Биогеохимическое исследование космического вещества на Земле и в

Биогеохимическое исследование космического вещества на Земле и в ближайшем космосе Что и как изучать – к вопросу о программе исследований А. Ф. Грачев, ИФЗ РАН

В рамках общей проблемы предусмотрены 3 направления: 1. Биогеохимические исследование космической пыли. 2. Изучение биофоссилий в метеоритах и в древних земных породах. 3. Изучение космического вещества методами ядерной физики.

Биогеохимические исследования космической пыли (основные вопросы) 1. Изменение состава космической пыли во времени (в осадочных породах разного возраста) 2. Поиски и изучение органического вещества в осадочных породах и минералах, содержащих космическую компоненту

Терминология 1. Космическая пыль: sensu stricto и sensu lato.

Слева - Структура мелкозернистой массы космической пыли. Стрелками показаны нанокристаллы сульфидов железа на поверхности и внутри GEMS (Dai, Bradley, 2001). Справа – Распределение Mg, S и Fe внутри GEMS в частице кометного происхождения, Антарктида (Duprat et al. , 2010) δD >5400 ‰

2. Космическая пыль и импактиты Импактные образования от «космической пыли» отличаются присутствием ударного кварца, коэсита, стишовита и лонсдалеита. Однако в осадочных породах (за пределами астроблем) эти признаки могут отсутствовать.

Наноалмазы в ледниковом покрове Гренландии (12900 лет т. н. ) (Kurbatov et al. , 2010)

Карта расположения известных находок наноалмазов в позднечетвертичных осадках (12900 лет) Сев. Америки (Kennet et al, , 2009)

Импактные? сферулы с возрастом 3. 3 млрд. лет, Барбертонский зеленокаменный пояс( Koeberl, Reimold, 1995)

В морских осадочных породах на Земле мы можем изучать только отдельные компоненты космической пыли (минералы), ибо первичное вещество подвергается размыву, переотложению, а также изменению в процессе диагенеза, а затем и метаморфизму. Это определяет важность выбора объекта исследований.

Минералы из космической пыли in situ: Наноалмаз, Графит, Корунд, Муассонит, Нитрид кремния (Si 3 N 4), Перовскит, Плагиоклаз, Силикаты (оливин, пироксены, филлосиликаты), Сульфиды, Хибонит (Ca, Ce)Al 12 O 19) , Циркон, Шпинель

Ввиду того, что космическая пыль поступает на поверхность Земли неравномерно (периодичность оценивается в 100 000 лет), необходимо изучать не единичные образцы, а разрезы, охватывающие интервал времени не менее 1 млн. лет. Для глубоководных отложений с крайне низкими скоростями осадконакопления временной интервал может достигать десятков млн. лет.

Первый по значимости объект исследований – глубоководные океанические осадки, скорость осадконакопления которых минимальна (South Pacific BARE ZONE – 5 м осадков за 80 млн. лет в южной части Тихого океана ), что создает условия для высокой концентрации космогенной компоненты SE изображение хондритовых частиц с глубины 5082 м, Тихий океан (Schreiber et al. , 2012)

Исследования состава “космической пыли” (минералов) должно проводиться на основе анализа распределения редких, редкоземельных элементов и изотопной систематики He-Ar, C, Fe, Cr, S, N, O и других элементов в зависимости от лабораторной базы Пример: Два типа сферул в глубоководных отложениях: I и S (NA, Ganapaty et al. , 1978)

Существует мнение, что предварительная идентификация сферул вулканогенного и космического происхождения может быть сделана на основе анализа отношений Ti/Fe, Cr/Fe, Mn/Fe, Co/Fe и Ni/Fe (Yada et al. , 1996). Однако Day and Bradley (2001) показали, что, например, отношение Ni/Fe в хондритовой космической пыли сильно меняется в зависимости от содержания сульфидов.

Содержание Ni и Fe в сферулах типа I (Engrand et al. , 2005) Для сферул вулканического происхождения отношение Fe/Ni=19 (Rietmeijer 1999).

Si-Mg-Fe (ат. %) диаграмма для космической пыли, частиц вулканического происхождения и микрометеоритов Антарктиды (Suavet et al. , 2009)

Изотопия гелия в микрометеоритах Антарктиды (Osawa et al. , 2003)

Зап. Гренландия, песчаники палеоцена (Robin et al. , 1996). Вверху – сферула магнетита, Внизу – распределение REE. Отношения Ni/Cu, Ir/Ni, Ir/Co – нехондритовые! Содержание Ir - 5 ppb!

Распределение РЗЭ в сферуле магнетита из пограничного слоя на К/Т границе (65 млн. лет т. н. ) в разрезе Петриччио (Италия) [Montanari et al. , 1983]

Исследование изотопии O, Fe, Ni в сферулах типа I из глубоководных отложений (Cameca IMS 1270 ion microprobe) (Engrand et al. , 2005) CI, CM, CR, and CO – Различные типы метеоритов

Критерии присутствия космогенной компоненты в осадочных породах: 1. Аномальное содержание Ir (>1 ppb) и близкое к хондритовому распределение элементов группы Pt, 2. Близкое к хондритовому распределение REE, 3. Отношение 3 Не/4 Не, превосходящее величину для атмосферы более чем 5 раз, 4. Аномалии в минералогическом составе, 5. Фуллерены Ни один отдельно взятый признак не может служить надежным доказательством присутствия космогенной компоненты

Второй по значимости объект исследований – осадочные породы (переходные слои) пяти крупнейших катастрофических изменений биоты в фанерозое, в которых обнаружены фуллерены.

О выборе типа осадочных породах для биогеохимического анализа космогенной компоненты: 1. Эвапориты (соленосные отложения) 2. Морские или озерные осадочные породы с хорошо выраженной слоистостью в виде керна или монолита. 3. Наибольший интерес представляют древнейшие осадочные породы с возрастом от 3. 2 до 3. 8 млрд. лет

Сферулы из соленосных отложений (галит), 236 млн. лет, Англия (Davidson et al. , 2007) A, B – SE и C, D – BSE изображения

Ввиду отсутствия глубоководных осадочных пород древнее 2. 5 млрд. лет, объектом поиска космической компоненты в древнейших отложениях могут быть кремнистые породы (сherts) и песчаники зеленокаменных поясов раннего докембрия (древнее 3. 4 млрд. лет): Барбертон (Юж. Африка) и Пилбара (Австралия). Более древние породы с возрастом 3. 9 млрд. лет (Исуа, Гренландия) ввиду сильного метаморфизма и малой мощности разреза не пригодны для анализа.

Исуа, Гренландия, 3. 85 млрд. лет [Rosing, 1999]

Слоистые кремнистые породы (cherts) Барбертона. Масштабная линейка 500 µm (Westall et al. , 2001)

Бактериоморфмные (rod shaped) микроструктуры в кремнистых породах Барбертона. Масштабная линейка: А- 5 µm, B -1 µm (Westall et al. , 2001)

Трубчатые сегментированные микроструктуры, развивающиеся по трещинам в пиллоу-лавах Барбертонского ЗП (3. 5 млрд. лет) с соотношением 12 С/13 С от 0 до – 20‰, подтверждающим их биологическое происхождение (Furnes et al. , 2004)

Космическая сферула оливина с Fe-Ni металлическими включениями, формация Сатакунта, Финляндия (1. 4 млрд. лет) [Deutsch et al. , 1998]

Проблема поиска биомаркеров в древнейших осадочных породах В 1957 г. Лав (Love, 1957) обнаружил существование микроорганизмов внутри сферул пирита, которые впоследствии были фоссилизированы. Наиболее важное заключение, сделанное Лав, состоит в том, что микрорганизмы присутствуют только внутри сферул пирита и отсутствуют за его пределами.

2. В процессе диагенеза осадков и превращения их в породу микроорганизмы внутри сферул пирита фоссилизируются, что делает возможным их изучение независимо от времени образования. 3. Позднее на примере изучения докембрийских сланцев Онтарио было доказано (Barghoorn, Tyler, 1965), что ассоциация пирита с органическим веществом является типичной формой развития органики в древнейших кремнистых породах.

4. В дальнейшем с использованием лазерного микроанализа (Nd-YAG Laser System) Kakegawa@ Ohmoto (1993) изучили изотопию серы в пирите Барбертонского зеленокаменного пояса и выяснили, что пирит образовался 3. 4 млрд. лет тому назад в результате деятельности сульфат- редуцирующих бактерий, т. е. имеет биогенное происхождение. Справедливость этого положения была доказана в 2011 г. Д. Вейси с сотрудниками (Wacey et al. , 2011) при изучении формации Стрелли Пул в зеленокаменном поясе Пилбара (Зап. Австралия).

Здесь в песчаниках (типично мелководных отложениях) с возрастом 3. 4 млрд. лет были обнаружены и детально изучены микрофоссилии в тесной ассоциации с пиритом.

Кластеры клеток микрофоссилий (3. 4 млрд. лет, формация Стрелии Пул, Зап. Австралия) (Wacev Кластеры. , 2011] Кла. Ккстер. К 3. 4 млрд. лет, формация et al. , 2011). Найденные микрофоссилии на 200 млн. лет древнее ранее описанных микроорганизмов.

Три вывода имеют принципиальное значение: 1. Биологическая природа микрофоссилий доказывается изотопией углерода δ 13 C (-33 до - 46‰). 2. Микрофоссилии присутствуют только там, где есть пирит! 3. Стенки клеток помимо углерода содержат азот (биологический маркер) и серу ( δ 34 S от -12 до + 6‰).

Изучение органического вещества в космической пыли in situ (миссия Stardust) показало, что оно присутствует в виде пленки на субмикронных зернах сульфидов железа (Wrick et al. , 2009). Эти данные (сонахождение сульфидов железа с органическом веществом) могут быть использованы при исследовании органики в древнейших осадочных породах.

Фуллерены как возможный переносчик органической компоненты из космоса на поверхность нашей планеты Фуллерены C 60 были обнаружены в спектральном составе звезд, и на этой основе Foing & Ehrenfruend (1994) установили, что от 0. 3 до 0. 9% углерода в космосе присутствуют в виде фуллерена.

Space, Stars, C 60, and Soot (Kroto, 1988) Фуллерены установлены в метеоритах, импактных образованиях с возрастом от 1850 до 15 млн. лет и в осадочных породах на границе P/T (251 млн. лет) и K/Pg (65 млн. лет).

Концентрическая (грибовидная) структура фуллерена из метеорита Алленде, HRTEM (Smith, Buseck, 1981)

Фуллерены с сульфидами железа в метеорите Алленде (Harris, Vis, 2003)

Пентландит в кристалле оливина, окруженный кольцами графитизированного углерода, метеорит Алленде, HRTEM (Brearley, 1999) Важно отметить, что в составе углерода присутствуют молекулы, содержащие H, N, O и S, но отсутствует P. Проблема поиска P – важнейшая задача биогеохимических исследований КВ!

Фуллерены (С 60) из импактной структуры Седбери, Канада (линейка 100 µm) (Elsila et al. , 2005)

Космическое событие на границе Р/Т (251 млн. лет т. н. ) главный герой - Луанна Бекккер, Department of Earth and Space Sciences, University of Washington, Seatle

Фуллерен с атомом He внутри

Becker et al. , 2001

Главный вывод Необходимо изучение сульфидов железа в древнейших породах на Земле и изучение изотопии Fe в них. Нельзя исключать вероятность того, что железо в некоторые сульфидах в архейских морских бассейнах может иметь космическое происхождение (например, импактное).

Благодарю за внимание!

Красноцветы ятулия, 2. 2 млрд. лет

Методы изучения 1. Laser desorption mass spectrometry (LD-MS) 2. Thermal desorption mass spectrometry (TD-MS) 3. High-performance liquid chromatography (HPLC) in combination with UV visible spectroscopy