Когда метеорит пролетает сквозь атмосферу и падает на Землю, как его сильное воздействие меняет минералы, обнаруженные на месте посадки? Эти короткоживущие химические фазы, которые создаются такими экстремальными ударами, могут многое рассказать ученым о минералах, существующих в условиях высокой температуры и давления, обнаруженных глубоко внутри планеты. В новой работе исследователи изучали кристаллическую структуру кварцевого минерала при ударном сжатии и подвергали сомнению давние предположения о том, как этот широко распространенный материал ведет себя в таких экстремальных условиях. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.
Кварц — один из самых распространенных минералов в земной коре, обнаруженный во множестве различных типов горных пород. В лаборатории команда под руководством Салли Джун Трейси из Карнеги решила сымитировать удар метеорита и «посмотреть, что произойдет».
Ученые использовали модицифицированную газовую пушку для ускорения снарядов в образцы кварца на чрезвычайно высоких скоростях — в несколько раз быстрее, чем пуля, выпущенная из винтовки. Использовались специальные рентгеновские инструменты, чтобы различить кристаллическую структуру материала, которая образуется менее чем за одну миллионную секунды после удара. Эксперименты проводились в секторе динамического сжатия (DCS), который находится в ведении Государственного университета Вашингтона и расположен в усовершенствованном источнике фотонов — Аргоннской национальной лаборатории.
Кварц состоит из одного атома кремния и двух атомов кислорода, образующих тетраэдрическую решетчатую структуру. Поскольку эти элементы также распространены в богатой силикатами мантии Земли, обнаружение изменений, которые претерпевает кварц в условиях высокого давления и температуры, как и в недрах планеты, может раскрыть подробности ее геологической истории.
Когда материал подвергается экстремальным давлениям и температурам, его внутренняя атомная структура может измениться, что приведет к изменению его свойств. Например, и графит, и алмаз сделаны из углерода. Но графит, образующийся при низком давлении, мягкий и непрозрачный, а алмаз, образующийся при высоком давлении, сверхтвердый и прозрачный. Различное расположение атомов углерода определяет их структуру и свойства, а это, в свою очередь, влияет на то, как мы взаимодействуем с ними и используем их.
Несмотря на десятилетия исследований, в научном сообществе ведутся давние дебаты о том, какую форму примет кремнезем во время удара или в условиях динамического сжатия, таких как те, которые используются Трейси и ее сотрудниками. При ударной нагрузке часто предполагается, что кремнезем превращается в плотную кристаллическую форму, известную как стишовит, — структуру, которая, как полагают, существует в глубинах Земли. Другие утверждали, что из-за быстрой временной шкалы удара материал вместо этого примет плотную стекловидную структуру.
Трейси и ее команда смогли продемонстрировать, что, вопреки ожиданиям, когда минерал подвергается динамическому удару, превышающему нормальное атмосферное давление более чем в 300 000 раз, кварц претерпевает переход в новую неупорядоченную кристаллическую фазу, структура которой является промежуточной между полностью кристаллическим стишовитом и полностью кристаллическим стишовитом. Оказалось, смоделированные удары метеорита могут привести к появлению минералов необычной формы. Однако новая структура не может существовать после того, как утихнет всплеск сильного давления.
«Эксперименты по динамическому сжатию позволили нам положить конец этим давним дебатам, — заключила Трейси. — Более того, ударные процессы являются важной частью понимания формирования и эволюции планет, и продолжающиеся исследования могут дать новую информацию».
Читать также
Посмотрите, как может выглядеть Proxima b. Это планета ближайшей к нам звезды
Симптомы коронавируса у детей. На что стоит обратить внимание?
На 3 день болезни большинство больных COVID-19 теряют обоняние и часто страдают насморком