VII Симпозиуме и VIII Всесоюзном симпозиуме по проблемам космохимии (Миргород, 1983; Ясиня, 1985), на XI-XIII, XV-XVIII, XX, XXII-XXVI, XXVIII Конференциях по Луне и планетам (Хьюстон, США, 1980-1982, 1984-1987, 1989, 1991-1995, 1997), на 48-ой, 52-54-ой, 56-57-ой, 59-ой Конференциях Метеоритного общества (Бурже, 1985; Вена, 1989; Перт, 1990; Монтерей, 1991; Вайл, 1993; Прага, 1994; Берлин, 1996), на XVII, XX и XXI Генеральных Ассамблеях Европейского геофизического союза (Вейсбаден, 1993; Гамбург, 1995; Гаага, 1996), на XIV, XX, XXI Симпозиумах по антарктическим метеоритам (Токио, 1989, 1995, 1996), на Российских, Всесоюзных и Международных конференциях по использованию синхротронного излучения (Новосибирск, 1984, 1986, 1988, 1990, 1992, 1994, 1996), на V Национальном симпозиуме по масс-спектрометрии (Ахмедабад, Индия1991), на XIV, XX, XXII и XXVI Российско-Американских Микросимпозиумах по сравнительной планетологии (Москва, 199.1; 1994; 1995, 1996), на X Всесоюзном симпозиуме по стабильным изотопам в геологии (Москва, 1984), на XIV Симпозиуме по геохимии изотопов (Москва, 1995), на VI Всесоюзном симпозиуме по изоморфизму (Звенигород, 1988), на 27-ом Международном геологическом конгрессе (Москва, 1984) и на XII Всесоюзном и XIII Российском совещаниях по экспериментальной минералогии (Миасс, 1991; Черноголовка, 1995).
Большая часть работы была выполнена на кафедре минералогии геологического факультета МГУ и в лаборатории
..8 сравнительной планетологии и метеоритики ГЕОХИ РАН. В аналитической части исследования принимали также участие сотрудники геологического факультета МГУ (кафедры геохимии, кафедры и петрологии, кафедры кристаллографии и кристаллохимии) и ГЕОХИ РАН (лаборатории геохимии изотопов, космохимии и геохронологии, центральной лаборатории анализа вещества и лаборатории кристаллохимии). Совместные исследования проводились с сотрудниками Института ядерной физики им. Г.И. Будкера (СО РАН, Новосибирск), Института ядерной физики Чешской АН (Прага), Института геологии и геофизики СО РАН (Новосибирск), Томского политехнического университета, ВНИИГЕОСИСТЕМ (Москва), ВНИИГАЗ (пос. Развилка Московской обл.), National Geophysical Research Laboratory (Хайдерабад, Индия), Physical Research Laboratory (Ахмедабад, Индия), Lawrence Livermore National Laboratory (Калифорния, США), Shell Oil Company (Хьюстон, США), Naturhistorisches Museum (Вена, Австрия), McDonnell Center for the Space Sciences (Вашингтонский университет, США), Lunar & Planetary Laboratory (Аризонский университет, США), Institute of Geophysics and Planetology (Гавайский университет, США), Institute of Meteoritics (Университет Нью-Мехико, США), Lockheed Martin Engineering and Sciences Company (Хьюстон, США), Max-Plank-lnstitut fur Chemie (Майнц, Германия), NASA (Хьюстон,' США).
'Благодарности. Автор хранит память о своих научных наставниках Г.П. Барсанове и Г.А. Крутове. С искренней признательностью автор вспоминает К.П. Флоренского, обстоятельные дискуссии и совместная работа с которым положили начало данному направлению исследования и повлияли на методологию настоящей работы. Автор искренне благодарен за дружескую поддержку и помощь в обсуждении полученных результатов практически всем сотрудникам, в, том числе и бывшим, кафедр минералогии, петрографии и петрологии МГУ, лаборатории сравнительной планетологии и метеоритики, лаборатории геохимии изотопов, космохимии и геохронологии ГЕОХИ РАН. Автор признателен А.Т. Базилевскому, А.А. Маракушеву, А.С. Марфунину, М.А. Назарову, Л.Л. Перчуку, В.И. Фельдману, Ю.А. Шуколюкову и А.А. Ярошевскому, за научные консультации, а также Е.В. Гусевой, Н.Н. Кононковой и Н.Н. Коротаевой
9 за неоценимую помощь в получении разнообразных аналитических данных. Автор признателен также своим студентам и аспирантам, помогавшим ему практически на всех этапах работы, а также всем соавторам его научных публикаций. Особенно хочется выразить чувство искренней благодарности маме, жене и детям, создавшим, может быть в ущерб себе, благоприятный климат в семье для написания данной работы.
Заключительная часть работы была выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (гранты N 94-05-16656, N 94-05-17962, N 95-05-14152, N 96-6-15л и N 96-05-65144), Международного научного фонда (грант ISF 1994 года и грант N MPZ000), гранта Международного научного фонда и Правительства Российской Федерации N MPZ300 и гранта Международной Соросовской Программы Образования в Области Точных Наук (Института Открытого Общества) N d107.
