Figury, struktury Widmanstättena (Widmanstätten pattern; Widmanstatten) 
Na wypolerowanych i wytrawionych słabym kwasem (najczęściej roztworem kwasu azotowego w alkoholu) powierzchniach przecięcia meteorytów żelaznych i żelazno-kamiennych, widać charakterystyczny wzór równoległych belek (lamelek) kamacytu i taenitu zwany figury Widmanstättena. Struktury te obserwowane są tylko w oktaedrytach i pallasytach (również na metalowych częściach winonaitów, zaobserwowano je też w dużych metalowych inkluzjach chondrytów zwyczajnych, np. Portales Valley*). Na powierzchniach heksaedrytów składających się praktycznie z samego kamacytu, jak i w ataksytach zbudowanych z czystego taenitu struktur tych nie ma. Najładniejsze figury mają meteoryty Gibeon (Of), Muonionalusta (Of), Henbury (Om), Cape York (Om).
Pierwszy figury Widmanstättena zaobserwował i opisał w 1804 roku brytyjski mineralog G. Thomson podczas czyszczenia i trawienia powierzchni meteorytu Żelaza Pallasa (pallasytu Krasnojarsk), ale przyjęło się ogólnie nazywać je od nazwiska austriackiego mineraloga Count Alois von Beckh Widmanstätten'a, który zaobserwował je dopiero w 1808 roku, ale opublikował swoje obserwacje natychmiast w poczytnym piśmie naukowym. Natomiast Thomson wyniki swoich obserwacji opublikował w mało popularnym włoskim piśmie naukowym przez co nie zostały one zauważone – pech. Jako drugi 'pech' związany z osobą Thomsona to fakt, że dokładnie nie wiadomo nawet, jak on miał na imię, publikacja była podpisana G.Thomson, a o jego innej działalności naukowej nic więcej nie wiadomo, ale przyjęło się nazywać go William! (może jednak coś o nim wiadomo?! – gdyż dokładna historia odkrycia figur i o ich odkrywcach znajduje się w artykule Kevina Kichinki w METEORYT 1/2004).
W wyniku długotrwałego, kilkugodzinnego ogrzewania meteorytu w temperaturze powyżej 500oC figury Widmanstättena zanikają. Jak wygląda taka lekko wygrzana warstwa przypowierzchniowa meteorytu żelaznego można zobaczyć na przykładzie małego całkowitego okazu meteorytu Henbury.
Ładny przykład linii Neumana w ziarnie żelaza w meteorycie kamiennym (NWA 6267) u Mirko Graula.
Jak trawić powierzchnię meteorytu w celu uwidocznienia figur Widmanstättena?
Kilka testów na zawartość niklu w meteorytach.
Jak konserwować meteoryty?
- Klasy strukturalne meteorytów żelaznych – heksaedryty, oktaedryty i ataksyty
- Pochodzenie figur Widmanstättena
- Galeria struktur obserwowanych na szlifach powierzchni meteorytów żelaznych i żelazno-kamiennych
 |
 |
 |
 |
Klasy strukturalne meteorytów żelaznych – heksaedryty, oktaedryty i ataksyty
Średnia wielkość belek (lamelek) kamacytu posłużyła do podziału meteorytów żelaznych na kilka grup strukturalnych – heksaedryty, ataksyty i oktaedryty, które podzielono jeszcze na: oktaedryty bardzo gruboziarniste (Ogg – coarsest octahedrite), gruboziarniste (Og – coarse octahedrite), średnioziarniste (Om – medium octahedrite), drobnoziarniste (Of – fine octahedrite) i bardzo drobnoziarniste (Off – finest octahedrite) oraz plessytowe (Opl – plessitic octahedrites). To właśnie struktury Widmanstättena wskazują m.in. na pozaziemskie pochodzenie meteorytu, gdyż nie obserwuje się ich w stopach ziemskich.
| Klasa strukturalna (structural class) |
Symbol (symbol) |
Szerokość belek kamacytu (band width) [mm] |
Średnia zawartość niklu [%] | Odpowiednia grupa w klasyfikacji chemicznej meteorytów żelaznych (related groups, chemical class) |
| heksaedryty (hexahedrites) |
HEX | >50 | 4.5–6.4 | IIAB, IIG |
| oktaedryty bardzo gruboziarniste (coarsest octahedrites) |
Ogg | 3.3–50 | 6.5–7.2 | IIAB, IIG |
| oktaedryty gruboziarniste (coarse octahedrites) |
Og | 1.3–3.3 | 6.5–8.5 | IAB, IC, IIE, IIIAB, IIIE |
| oktaedryty średnioziarniste (medium octahedrites) |
Om | 0.5–1.3 | 7.4–10.3 | IAB, IID, IIE, IIIAB, IIIF |
| oktaedryty drobnoziarniste (fine octahedrites) |
Of | 0.2–0.5 | 7.8–12.7 | IID, |
| oktaedryty bardzo drobnoziarniste (finest octahedtites) |
Off | <0.2 | 7.8–12.7 | IIC, |
| plessytowe (plessitic octahedrites) |
Opl | <0.2 (wrzeciona kamacytu, spindles) | 9.2–18 | IIC, IIF |
| ataksyty (ataxites) |
ATAX | bez struktury | >16.0 | IIF, IVB |
Żelazo krystalizuje w formie ośmiościennych kryształów – oktaedru (złożenia podstawami dwóch piramid z trójkątów równobocznych), stąd nazwa grupy meteorytów żelaznych – oktaedryty.
W zależności od położenia płaszczyzny cięcia w stosunku do orientacji ścian ośmiościennego (oktaedr) kryształu kamacytu, na wytrawionej powierzchni belki kamacytu rozdzielone płytkami taenitu układają się w różne wzory: a – wzór 'trójkąta', kąty ~120o; b – wzór 'kwadratu', kąty ~90o; c – wzór 'chaotyczny'; d – wzór 'sześciokątny', kąty ~60o.
Geneza figur Widmanstättena jest znana. Istotą zrozumienia procesu w jakim formowały się te figury jest wykres fazowy (wykres równowagi fazowej) mieszaniny żelaza i niklu w funkcji temperatury i procentowego udziału niklu oraz różnice w budowie kryształów żelaza i niklu. Wykres fazowy określa w jakim zakresie temperatur i przy jakim udziale niklu poszczególne odmiany krystaliczne stopu Fe-Ni są trwałe.
Podobieństwo cech fizycznych jonów żelaza i niklu
|
żelazo, Fe |
|
 |
• liczba atomowa Z 26, liczba masowa A 56 (4 okres, grupa VIIIB) • gęstość 7.874 g/cm3 • temp. topnienia 1538oC • krystalizuje w układzie krystalograficznym regularnym (sześciennym) przestrzennie centrowanym (cubic crystal system, body-centered cubic), grupa przestrzenna Im3m. Forma kryształów ośmiościan (oktaedr), np. fluoryt. Promień atomowy 0.140 nm. |
|
nikiel, Ni |
|
 |
• liczba atomowa Z 28, liczba masowa A 58 (4 okres, grupa VIIIB) • gęstość 8.908 g/cm3 • temp. topnienia 1455oC • krystalizuje w układzie krystalograficznym regularnym (sześciennym) ściennie centrowanym (cubic crystal system, face-centered cubic), grupa przestrzenna Fm3m. Forma kryształów sześcian, np. piryt. Promień atomowy 0.135 nm. |
Podobieństwo jonów żelaza i niklu umożliwia tworzenie wzajemnych roztworów stałych Fe-Ni. W temperaturach powyżej 912oC żelazo tworzy odmianę γ-Fe (gamma-Fe) i możliwe są izomorficzne roztwory stałe Ni-Fe (układ Fm3m) o dowolnej zawartości niklu. Jednak w niższych temperaturach, pewne różnice w ich układach krystalograficznych (oba to regularny, ale Fe – przestrzennie, Ni – śiennie centrowane) wprowadzają pewne ograniczenia w tworzeniu tych roztworów. Żelazo rodzime może zawierać do 7% niklu, w warunkach normalnych występuje w trwałej postaci α-(Fe,Ni) (alpha-(Fe,Ni)). Jego odmiana wzbogacona w nikiel nosi nazwę żelazo-nikiel i może zawierać do 25% Ni, ale nadal ma układ Im3m. Na Ziemi występuje ono pod nazwą żelaza tellurycznego, w meteorytach to kamacyt.
Z drugiej strony w niklu o układzie Fm3m domieszka żelaza może dochodzić do 70%. Taki stop ma nazwę nikiel-żelazo. W meteorytach to taenit.
| Przykładowa komórka elementarna kryształu kamacytu (9 atomów) 7 atomów żelaza i 2 atomy niklu |
Przykładowa komórka elementarna kryształu taenitu (14 atomów) 9 atomów żelaza i 5 atomów niklu |
 |
 |
Stop żelaza i niklu w temperaturach powyżej ~1500oC tworzy jednorodną ciekłą mieszaninę. W miarę obniżania się temperatury stygnącego stopu do temperatury 912oC składa się on z czystego taenitu (odmiany γ-(Fe,Ni)) i tworzy roztwór stały izomorficzny. W zależności od udziału niklu w stopie końcowym efektem stygnięcia będzie kamacyt, taenit i/lub ich mieszanina, plessyt.
Wielkość belek kamacytu (alfa-(Fe,Ni)) w oktaedrytach jest prawdopodobnie pochodną tempa w jakim stygł stop. Im dłuższy czas stygnięcia, tzn. wolniejsze tempo – tym belki kamacytu są szersze, a paski taenitu bogatsze w nikiel. Modele stygnięcia stopu uwzględniające zjawisko dyfuzji wskazują, że w zakresie temperatur w którym formowała się budowa oktaedrytu, tempo spadku temperatury było średnio rzędu 1–10 stopni na milion lat! Tak powolny stopień ochładzania mógł mieć miejsce wewnątrz małych zdyferencjonowanych planetek o rozmiarach już od 100–200 km, a izolację termiczną dla powolnego wychładzania zapewniał płaszcz krzemianowy.
(...)
Galeria struktur obserwowanych na szlifach powierzchni meteorytów żelaznych i żelazno-kamiennych
Jak wyglądają figury Widmanstättena można zobaczyć na tysiącach zdjęć dostępnych w internecie. Postanowiłem tu zaprezentować nie fotografie, ale rysunki wytrawionych powierzchni meteorytów widzianych oczyma grafika. Konieczność narysowania jakiejś struktury stwarza okazję do oddania istoty obserwowanej formy. Banalnym byłoby dosłowne przekopiowanie widzianego obrazu, rysując można dokonać pewnych zabiegów generalizując i 'upiekszając' rzeczywistość. Oglądając poniższe skany rysunków można odnieść wrażenie, że ich autor starał się na nich oddać 'istotę' wyglądu każdego z meteorytów?!?
Źródło (source): Rysunki pochodzą z książki – Zavarickij A.N., Kvasza L.G. (Заварицний А.Н., Кваша Л.Г.), (1952), Meteority SSSR. (Метеориты СССР. Коллекциа Академии Наук СССР). USSR Academy of Sciences (Академия Наук СССР, Комитет по метеоритам). Izdatelstvo Akademii Nauk SSSR, Moscow 1952.
| Rysunki meteorytów żelaznych i żelazno-kamiennych w kolejności: heksaedryty (HEX) – oktaedryty (Ogg–Og–Om–Of–Off–Opl) – ataksyty (ATAX) – pallasyty (PAL) | |||||||||
| |||||||||
| |||||||||
|
|||||||||
| |||||||||
| |||||||||
| |||||||||
| |||||||||
| |||||||||
| |||||||||
| |||||||||
| |||||||||
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
Źródła (sources): [MetCCCP 1952], [Hurnik 1992].
art. Kichinka Kevin, Gdyby róża nazywała się inaczej... . Sprawa zmiany nazwy figur Widmanstättena, METEORYT 1/2004, pp.3–6,
Skąd nazwa figur i kim byli jej odkrywcy. Oryginalne rysunki Thomsona – rzeczywistego odkrywcy figur Widmanstättena.
O cięciu i konserwacji meteorytów żelaznych.
Mocno zawansowane terminologicznie i pokręcone ;-) teksty o metalurgii, również w kontekscie figur Widmanstattena, na stronach P.Z. Budki – meteormetals.com.
