Skorupa obtopieniowa (fusion crust)

Skorupa obtopieniowa (fusion crust, fusion rind)

Skorupa obtopieniowa

Zewnętrza warstwa skorupy obtopieniowej (meteoryt [Breja]) (fusion crust)

Chondryt zwyczajny [Breja]

Barwne smugi na skorupie to wynik uderzenia meteorytu o skały podłoża.

Jedną z charakterystycznych cech świeżo spadłych meteorytów jest pokrywająca okazy skorupa obtopieniowa (ang. fusion crust, niem. Schmelzkruste). Jest to przetopiona, szklista powierzchnia meteorytu uformowana w czasie przelotu przez atmosferę. Tarcie powietrza powoduje nagrzanie powierzchni meteorytu nawet do temperatury 2500^oC. Minerały ulegają stopieniu i spływają (lub odparowują) często formując na powierzchni linie spływu (widoczne szczególnie na powierzchniach meteorytów orientowanych), równocześnie turbulencje rzeźbią na powierzchni tzw. regmaglipty. Cały proces tworzenia skorupy przebiega bardzo szybko, w czasie rzędu kilku sekund i dotyczy cienkiej warstwy pod powierzchnią meteorytu (małe przewodnictwo cieplne materii z której zbudowany jest meteoryt, szczególnie meteoryty kamienne i krótki czas trwania procesu nie powoduje nagrzania 'zimnego' meteorytu, a powstające ciepło jest całkowicie zużywane na odparowanie stopionej materii). Meteoryt w wyniku oporu powietrza zwalnia, stopiony materiał stygnie formując cienką, czasami lekko spienioną, szklistą skorupę powlekającą meteoryt.

Typowa skorupa obtopieniowa jest czarno brązowa, czarna lub niebieskawo czarna, ale niektóre meteoryty mają skorupę jasną (np. Norton County). Barwa związana jest z występowaniem żelaza w składzie meteorytu. Skorupa powstała w początkowej (żarzącej) fazie przelotu nazywa się skorupą pierwotną (I rzędu), w końcowej fazie (świetlistej), jeśli nastąpi rozpad (fragmentowanie) masy meteorytu na powierzchniach przełamu, wykształca się również skorupa wtórna (II rzędu). Szklisty charakter skorupy, można powiedzieć 'emalia', pokrywając meteoryt czyni go bardziej odpornym na warunki wietrzenia na Ziemi.

Zdjęcie z mikroskopu elektronowego wykonane metodą BSE (elektrony wstecznie rozproszone, Back Scattered Electrons), przekroju zewnętrznych warstw meteorytu Sołtmany. Na obrazie otrzymany z płytki cienkiej widać wszystkie elementy składające się na skorupę obtopieniową (dla meteorytów kamiennych).

Patrząc od góry:

cienka zewnętrzna warstwa całkowicie przetopionej i w znacznym stopniu utlenionej i zeszklonej skorupy, widać owalne pory, a w głębszych warstwach małe kryształy spineli oraz wtórne pirokseny;
pod warstwą zewnętrzną głębsza, przypowierzchniowa uplastyczniona warstwa;
następnie grubsza warstwa tzw. strefa czarnych żyłek, a w niej również nienaruszone jasne kryształy fazy metalicznej;
na samym dole obrazu, poniżej warstwy czarnych żyłek, praktycznie niezmienione wnętrze meteorytu składające się z kryształów oliwinu, piroksenów i skaleni z małymi wtrąceniami fazy metalicznej i troilitu.

Skala na zdjęciu to 200 μm, doskonale tu widać, że w meteorytach kamiennych zmiany pod wpływem temperatury zachodzą na niewielkich głębokościach pod powierzchnią meteorytu. Jest to spowodowane słabą przewodnością cieplną krzemianów. Typowa grubość skorupy obtopieniowej na meteorytach kamiennych wynosi od ułamka milimetra do około 1,5 mm.

Obraz skorupy obtopieniowej meteorytu Sołtmany w mikroskopie elektronowym SEM BSE; © Łukasz Karwowski

Na obrazach z BSE stopień szarości poszczególnych kryształów jest funkcją procentowej zawartości pierwiastków o coraz wyższej liczbie masowej. Minerały takie jak oliwin i piroksen, zawierają w swym składzie, obok żelaza (Fe) i magnezu (Mg), dużo lekkich atomów tlenu (O) i krzemu (Si), widać je więc jako szare obszary. Oliwin zawierający więcej żelaza od piroksenu będzie od niego jaśniejszy. W uproszczeniu: jasnoszare kryształy to oliwin, ciemniejsze to pirokseny, a te najciemniejsze to skalenie (czarne to z reguły szczeliny i ubytki preparatu). Obszary jasne i białe to fragmenty fazy metalicznej Fe-Ni lub troilit FeS oraz akcesorycznie chromit (FeCr₂O₄). Zawierają one dużo pierwiastków ciężkich, więc są najjaśniejsze. Więcej patrz: Mikrosonda.

Widoczne w preparatach liczne spękania kryształów i szczeliny pomiędzy nimi są naturalnego pochodzenia, część z nich powstaje w trakcie spadku w wyniku naprężeń mechanicznych i pod wpływem temperatury. Należy również zaznaczyć, że niewielki procent pęknięć powstaje w trakcie przygotowywania preparatów - mechaniczne naprężenia. Stąd część żyłek w strefie czarnych żyłek nie jest wypełniona, gdyż powstały one później w trakcie przygotowywania preparatu.

Zewnętrzna powierzchnia (warstwa) meteorytu

Zewnętrzna warstwa skorupy

Zewnętrza warstwa skorupy obtopieniowej (fusion crust)

Na tym przykładzie widać, że zewnętrza warstwa jest całkowicie zeszklona, a faza krystaliczna (spinele) leży głębiej.

Meteoryt "fresh-OM" © Łukasz Karwowski

Zewnętrzna warstwa skorupy jest cienka, często czarna i lekko porowata (rozmiary por są rzędu 10^–3–10^–2 mm) – zawiera pęcherzyki gazu (ang. bubbles) oraz częściowo przetopione okruchy minerałów pierwotnych i wtórnych (najczęściej są to tlenki (spinele), gdyż w wysokiej temperaturze zachodzą intensywne reakcje chemiczne z tlenem z powietrza). W tej najbardziej zewnętrznej warstwie są najczęściej tylko elementy szkliste, a nieco głębiej z fazami krystalicznymi (patrz fot. obok). W meteorytach kamiennych udział por dochodzi do 50% objętości, w meteorytach żelaznych do kilku procent.

W trakcie kilkusekundowego przelotu meteorytu przez atmosferę, jego powierzchnia rozgrzewa się do temperatury powyżej 2500^oC, wszystkie minerały ulegają stopieniu i w wyniku ablacji zostają szybko usunięte (odparowane lub zdmuchnięte). Stopiona warstwa po zastygnięciu tworzy skorupę pierwszego rzędu. W tej fazie spadku meteoryt może utracić ponad 90% swojej początkowej masy. Szybkie wyhamowanie w połączeniu z zimnym wnętrzem meteorytu powoduje błyskawiczne stygnięcie stopionej otoczki. Burzliwy proces topienia, parowania i zdmuchiwania nagle ustaje - na powierzchni meteorytu pozostają strugi i krople zakrzepłego szkliwa (flow lines, splash droplets), małe okruchy niestopionych kryształów, całość pokrywa się silnie spienioną (pęcherzyki, bubbles), porowatą warstwą (drobne otworki, splash craters) przypominającą aksamitną strukturę^[1]. Zakrzepła zewnętrzna warstwa ponownie staje się twarda i nieelestyczna, stygnąc kurczy się ona i pęka. Na powierzchni meteorytu pojawiają się charakterystyczne delikatne spękania (ang. contraction cracks) przypominające spękania na źle wypalonej glazurze. Szklista warstwa, która stanowiłaby szczelny 'pancerz' chroniący meteoryt przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi ulega osłabieniu.

Na chondrytach zwyczajnych i węglistych skorupa jest bardziej matowa niż na achondrytach, choć nie jest to regułą i zależy silnie od składu mineralnego w szczególności od zawartości fazy metalicznej i troilitu oraz temperatury procesu.

W meteorytach kamiennych ta część skorupy ma grubość od ułamka milimetra do 1,5 mm (choć zdarzają się meteoryty ze skorupą o grubości ponad 2 mm, a niektóre okazy meteorytu Tamdakht miały fragmenty skorupy o grubości do 1 cm!).

Kryształy spineli

Meteoryt Sołtmany © Łukasz Karwowski

Głównymi minerałami powierzchni skorupy są tlenki (spinele): magnetyt (Fe₃O₄, silnie magnetyczny) i trevoryt (NiFe₂O₄), powstają one z utlenienia stopu Fe-Ni i troilitu. W meteorytach żelaznych praktycznie cała skorupa jest z nich zbudowana, w kamiennych udział tych minerałów nie przekracza 50%. W krótkotrwałym procesie stygnięcia i krzepnięcia warstwy przypowierzchniowej dochodzi do wykrystalizowania małych kryształów spineli, przyjmują one postać mikroskopijnych dendrycznych struktur zanurzonych w bezpostaciowym szkliwie. To właśnie zawartość magnetytu i trevorytu nadaje skorupie charakterystyczną ciemną czarną barwę.

W meteorytach ubogich w żelazo (głównie achondrytach) skorupa może być jaśniejsza. W aubrycie Norton County* skorupa była lekko przezroczysta, popielata, natomiast w meteorytach księżycowych jest ona często przezroczysta i ma kolor oliwkowo-zielony (olive-green). Na wielu okazach meteorytów kamiennych obserwuje się fragmenty skorupy obtopieniowej o wyraźnym brązowym zabarwieniu. Jest to skutkiem względnie stabilnej orientacji meteorytu podczas spadku. Czołowa powierzchnia takiego okazu jest czarna, natomiast strona przeciwna do kierunku lotu jest lekko brązowa. Jest to spowodowane mniejszą zawartością magnetytu w skorupie.

Głębiej w przypowierzchniowych warstwach skorupy temperatura jest już niższa rzędu ~1500^oC i zachodzi tam tylko częściowe przetopienie minerałów...

Uplastyczniona warstwa przypowierzchniowa

"Rozmyte" kryształy piroksenu

Rozmyte kryształy piroksenów (fusion crust)

Meteoryt "fresh-OM" © Łukasz Karwowski

Głębiej w przypowierzchniowych warstwach skorupy temperatura jest już niższa, rzędu ~1500^oC i zachodzi w niej tylko częściowe przetopienie minerałów. Następuje częściowe roztopienie łatwo topliwych minerałów, głównie stopu Fe-Ni i troilitu oraz pękanie ziaren minerałów krzemianowych - powstaje silnie przegrzana strefa. Stopiony metal z troilitem tworzy eutektyk^[3], stygnąc dochodzi w nim do odmieszania - efektem są ziarna stopu, np. jak na tym zdjęciu, zawierające owalne struktury kamacytu (jaśniejsze) w siarczku. Część ziaren ulega lekkiemu nadtopieniu - staje się plastyczna. Na obrazach BSE granice pomiędzy takimi kryształami ulegają rozmyciu, w wyniku pojawiającej się słabej dyfuzji pomiędzy kryształami pojawiają się "cienie". Najlepiej widać to na kryształach piroksenów (ciemniejsze szare, rozmyte obszary), które uplastyczniają się już w niższych temperaturach niż oliwiny.

Stopiona materia z warstwy powierzchniowej nie wnika tu w powstałe pęknięcia, gdyż ze wzglądu to, że ziarna są plastyczne pory i szczeliny łatwo się zasklepiają i zamykają. Nie widać w niej czarnych żyłek.

W meteorytach żelaznych (oraz żelaznej fazie pallasytów i mezosyderytów) ze względu na dużo lepsze przewodnictwo cieplne żelaza niż krzemianów, do wysokiej temperatury ulega nagrzaniu głębsza, grubsza warstwa pod powierzchnią. Pod wpływem temperatury powyżej 500^oC zanikają linie Neumanna i figury Widmanstättena. Na przekrojach meteorytów żelaznych widać wówczas grubą, nawet kilkumilimetrową, strefę przegrzania o drobnoziarnistej budowie.

Płynna materia (stopiony metal i siarczek) może natomiast wnikać w pory i pęknięcia głębszej fazy krzemianowej, formując charakterystyczne, mikroskopowej wielkości żyłki o dendrytowym kształcie tzw. strefę czarnych żyłek...

Chondra belkowa oliwinowa na powierchni skorupy obtopieniowej meteorytu Tamdakht (fusion crust)

Tamdakht*; © Tomasz Jakubowski

Poniżej przepiękny przykład różnic temperatury topnienie (mięknięcia) minerałów.

Widoczny na zdjęciu fragment oliwinowej chondry belkowej został nadtopiony przy powierzchni. Wykształcona cienka warstwa skorupy obtopieniowej pokryła kryształy oliwinu i 'wniknęła' w mezostazis. Trudno topliwe belki oliwinu wystają nad łatwiej topliwym wypełnieniem przestrzeni pomiędzy belkami składającym się ze skaleni, piroksenu i resztek oliwinu. Na fotografii obok widać, jak mogła wyglądać ta chondra na powierzchni meteorytu.

Chondra belkowa przy powierzchni skorupy obtopieniowej (fusion crust)

Jasne obszary to faza metaliczna lub troilit. Jasno szare - oliwin, szare - piroksen, ciemno szare - skalenie. Podobne zjawisko widać na innym zdjęciu, gdzie w przestrzeń pomiędzy dwoma dużymi jasnoszarymi kryształami oliwinu (środkowa lewa część zdjęcia) wypełnionej łatwiej topliwym piroksenem, głębiej wniknęła stopiona skorupa.

Obraz przypowierzchniowej chondry w meteorycie "fresh-OM" w mikroskopie elektronowym SEM BSE; © Łukasz Karwowski

Strefa czarnych żyłek

Meteoryt "fresh-OM" © Łukasz Karwowski

Płynna faza stopionej warstwy przypowierzchniowej wnika w pory i pęknięcia otaczającej fazy krzemianowej, formując charakterystyczne, mikroskopowej wielkości żyłki o dendrytowym kształcie tzw. strefę czarnych żyłek. Naturalne pęknięcia kryształów i szczeliny pomiędzy nimi zostają wypełnione roztopioną materią o bardzo zróżnicowany składzie, głownie jest to kamacyt, taenit i troilit silnie ze sobą wymieszane i nieskrystalizowane^[2].

W świetle widzialnym żyłki są czarne (stąd nazwa), gdyż składają się z drobnoziarnistej materii zabarwionej tlenkami żelaza, natomiast w mikroskopie elektronowym, ze względu na duży udział jonów żelaza, są jasne.

Tę strefę zalicza się do skorupy. Odspajanie się skorupy zachodzi właśnie na granicy strefy czarnych żyłek i niezmienionego wnętrza meteorytu.

Wszystkie warstwy składające się na skorupę obtopieniową (fusion crust)

Patrząc od góry: cienka zewnętrzna warstwa całkowicie przetopionej skorupy, widać owalne pory; przypowierzchniowa uplastyczniona warstwa; następnie grubsza warstwa tzw. strefa czarnych żyłek; na samym dole obrazu, poniżej warstwy czarnych żyłek, praktycznie niezmienione wnętrze meteorytu składające się z kryształów oliwinu, piroksenów i skaleni.

Obraz przypowierzchniowych warstw meteorytu Sołtmany w mikroskopie elektronowym SEM BSE; © Łukasz Karwowski

A jak to wygląda w meteorytach żelaznych?

Nadtopione ziarno schreibersytu

Skorupa obtopieniowa w meteorycie Morasko (fusion crust)

Stopiony schreibersyt (te najjaśniejsze owalne ziarna), kamacyt i trochę taenitu. Widać bąble gazu.

Morasko © Łukasz Karwowski

Meteoryty żelazne mają prostszy (!? o tym dalej) skład niż meteoryty kamienne. Skorupa obtopieniowa na ich powierzchni jest często koloru niebieskawoczarnego (blueish black), bardziej delikatna niż w meteorytach kamiennych i rzadko ma więcej niż ćwierć milimetra. Tworzący ją stop metaliczny jest bardziej plastyczny, więc jest ona również mniej spieniona i porowata oraz stygnąc nie pęka tak łatwo jak w meteorytach kamiennych. Częściej i liczniej występują na niej strużki (ang. flow-lines) zastygłej materii.

W głębokich regmagliptach (w meteorytach żelaznych są one głębsze niż w meteorytach kamiennych) mogą pozostawać niezdmuchnięte fragmenty przetopionego materiału. Mogą one zawierać siarczki oraz liczne, np. w Morasku kryształy magnetytu i trevorytu.

Poza przeważającym w składzie kamacytem i taenitem wiele meteorytów żelaznych ma dużo wtrąceń schreibersytu (fosforek, (Fe,Ni)₃P) i cohenitu (węglik, (Fe,Ni,Co)₃C) oraz liczne, duże nodule troilitowe (FeS). Gdy ziarna te znajdują się blisko powierzchni łatwo się topią i urozmaicają wygląd skorupy obtopieniowej. Widać je w postaci silniej spienionej w tym miejscu skorupy, mają inną barwę. Wiele zagłębień po wytopionych nodulach troilitowych przypomina regmaglipty.

Ze wzglądu na dobrą przewodność cieplną żelaza, strefa przegrzania w meteorytach żelaznych jest grubsza, może dochodzić do kilku milimetrów. W temperaturze powyżej 500^oC zanikają w niej figury Widmanstättena i linie Neumanna.

Dodatkowe linki: Sikhote-Alin's crust - www.AsteroidChippings.com •


Stopiona kropla schreibersytu (najjaśniejsze owalne formy), kamacytu i taenitu	Kamacyt i taenit w pobliżu odparowanej noduli FeS - nagromadzenie wtórne. Szare dendrytyczne wypełnienie to siarczki kobaltu i niklu (patrz LK_FOT3)	Granica meteorytu właściwego i napłyniętej mieszaniny stopu Fe-Ni i dendrytycznych siarczków	Warstwa skorupy przy małym powiększeniu (patrz LK_FOT7). Widać szybkie wietrzenie w strefie zewnętrznej

Przypowierchniowa warstwa meteorytu żelaznego Morasko (fusion crust)

Przy powierzchni zmienionego termicznie kamacytu widać spienioną skorupę z bąblami (pustkami). Skorupa to głównie nagromadzony wtórnie kamacyt i taenit. Szare dendrytyczne przestrzeni pomiędzy nimi to siarczki niklu i kobaltu (o składzie niestechiometrycznym) powstałe w trakcie odparowania żelaza.

Skorupy I, II i dalszych rzędów...

... to temat na osobne hasło ;-)

Przypisy

[1] To właśnie ta delikatna aksamitna struktura nadaje skorupie obtopieniowej meteorytów kamiennych lekko matowy charakter. Z czasem ulega ona zatarciu w wyniku dotykania i złego przechowywania - powierzchnia meteorytu wybłyszcza się (wygładza). Również od chwili spadku, szorstka i "nieszczelna" powierzchnia meteorytu zaczyna ulegać działaniom czynników zewnętrznych. Stąd tak ważne jest natychmiastowe odszukanie okazów i delikatne obchodzenie się z nimi.

[2] Część spękań i szczelin w strefie czarnych żyłek powstaje w trakcie mechanicznego przygotowywania preparatu, więc są one niewypełnione stopioną materią.

[3] Eutektyczne stopy żelaza i troilitu występują czasami również w najbardziej zewnętrznej szklistej warstwie skorupy. Stopy takie są częste w skorupach wszystkich chondrytów, stwierdzono ich występowanie w skorupie mezosyderytu Łowicz*. Tworzą się one również w trakcie impaktu i występują w żyłkach szokowych.

Źródła (sources)

Wyniki badań meteorytu Sołtmany i "fresh-OM" wykonanych przez prof. Łukasza Karwowskiego z Uniwersytetu Śląskiego • artykuł Richarda Nortona o skorupie obtopieniowej w METEORYCIE 3/2004.

WUStL - Meteorite od meteoritewrong? Fusion crust • Meteorite Recon - Fusion crust: formation, composition, morphology • Thaisen K.G., Lawrence A.T., Meteorite fusion crust variability, MaPS 44, nr 6, p.871-878, 2009.

woreczko.pl: figury Widmanstättena • meteoryty orientowane • minerały w meteorytach • regmaglipty • żelazo w meteorytach

Page since: 2011-11

Page update: 2011-12-20 11:32