Исследование обогащения платиноидами коры плавления каменных метеоритов при абляции в атмосфере Земли

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-27-00392

НазваниеИсследование обогащения платиноидами коры плавления каменных метеоритов при абляции в атмосфере Земли

Руководитель Гроховский Виктор Иосифович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" , Свердловская обл

Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-207 - Космогеохимия и планетология

Ключевые слова метеорит, элементы платиновой группы, кора плавления, обогащение, плазмотрон

Код ГРНТИ38.27.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальных проблем создания новых технологий и материалов путем выявления эффективных способов обогащения вещества внеземного происхождения при его первичной обработке тепловым воздействием атмосферы Земли. В проекте впервые будет исследована возможность обогащения платиноидами (PGE) коры плавления хондритов при протекании процессов интенсивной абляции в земной атмосфере. Большинство экспериментальных результатов по изучению PGE-минералов метеоритного происхождения могут быть использованы для создания природоподобных технологий, а также будут иметь научную новизну и приоритетный характер. Проект носит междисциплинарный пионерский характер на стыке космогеохимии, материаловедения и астрономии.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Кора плавления (результат абляции метеороида в атмосфере Земли) присутствует на большинстве фрагментах исследованных метеоритов и несет информацию о пирохимических и металлургических процессах, происходящих на поверхности тел, вторгающихся в атмосферу Земли. Фрагменты каменных метеоритов Челябинск LL5 S4 W0, Озерки L6 S5 W0, Аннама H5 S2 W0, Капустин Яр L/LL6 S2 W2 и G-хондрита Sierra Gorda 009 были подробно изучены на оптическом микроскопе Zeiss Axiovert 40 MAT и на сканирующих электронных микроскопах TESCAN MIRA 3MLU и FE-SEM ∑IGMA VP с приставками EDS. Установлено, что кора плавления содержит большое количество газовых пузырьков и зональна по строению. Внешняя зона коры плавления хондритов Челябинск LL5 и Озерки L6 состоит из агрегата скелетных кристаллов зонального оливина и магнетита/ магнезиоферрита и стекла. Внутренняя зона содержит более крупные кристаллы зонального новообразованного оливина, стекла и магнезиоферрита. В обеих зонах обычно присутствуют новообразованные высоконикелевые глобулы сульфидов металлов (до 10-20 мкм). Обогащенные платиноидами фазы (PGE-фазы) наиболее характерны для подобных глобул из внешней зоны коры плавления. Интерметаллид Os-Ir-Pt размером до 0,3 мкм обнаружен в одной из глобул метеорита Челябинск, состоящей из хизлевудита (Ni, Fe)3S2 и аваруита, Os-Ir-Pt сплав располагается в качестве включения в аваруите. Достаточно сложно сказать, на какой именно стадии образовался Os-Ir-Pt сплав: непосредственно из металл-сульфидного расплава или за счет твердофазных превращений в аваруите. Установлено, что в коре плавления хондрита Озерки доминирующий тип глобул – это хизлевудитовый твердый раствор Hzss1 (Ni3±xS2) + самородный никель или аваруит Ni3Fe + дисперсная фаза Pt-Os-Ir. Само появление PGE-фаз в коре плавления пока остается загадкой. Такие фазы отсутствуют в других литологиях исследованных метеоритов, где все PGE рассеиваются в виде изоморфной примеси в Fe-Ni-металлах. Предложена гипотеза, что именно взаимодействие с атмосферой Земли (при Т>2000oC) привело к аномальному концентрированию PGE за счет повышения активности кислорода. Пока не понятно, когда расплав разделился на две несмешивающиеся составляющие (металл-сульфидную и силикатную). При этом PGE концентрируются в металл-сульфидной составляющей в контакте с Ni несмотря на быстротечность процессов плавления и последующей кристаллизации. Замечено, что в их составе в метеорите Челябинск преобладает Os, а в метеорите Озерки – Pt. В отличие от метеоритов Челябинск и Озерки (свежие падения) метеорит Каустин Яр L/LL6 является находкой и подвергался земному выветриванию, степень которого оценивается как W2. Тем не менее, в его коре плавления наблюдались металл-сульфидные глобулы с включениями дисперсных PGE-фаз. Набор сульфидных фаз в этих глобулах – хизлевудит (Ni, Fe)3S2 Fe, годлевскит (Ni, Fe)7S6, пентландит (Ni, Fe)9S8, иногда троилит FeS, виоларит FeNi2S4. Виоларит – вторичная фаза, замещающая высоконикелиевые сульфиды типа хизлевудита и годлевскита. Соотношение платиноидов в этих дисперсных металлических фазах Pt>Ir>Os. При подробном EDS-анализе с целенаправленным поиском платиноидов в исходном веществе метеоритов Челябинск и Озерки различной литологии (включая ударный переплав), Аннама H5 и Гумбейка L6 частиц, обогащенных PGE, не обнаружено. В то же время в G-хондрите Sierra Gorda 009 наблюдаются многочисленные субмикронные включения, обогащенные платиноидами. В отличие от находок в коре плавления здесь мельчайшие металлические частицы, богатые ЭПГ встречаются как в ассоциации шрейберзит (Fe, Ni)3P-добреелит FeCr2S4-троилит FeS, так и в силикатной матрице, в срастании с сульфидами, фосфидами и с вторичными минералами. Предполагается, что часть этих включений могла выделиться в процессе окисления. Кроме того, наблюдается сепарация PGE между разными минеральными ассоциациями. Триада Os-Ir-Pt связана с металл-сульфидными фазами, а Ru-Rh-Pd - с фосфидными. Процесс образования PGE-фаз в коре плавления остается неясным. Для проверки гипотезы о более интенсивном испарении летучих элементов при абляции и обогащении коры плавления каменных метеоритов нелетучими элементами планируется провести эксперименты на установке, созданной на базе плазмотрона ФТИ УрФУ. В отчетный период данная установка усовершенствована, она дополнена фокусирующей оптикой, спектрографом ИСП-51 и цифровой камерой. Также разработан алгоритм обработки цифровых изображений спектров. Для проведения экспериментов на плазмотроне в репозитории Уральского федерального университета отобраны обыкновенные хондриты Gandom Beryan 011 (LL3, S2, W2), Челябинск (LL5, S4, W0), Царев L5, Calama 009 (L6, S3/4, W1/2) и углистый хондрит Каинсаз CO3.2. Изготовлены образцы в виде квадратных брусков размером 8х8х30 мм и 5х5х20 мм, проведена аттестация их структуры и состава методами оптической и электронной микроскопии. Следует отметить важную деталь, что во всех образцах этих хондритов не выявлены образования, обогащенные элементами платиновой группы.

Публикации

1. Попов А. А., Кокорин А. Ф. Dynamic digital registration of a section of the spectrum in the optical range Proceedings of 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE–2024), 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2024) Abstracts. 2024. R4-P-055701. P 500. (год публикации - 2024)
10.56761/EFRE2024.R4-P-055701

2. Гроховский В.И., Шарыгин В.В., Яковлев Г.A., Попов А.А., Кокорин А.Ф. On platinoids in the fusion crust of ordinary chondrites Meteoritics & Planetary Science , Meteoritics & Planetary Science 2024. Vol. 59, S1, A167. (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1111/maps.14240

3. Яковлев Г.A, Гроховский В.И. Элементы платиновой группы в веществе внеземного происхождения Материалы XIV Всероссийской научной конференции «Минералы: строение, свойства, методы исследования" Екатеринбург: ИГГ УрО РАН, 2024. 144 с., Материалы XIV Всероссийской научной конференции «Минералы: строение, свойства, методы исследования» 2024. С. 140. (год публикации - 2024)

4. Попов А. А., Кокорин А. Ф. Установка для анализа абляции метеороидов с использованием потока плазмы Материалы XIV Всероссийской научной конференции «Минералы: строение, свойства, методы исследования" Екатеринбург: ИГГ УрО РАН, 2024. 144 с., Материалы XIV Всероссийской научной конференции «Минералы: строение, свойства, методы исследования" 2024. с 98. (год публикации - 2024)

5. Шарыгин В.В., Гроховский В.И., Яковлев Г.A. Платиноидные фазы в коре плавления хондритов Челябинск (LL5) и Озерки (L6) Материалы XIV Всероссийской научной конференции «Минералы: строение, свойства, методы исследования" Екатеринбург: ИГГ УрО РАН, 2024. 144 с., Материалы XIV Всероссийской научной конференции «Минералы: строение, свойства, методы исследования"2024. С.130. (год публикации - 2024)

6. Гроховский В. И., Петрова Е. В., Яковлев Г. А., Попов А. А., Карташова А. П., Горячка Ю. Matching of the compositions of chondrites and their fusion crust with the emission spectra of meteoroids Meteoritics & Planetary Science. Volume 60, Issue S1. (2025). #5208. , Meteoritics & Planetary Science. Volume 60, Issue S1. (2025). #5208. (год публикации - 2025)

7. Попов А.А., Кокорин А.Ф. Алгоритм программной обработки оптических спектров абляции метеороидов Забабахинские научные чтения: сборник материалов XVII Международной конференции 19–23 мая 2025 года. – Снежинск: Изд-во РФЯЦ – ВНИИТФ, 2025. – с. 308 , Забабахинские научные чтения: сборник материалов XVII Международной конференции 19–23 мая 2025 года. – Снежинск: Изд-во РФЯЦ – ВНИИТФ, 2025. – с. 308 (год публикации - 2025)

8. Петрова Е.В., Гроховский В.И. Meteorite fusion crust as a result of the impact of ablation processes on the meteoroid substance 16M-S3 The Sixteenth Moscow Solar System Symposium 16M-S3 October 20-24, 2025 Space research institute of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia, 16M-S3 The Sixteenth Moscow Solar System Symposium 16M-S3 October 20-24, 2025 Space research institute of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia (год публикации - 2025)
10.21046/16MS3-2025

9. Гроховский В.И. Platinum group elements in fusion crust of ordinary chondrites Skoltech, Moscow, Russian Federation (год публикации - 2025)

10. Гроховский В. И., Шарыгин В. В., Яковлев Г. А. Обогащение платиноидами коры плавления каменных метеоритов во время абляции Забабахинские научные чтения: сборник материалов XVII Международной конференции 19–23 мая 2025 года. – Снежинск: Изд-во РФЯЦ – ВНИИТФ, 2025. – с. 112-113, Забабахинские научные чтения: сборник материалов XVII Международной конференции 19–23 мая 2025 года. – Снежинск: Изд-во РФЯЦ – ВНИИТФ, 2025. – с. 112-113 (год публикации - 2025)

11. А. Ф. Кокорин, А. А. Попов Перегревная неустойчивость для ВЧ дугового разряда в воздухе при повышенных давлениях Забабахинские научные чтения: сборник материалов XVII Международной конференции 19–23 мая 2025 года. – Снежинск: Изд-во РФЯЦ – ВНИИТФ, 2025. – с. 121 , Забабахинские научные чтения: сборник материалов XVII Международной конференции 19–23 мая 2025 года. – Снежинск: Изд-во РФЯЦ – ВНИИТФ, 2025. – с. 121 (год публикации - 2025)

12. Попов А.А., Кокорин А.Ф. Получение и обработка цифровых изображений спектров абляции в оптическом диапазоне Физика. Технологии. Инновации. ФТИ-2025. [Электронный ресурс]: тезисы докладов XII Международной молодежной научной конференции, Екатеринбург, 19–23 мая 2025 г. / отв. за вып. А. В. Ищенко. – Екатеринбург: УрФУ, 2025., Физика. Технологии. Инновации. ФТИ-2025. [Электронный ресурс]: тезисы докладов XII Международной молодежной научной конференции, Екатеринбург, 19–23 мая 2025 г. / отв. за вып. А. В. Ищенко. – Екатеринбург: УрФУ, 2025. (год публикации - 2025)

13. Петрова Е.В., Гроховский В.И., Попов А.А., Карташова А.П., Горячко Ю.А. Сравнение составов метеоритов, коры плавления и спектров излучения их болидов Материалы XV Всероссийской молодежной научной конференции «Минералы: строение, свойства, методы исследования». Екатеринбург: ИГГ УрО РАН, 2025. С. 76, Материалы XV Всероссийской молодежной научной конференции «Минералы: строение, свойства, методы исследования». Екатеринбург: ИГГ УрО РАН, 2025. С. 76 (год публикации - 2025)

14. Попов А.А. , Кокорин А.Ф., Петрова Е.В. , Гроховский В.И. Моделирование процесса абляции метеороидов с регистрацией оптических спектров в условиях скоростных газовых потоков с высокой энтальпией Геохимия Geochemistry International (год публикации - 2026)

15. Петрова Е.В., Гроховский В.И. Кора плавления метеоритов – результат изменения вещества метеороида под действием атмосферной абляции SOLAR SYSTEM RESEARCH (год публикации - 2026)

16. Гроховский В.И., Петрова Е.В., Яковлев Г.А., Пастухович А.Ю., Муфтахетдинова Р.Ф., Попов А.А., Кокорин А.Ф., Смирнов Н.С., Лисиенко Д.Г., Домбровская М.А. Экспериментальное моделирование преобразования вещества хондрита Челябинск LL5 при атмосферной абляции Литосфера (год публикации - 2025)

17. Петрова Е.В., Карташова А.П., Гроховский В.И. Fusion crust of stony meteorites: from the observation spectrum to the initial meteoroid matter Icarus (год публикации - 2026)

18. Петрова Е.В., Карташова А.П., Гроховский В.И. Fusion crust: from the initial meteoroid matter to the observation spectrum https://meteoroids2025.gfo.rocks/abstracts_received.html, #113 (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Ранее при детальном изучении внешних зон коры плавления хондритов Челябинск LL5, Озерки L6 и Капустин Яр L/LL6 были обнаружены включения, содержащие элементы платиновой группы (PGE), хотя во внутреннем веществе хондрита подобные включения не наблюдались. Эти факты послужили основанием для выдвижения гипотезы о том, что при формировании коры плавления происходит обогащение ее PGE до содержания, достаточного для выделения их в металлическом виде. Для проверки этой гипотезы в настоящей работе проведено экспериментальное моделирование процесса атмосферной абляции на веществе каменных метеоритов на плазмотроне, находящегося в физико-технологическом институте Уральского федерального университета. Эта аэродинамическая установка представляет собой комбинацию высокочастотного дугового плазмотрона с аэродинамическим устройством, формирующим газовый поток заданных параметров. Установка позволяет получать потоки газа, средние параметры которых могут регулироваться в следующих пределах: температура заторможенного газа 1500–6500 К; давление заторможенного газа 0,2 – 3 МПа; удельный тепловой поток 1–3 кВт/см2; прирост энтальпии 2,3 – 4,2 кДж/г. Для экспериментов выбраны обыкновенные хондриты Царев L5, Calama 009 (L6, S3/4, W1/2), Gandom Beryan 011 (LL3, S2, W2), Челябинск (LL5 S4 W0), углистый хондрит Каинсаз CO3.2 и базальт из Качканарского горного массива. Образцы механическим способом были изготовлены в виде брусков с квадратных сечением размером 5х5х20 мм по 3 штуки каждого вида. В ходе испытаний наблюдались яркое свечение разогретого тела образца и активное плавление с уносом расплавленного вещества по ходу потока. Образцы находились в плазменном потоке в течение 10 -15 секунд. Во всех случаях на поверхности метеоритных образцов образуется кора плавления толщиной 0,3 -1,5 мм. Впервые предоставлены спектральные данные о спектрах каменных метеоритов и абляции метеоритного вещества, смоделированной на российской экспериментальной установке. В качестве регистратора оптического излучения в данной работе использовалась камера с ПЗС матрицей (КМОП, 23.5 х 15.6 мм). Для разложения излучения в спектр применялась дифракционная решетка 600 штр. /мм. Полученные спектры в диапазоне 400–700 нм обрабатывались в программной среде RSpec. Анализ спектров показал типичный набор линий, регистрируемых при наблюдении метеоров. В спектрах искусственной абляции хондритов Царев L5, Calama 009 L6, Gandom Beryan 011 LL3, Челябинск LL5 присутствуют линии Na, Ca, Mg, Cr, Fe. В зеленой и желтой областях спектры имеют характерный для спектральных наблюдений болидов, например, спектр болида Смалявичи, что указывает на релевантность нашего моделирования. Установлено, что по морфологии и зональному строению искусственная кора плавления подобна натуральной, формирующейся на хондритах при пролете в земной атмосфере. В частности, внешняя часть коры плавления представлена стеклом преимущественно форстеритового состава с включенными в него многочисленными дендритами кристаллов магнетита/магнезиоферрита размером в десятки мкм и обедненного железом оливина. В этом слое наблюдаются поры различного диаметра, что свидетельствует о реакциях с газовой составляющей в абляционном расплаве. В коре некоторых хондритов наблюдаются включения, по составу близкие к хромиту. Во всех сечениях искусственной коры плавления не выявлены металлические образования с платиноидами. Результаты химического анализа порошковых проб с использованием масс-спектрального метода с индуктивно-связанной плазмой показывают, что состав элементов в коре плавления изменяется по сравнению с составом исходного вещества хондритов. Во всех случаях в искусственной коре плавления установлено пониженное содержание Na, Mg, Al, Ca и Fe и повышенное содержание Ti, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zr, Ba, Zn. Особенно высокое обогащение коры плавления отмечено для Cr и Cu. Изменений в содержании Os и Pt отмечено не было, поскольку их содержание мало и изменения находится в пределах ошибки метода. Несмотря на то, что выделений металлов платиновой группы в свободном виде или в металл-сульфидных агрегатах в экспериментальной коре плавления хондритов обнаружено не было, возможность их образования при процессах абляции метеороидов в земной атмосфере не исключена, поскольку в коре плавления зафиксировано повышение содержания тяжелых элементов по сравнению с исходным веществом. Более летучие и легкоплавкие элементы сублимируются из расплава в первую очередь, а тугоплавкие аккумулируются в абляционном расплаве, оставшаяся часть которого затвердевает в виде коры плавления на этапе «темной» траектории полета.

Публикации

9. Гроховский В.И. Platinum group elements in fusion crust of ordinary chondrites Skoltech, Moscow, Russian Federation (год публикации - 2025)