Кальций-алюминиевые включения метеоритов позволили построить наиболее точную временную последовательности формирования твердого вещества в Солнечной системе

Несмотря на интенсивное развитие космических исследований и современные полеты к астероидам разных типов, метеориты и их компоненты были и остаются основным источником информации о ранней протопланетной истории Солнечной системы. По материалам докторской диссертации с.н.с. лаборатории метеоритики и космохимии ГЕОХИ РАН Марины Александровны Ивановой в журнале «Геохимия» опубликован обзор, в котором представлены основные исследования первого твердого вещества, образованного в Солнечной системе, за последние 50 лет, а также освещены новые задачи, которые стоят перед исследователями на сегодня и на будущее.

Все компоненты метеоритов важны для изучения, но особенно уникальную информацию содержат кальций-алюминиевые включения (CAIs) (Рис. 1), амебовидные включения (AOAs) и хондры – ранние образования Солнечной системы. Эти компоненты сохранили до наших дней следы самых первых процессов химического и изотопного форакицоирования, происходивших на заре существования Солнечной системы.

На основании их изучения была построена наиболее точная временная последовательность процесcов формирования твердого вещества в Солнечной системы. Средний возраст образования CAIs 4567,30 ± 0,16 млн лет и, следовательно, возраст образования Солнечной системы, который является точкой отсчета времени формирования всех остальных объектов Солнечной системы (Connelly et al., 2012). Процессы преобразования хондр CV3 хондритов в протопланетном диске длились 3 млн лет, а процесс преобразования CAIs CV3 хондритов продолжались менее 200 000 лет. (Connelly et al., 2012). Вторичные преобразования CAIs проходили уже после аккреции родительских астероидов углистых хондритов, под воздействием водных флюидов, 3,37±0,7 млн лет после образования тугоплавких включений CV3 хондритов (MacPherson et al., 2017).

Впервые обнаруженные крупные сантиметровые CAIs CV3 хондритов в форме простого и вогнутого диска испытали пластическую деформацию во время их движения в протопланетном диске (Lorenz et al., 2019). При этом, каймы вокруг включений по-разному подвергались процессу испарения, что привело к их разным составам и мощностям. Эти наблюдения имеют большое значение для понимания процессов транспорта включений через протопланетный диск.

Валовые составы захваченных включений в составное CAI соответствуют тренду равновесной конденсации, так как, находясь в составном включении, они были изолированы от процессов испарения и сохранили свой первозданный химический состав (Ivanova et al., 2015). Составные CAIs возникли либо как совокупность множества более мелких CAIs, которые подверглись частичному плавлению, либо как капля расплава, которая захватила много мелких CAIs, предотвратив их испарение, и фиксировали самую раннюю аккрецию тел сантиметрового размера (Ivanova et al., 2015).

Составные включения, как правило, содержат уникальные ультратугоплавкие включения (UR CAIs), которые в отличие от обычных CAIs, испытали многоступенчатую историю формирования (Ivanova et al., 2012). Они свидетельствуют о самом высокотемпературном химическом фракционировании и аномальном обогащении Zr, Y, Hf, Sc и Ti. Ультратугоплавкие CAIs сформировались, вероятнее всего, при конденсации, при температурах выше температур формирования обычных CAIs (>1800 К). Все минералы UR CAIs имели одинаковое «ультратугоплавкое» распределение редкоземельных элементов, что не позволило пока выделить среди них минеральную фазу-носитель. Впервые подробно изученный изотопный состав кислорода показал, что UR CAIs формировались в области, обогащенной изотопом ¹⁶О, с последующим смешением изотопного состава кислорода в системе газ-расплав и расплав-твердое при плавлении и кристаллизации вещества-предшественника, и подтвердил существование двух резервуаров кислорода – бедного и богатого ¹⁶О (Ivanova et al., 2015).

За последние 15 лет было открыто около 20 новых минералов в CAIs. Впервые минеральная фаза CaAl₂O₄ была обнаружена в богатом гросситом CAI из CH-хондрита NWA 470 (Ivanova et al., 2002), названа дмитрийивановитом, и утверждена международной комиссией по новым минералам. Вещество-предшественник дмитрийивановита мог образоваться в результате конденсации газа, в области протопланетного облака, существенно обогащенного пылью по сравнению с «нормальными» условиями в протопланетном облаке и может служить индикатором степени «запыленности» небулы.

Кальций-алюминиевое включение 9bN в матрице углистого хондрита North West Africa 3118 (СV3). Слева: макрофотография. Справа: изображение в рентгеновских лучах Ca, Mg и Al (Mg-красный, Са – зеленый, Al – синий). Размер включения 1,5 см.

Была показана роль процесса испарения в формировании CAIs СН-СВ хондритов (Ivanova et al., 2021). Идеальное совпадение результатов, полученных в ходе экспериментальных работ и термодинамических расчетов, указывает на то, что модель, основанная на теории ассоциированных растворов, использованная в данной работе, адекватно описывает испарение расплавов CAIs различного состава. Если происходило испарение расплава в истории образования CAIs, то наиболее вероятными предшественниками тугоплавких CH-CB CAIs являются мелкозернистые включения с высоким содержанием шпинели или вещество с валовым составом, подобным составу богатых шпинелью CAIs. Время формированися CAIs CH-CB хондритов исследователям еще предстоит определить в будущем, когда будет позволять приборная база ввиду их очень маленьких размеров.

Работа проведена при финансовой поддержке Минобрнауки России.

Источник: Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН.