Durante 2003-2008. Un grupo de científicos rusos y austriacos con la participación de Heinz Kohlmann, reconocido paleontólogo y curador del Parque Nacional Eisenwurzen, estudió una catástrofe que sucedió hace 65 millones de años, cuando más del 75% de todos los organismos de la Tierra, incluidos los dinosaurios, se extinguieron. La mayoría de los investigadores creen que la extinción se asoció con el impacto de un asteroide, aunque existen otros puntos de vista
Las huellas de esta catástrofe en las secciones geológicas están representadas por una fina capa de arcilla negra de 1 a 5 cm de espesor. Una de esas secciones se encuentra en Austria, en los Alpes orientales, en el Parque Nacional cerca de la pequeña ciudad de Gams, ubicada a 200 km al suroeste de Viena. Como resultado del estudio de las muestras de esta sección utilizando un microscopio electrónico de barrido, se encontraron partículas de forma y composición inusuales, que no se forman en las condiciones del suelo y pertenecen al polvo cósmico.
Stardust en la Tierra
Por primera vez, una expedición inglesa que exploró el fondo del Océano Mundial en el barco Challenger (1872–1876) descubrió rastros de materia espacial en la Tierra en las arcillas rojas de las profundidades marinas. Fueron descritos por Murray y Renard en 1891. En dos estaciones en el Océano Pacífico Sur, al dragar desde una profundidad de 4300 m, se recuperaron muestras de nódulos de ferromanganeso y microesferas magnéticas de hasta 100 µm de diámetro, posteriormente llamadas "bolas espaciales". Sin embargo, los detalles de las microesferas de hierro generadas por la expedición Challenger se han investigado solo en los últimos años. Resultó que las bolas son 90% de hierro metálico, 10% de níquel y su superficie está cubierta con una fina costra de óxido de hierro.
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Figura: 1. Monolito de la sección Gams 1, preparado para muestreo. Las capas de diferentes edades se indican en letras latinas. La capa de arcilla de transición entre los períodos Cretácico y Paleógeno (edad de unos 65 millones de años), en la que se encontró la acumulación de microesferas y placas metálicas, está marcada con la letra "J". Foto de A. F. Gracheva
El descubrimiento de bolas misteriosas en arcillas de aguas profundas, de hecho, está asociado con el comienzo del estudio de la materia cósmica en la Tierra. Sin embargo, se produjo una explosión de interés entre los investigadores por este problema después de los primeros lanzamientos de naves espaciales, con la ayuda de los cuales fue posible seleccionar suelo lunar y muestras de partículas de polvo de diferentes partes del sistema solar. Las obras de K. P. Florensky (1963), que estudió las huellas de la catástrofe de Tunguska, y E. L. Krinov (1971), quien estudió el polvo meteórico en el lugar de la caída del meteorito Sikhote-Alin.
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El interés de los investigadores por las microesferas metálicas hizo que se comenzaran a encontrar en rocas sedimentarias de diferentes edades y orígenes. Las microesferas metálicas se encuentran en el hielo de la Antártida y Groenlandia, en los sedimentos del océano profundo y los nódulos de manganeso, en las arenas de los desiertos y las playas costeras. A menudo se encuentran dentro y alrededor de los cráteres de meteoritos.
En la última década se han encontrado microesferas metálicas de origen extraterrestre en rocas sedimentarias de distintas edades: desde el Cámbrico Inferior (hace unos 500 millones de años) hasta formaciones modernas.
Los datos sobre microesferas y otras partículas de sedimentos antiguos permiten juzgar los volúmenes, así como la uniformidad o irregularidad del influjo de materia cósmica a la Tierra, el cambio en la composición de las partículas que llegan a la Tierra desde el espacio y las fuentes primarias de esta sustancia. Esto es importante porque estos procesos afectan el desarrollo de la vida en la Tierra. Muchas de estas interrogantes aún están lejos de resolverse, pero la acumulación de datos y su amplio estudio sin duda permitirá darles respuesta.
Ahora se sabe que la masa total de polvo que circula dentro de la órbita terrestre es de unas 1015 toneladas. Anualmente, caen sobre la superficie terrestre de 4 a 10 mil toneladas de materia cósmica. El 95% de la materia que cae sobre la superficie de la Tierra está formada por partículas de 50 a 400 micrones de tamaño. La cuestión de cómo cambia la tasa de entrada de materia cósmica a la Tierra con el tiempo sigue siendo controvertida hasta ahora, a pesar de muchos estudios realizados en los últimos 10 años.
Según el tamaño de las partículas de polvo cósmico, en la actualidad, el polvo cósmico interplanetario real se emite con un tamaño de menos de 30 micrones y micrometeoritos de más de 50 micrones. Incluso antes, E. L. Krinov propuso llamar a los fragmentos más pequeños de un cuerpo meteórico derretido de la superficie micrometeoritos.
Aún no se han desarrollado criterios estrictos para distinguir el polvo cósmico y las partículas de meteorito, e incluso usando el ejemplo de la sección Gams estudiada por nosotros, se ha demostrado que las partículas y microesferas metálicas son más diversas en forma y composición que las previstas por las clasificaciones existentes. La forma esférica casi perfecta, el brillo metálico y las propiedades magnéticas de las partículas se consideraron como evidencia de su origen cósmico. Según el geoquímico E. V. Sobotovich, "el único criterio morfológico para evaluar la cosmogeneidad del material en estudio es la presencia de bolas fusionadas, incluidas las magnéticas". Sin embargo, además de la forma, que es extremadamente diversa, la composición química de la sustancia es fundamentalmente importante. Los investigadores descubrieronque junto a las microesferas de origen cósmico, hay una gran cantidad de bolas de diferente génesis, asociadas con la actividad volcánica, la actividad vital de las bacterias o el metamorfismo. Se sabe que es mucho menos probable que las microesferas ferruginosas de origen volcánico tengan una forma esférica ideal y, además, tengan una mayor mezcla de titanio (Ti) (más del 10%).
Un grupo de geólogos ruso-austriacos y un equipo de filmación de Vienna TV en la sección Gams en los Alpes orientales. En primer plano - A. F. Grachev
El origen del polvo cósmico
El origen del polvo cósmico todavía está en discusión. El profesor E. V. Sobotovich creía que el polvo cósmico podría representar los remanentes de la nube protoplanetaria original, contra la cual B. Yu. Levin y A. N. Simonenko, creyendo que la materia fina no podría persistir durante mucho tiempo (Earth and Universe, 1980, No. 6).
Hay otra explicación: la formación de polvo cósmico está asociada con la destrucción de asteroides y cometas. Como E. V. Sobotovich, si la cantidad de polvo cósmico que ingresa a la Tierra no cambia con el tiempo, entonces B. Yu. Levin y A. N. Symonenko.
A pesar de la gran cantidad de estudios, la respuesta a esta pregunta fundamental no se puede dar en el momento actual, porque hay muy pocas estimaciones cuantitativas y su precisión es controvertida. Recientemente, datos de estudios isotópicos bajo el programa de la NASA de partículas de polvo cósmico muestreadas en la estratosfera sugieren la existencia de partículas de origen pre-solar. En la composición de este polvo se encontraron minerales como el diamante, la moissanita (carburo de silicio) y el corindón que, a partir de los isótopos de carbono y nitrógeno, permiten atribuir su formación a la época anterior a la formación del sistema solar.
La importancia de estudiar el polvo cósmico en una sección geológica es obvia. Este artículo presenta los primeros resultados del estudio de la materia espacial en la capa de arcilla de transición en el límite Cretácico-Paleógeno (hace 65 millones de años) de la sección Gams, en los Alpes orientales (Austria).
Características generales de la sección Gams
Las partículas de origen cósmico se obtuvieron de varias secciones de las capas de transición entre el Cretácico y el Paleógeno (en la literatura germánica, el límite K / T), ubicado cerca del pueblo alpino de Gams, donde el río del mismo nombre abre este límite en varios lugares.
En la sección Gams 1, se cortó un monolito del afloramiento, en el que el límite K / T está muy bien expresado. Su altura es de 46 cm, ancho - 30 cm en la parte inferior y 22 cm - en la parte superior, grosor - 4 cm. Para un estudio general de la sección, el monolito se dividió después de 2 cm (de abajo hacia arriba) en capas designadas por letras del alfabeto latino (A, B, C … W), y dentro de cada capa, también después de 2 cm, se realiza un marcado con números (1, 2, 3, etc.). La capa de transición J en la interfaz K / T se estudió con más detalle, donde se identificaron seis subcapas con un espesor de aproximadamente 3 mm.
Los resultados de la investigación obtenidos en la sección Gams 1 se repitieron en gran medida al estudiar otra sección, Gams 2. El complejo de estudios incluyó el estudio de secciones delgadas y fracciones monominerales, su análisis químico, así como fluorescencia de rayos X, activación de neutrones y análisis estructurales de rayos X, isotópicos análisis de helio, carbono y oxígeno, determinación de la composición de minerales en una microsonda, análisis magnetomineralógico.
Variedad de micropartículas
Microesferas de hierro y níquel de la capa de transición entre el Cretácico y el Paleógeno en la sección Gams: 1 - Microesfera de Fe con una superficie gruesa con nudos reticulares (parte superior de la capa de transición J); 2 - Microesfera de Fe con una superficie rugosa longitudinalmente paralela (parte inferior de la capa de transición J); 3 - Microesfera de Fe con elementos de facetado cristalográficos y una textura superficial en forma de malla gruesa (capa M); 4 - Microesfera de Fe con una superficie de malla fina (parte superior de la capa de transición J); 5 - Microesfera de Ni con cristalitos en la superficie (parte superior de la capa de transición J); 6 - agregado de microesferas de Ni sinterizado con cristalitos en la superficie (parte superior de la capa de transición J); 7 - agregado de microesferas de Ni con microdiamantes (C; parte superior de la capa de transición J); 8,9 - formas características de partículas metálicas de la capa de transición entre el Cretácico y el Paleógeno en la sección de Gams en los Alpes orientales.
En la capa de arcilla de transición entre los dos límites geológicos: Cretácico y Paleógeno, así como en dos niveles en los sedimentos suprayacentes del Paleoceno en la sección Gams, se encontraron muchas partículas metálicas y microesferas de origen cósmico. Son mucho más diversos en forma, textura superficial y composición química que todos los conocidos hasta ahora en las capas de arcilla de transición de esta era en otras regiones del mundo.
En la sección Gams, la materia espacial está representada por partículas finamente dispersas de diversas formas, entre las cuales las más comunes son las microesferas magnéticas que varían en tamaño de 0,7 a 100 μm, que consisten en un 98% de hierro puro. Estas partículas en forma de bolas o microesférulas se encuentran en grandes cantidades no solo en la capa J, sino también arriba, en las arcillas del Paleoceno (capas K y M).
Las microesferas están compuestas de hierro puro o magnetita, algunas de las cuales contienen cromo (Cr), una aleación de hierro y níquel (avaruita) y níquel puro (Ni). Algunas partículas de Fe-Ni contienen impurezas de molibdeno (Mo). En la capa de transición de arcilla entre el Cretácico y el Paleógeno, todos fueron descubiertos por primera vez.
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Nunca antes nos habíamos encontrado con partículas con alto contenido de níquel y una importante mezcla de molibdeno, microesferas con presencia de cromo y trozos de hierro en espiral. Además de las microesferas y partículas metálicas, en la capa de arcilla de transición de Gams se encontraron microesferas de Ni-espinela, microdiamantes con microesferas de Ni puro, así como placas rotas de Au, Cu, que no se encuentran en los depósitos subyacentes y suprayacentes.
Características de las micropartículas
Las microesferas metálicas en la sección Gams están presentes en tres niveles estratigráficos: las partículas ferruginosas de diversas formas se concentran en la capa de arcilla de transición, en las areniscas de grano fino suprayacentes de la capa K, y el tercer nivel está formado por limolitas de la capa M.
Algunas esferas tienen una superficie lisa, otras tienen una superficie de celosía con nudos, mientras que otras están cubiertas con una malla de pequeñas poligonales o un sistema de grietas paralelas que se extienden desde una grieta principal. Son huecos, con forma de concha, rellenos de un mineral de arcilla y también pueden tener una estructura concéntrica interna. Las partículas y microesferas de metal Fe se encuentran a lo largo de la capa de arcilla de transición, pero se concentran principalmente en los horizontes inferior y medio.
Los micrometeoritos son partículas fusionadas de hierro puro o una aleación de hierro-níquel Fe-Ni (avaruita); sus tamaños son de 5 a 20 micrones. Numerosas partículas de avaruita están confinadas al nivel superior de la capa de transición J, mientras que las partículas ferruginosas puras están presentes en las partes inferior y superior de la capa de transición.
Las partículas en forma de placas con una superficie tuberosa cruzada consisten únicamente en hierro, su ancho es de 10 a 20 µm y su longitud es de hasta 150 µm. Son ligeramente arqueadas y se encuentran en la base de la capa de transición J. También se encuentran placas de Fe-Ni con impurezas de Mo en su parte inferior.
Las placas de una aleación de hierro y níquel tienen una forma alargada, ligeramente curvada, con ranuras longitudinales en la superficie, las dimensiones varían en longitud de 70 a 150 µm con un ancho de aproximadamente 20 µm. Son más comunes en las partes inferior y media de la capa de transición.
Las placas ferruginosas con ranuras longitudinales son idénticas en forma y tamaño a las placas de aleación de Ni-Fe. Están confinados a las partes inferior y media de la capa de transición.
Son de especial interés las partículas de hierro puro, que tienen la forma de una espiral regular y están dobladas en forma de gancho. Están compuestos principalmente de Fe puro, rara vez de aleación Fe-Ni-Mo. Las partículas de hierro en espiral se encuentran en la parte superior de la capa J y en la capa intermedia de arenisca suprayacente (capa K). Se encontró una partícula helicoidal de Fe-Ni-Mo en la base de la capa de transición J.
En la parte superior de la capa de transición J, había varios granos de microdiamantes sinterizados con microesferas de Ni. Los estudios de microsonda de bolas de níquel, llevados a cabo en dos instrumentos (con espectrómetros de dispersión de ondas y energía), mostraron que estas bolas consisten en níquel casi puro bajo una fina película de óxido de níquel. La superficie de todas las bolas de níquel está salpicada de cristalitos claros con gemelos pronunciados de 1 a 2 µm de tamaño. Este níquel puro en forma de esferas con una superficie bien cristalizada no se encuentra ni en rocas ígneas ni en meteoritos, donde el níquel contiene necesariamente una cantidad significativa de impurezas.
Al estudiar el monolito de la sección Gams 1, se encontraron bolas de Ni puro solo en la parte superior de la capa de transición J (en su parte superior, una capa sedimentaria muy delgada J 6, cuyo grosor no excede los 200 μm), y según los datos del análisis termo magnético, el níquel metálico está presente en capa de transición, comenzando con la subcapa J4. Aquí, junto con las bolas de Ni, también se encontraron diamantes. En una capa extraída de un cubo con un área de 1 cm2, el número de granos de diamante encontrados está en decenas (con un tamaño de fracciones de micrones a decenas de micrones) y bolas de níquel del mismo tamaño, en cientos.
En muestras de la parte superior de la capa de transición tomadas directamente del afloramiento, se encontraron diamantes con pequeñas partículas de níquel en la superficie del grano. Es significativo que al estudiar muestras de esta parte de la capa J, también se reveló la presencia del mineral moissanita. Anteriormente, se encontraron microdiamantes en la capa de transición en el límite Cretácico-Paleógeno en México.
Hallazgos en otras áreas
Las microesferas de Gams con una estructura interna concéntrica son similares a las que fueron extraídas por la expedición Challenger en las arcillas de las profundidades marinas del Océano Pacífico.
Las partículas de hierro de forma irregular con bordes fundidos, así como en forma de espirales y ganchos y placas curvos son muy similares a los productos de destrucción de los meteoritos que caen a la Tierra, pueden considerarse como hierro meteórico. Las partículas de avaruita y níquel puro se pueden asignar a la misma categoría.
Las partículas de hierro curvas están cerca de varias formas de lágrimas de Pele: gotas de lava (lapilli), que los volcanes expulsan del respiradero durante las erupciones en estado líquido.
Así, la capa de arcilla de transición en Gams tiene una estructura heterogénea y está claramente subdividida en dos partes. En las partes inferior y media predominan las partículas y microesferas de hierro, mientras que la parte superior de la capa está enriquecida con níquel: partículas de avaruita y microesferas de níquel con diamantes. Esto se confirma no solo por la distribución de partículas de hierro y níquel en la arcilla, sino también por los datos de análisis químicos y termomagnéticos.
La comparación de los datos del análisis termomagnético y el análisis de microsonda indica una heterogeneidad extrema en la distribución de níquel, hierro y su aleación dentro de la capa J; sin embargo, de acuerdo con los resultados del análisis termomagnético, el níquel puro se registra solo a partir de la capa J4. Es de destacar el hecho de que el hierro helicoidal se encuentra principalmente en la parte superior de la capa J y continúa en la capa K que la recubre, donde, sin embargo, hay pocas partículas de Fe, Fe-Ni isométricas o laminares.
Destaquemos que una diferenciación tan clara para el hierro, el níquel y el iridio, manifestada en la capa de arcilla de transición en Gams, también está presente en otras regiones. Por ejemplo, en el estado estadounidense de Nueva Jersey, en la capa esférica de transición (6 cm), la anomalía del iridio se manifestó agudamente en su base y los minerales de impacto se concentran solo en la parte superior (1 cm) de esta capa. En Haití, en el límite Cretácico-Paleógeno y en la parte superior de la capa esférica, hay un enriquecimiento agudo en Ni y cuarzo de choque.
Fenómeno de fondo para la Tierra
Muchas características de las esférulas de Fe y Fe-Ni encontradas son similares a las bolas descubiertas por la expedición Challenger en las arcillas de aguas profundas del Océano Pacífico, en el área de la catástrofe de Tunguska y los sitios de caída del meteorito Sikhote-Alin y el meteorito Nio en Japón, así como en rocas sedimentarias de varias edades de muchas áreas del mundo. Además de las regiones de la catástrofe de Tunguska y la caída del meteorito Sikhote-Alin, en todos los demás casos la formación no solo de esférulas, sino también de partículas de diversas morfologías, que consisten en hierro puro (a veces con contenido de cromo) y una aleación de níquel con hierro, no tiene relación con el evento de impacto. Consideramos la aparición de tales partículas como el resultado del polvo cósmico interplanetario que cae sobre la superficie de la Tierra, un proceso que ha estado en curso continuo desde la formación de la Tierra y es una especie de fenómeno de fondo.
Muchas de las partículas estudiadas en la sección Gams tienen una composición similar a la composición química a granel de la materia del meteorito en el lugar de la caída del meteorito Sikhote-Alin (según E. L. Krinov, esto es 93,29% de hierro, 5,94% de níquel, 0,38% de cobalto).
La presencia de molibdeno en algunas de las partículas no es inesperada, ya que incluye muchos tipos de meteoritos. El contenido de molibdeno en meteoritos (hierro, piedra y condritas carbonáceas) oscila entre 6 y 7 g / t. El más importante fue el hallazgo de molibdenita en el meteorito Allende en forma de una inclusión en la aleación de un metal de la siguiente composición (% en peso): Fe - 31,1, Ni - 64,5, Co - 2,0, Cr - 0,3, V - 0,5, P - 0,1. Cabe señalar que también se encontraron molibdeno y molibdenita nativos en el polvo lunar muestreado por las estaciones automáticas Luna-16, Luna-20 y Luna-24.
Las primeras esferas descubiertas de níquel puro con una superficie bien cristalizada no se conocen ni en rocas ígneas ni en meteoritos, donde el níquel contiene necesariamente una cantidad significativa de impurezas. Tal estructura de la superficie de las bolas de níquel podría surgir en el caso de la caída de un asteroide (meteorito), lo que provocó la liberación de energía, lo que hizo posible no solo derretir el material del cuerpo que cae, sino también evaporarlo. Los vapores metálicos podrían haber sido elevados por la explosión a una gran altura (probablemente decenas de kilómetros), donde tuvo lugar la cristalización.
Las partículas compuestas de avaruita (Ni3Fe) se encuentran junto con bolas metálicas de níquel. Pertenecen al polvo meteórico, y las partículas de hierro fundido (micrometeoritos) deben considerarse como “polvo de meteorito” (en la terminología de EL Krinov). Los cristales de diamante encontrados junto con las bolas de níquel probablemente surgieron como resultado de la ablación (fusión y evaporación) de un meteorito de la misma nube de vapor durante su enfriamiento posterior. Se sabe que los diamantes sintéticos se obtienen por cristalización espontánea a partir de una solución de carbono en un metal fundido (Ni, Fe) por encima de la línea de equilibrio de la fase grafito-diamante en forma de monocristales, sus intercrecimientos, gemelos, agregados policristalinos, cristales de marco, cristales en forma de aguja, granos irregulares. Casi todas las características tipomórficas enumeradas de los cristales de diamante se encontraron en la muestra en estudio.
Esto nos permite concluir que los procesos de cristalización del diamante en una nube de vapor de níquel-carbono durante su enfriamiento y cristalización espontánea a partir de una solución de carbono en una fusión de níquel en experimentos son similares. Sin embargo, la conclusión final sobre la naturaleza del diamante se puede obtener después de estudios isotópicos detallados, para lo cual es necesario obtener una cantidad suficientemente grande de sustancia.
Así, el estudio de la materia cósmica en la capa arcillosa de transición en el límite Cretácico-Paleógeno mostró su presencia en todas las partes (desde la capa J1 hasta la capa J6), pero los signos de un evento de impacto se registran solo en la capa J4, que tiene 65 millones de años. Esta capa de polvo cósmico se puede comparar con la muerte de los dinosaurios.
