Svepelektronmikroskopibild av mikrostrukturen av albit före de snabba kompressionsexperimenten. Bilden spänner över cirka 0,036 millimeter. Kredit:Stony Brook University, Lars Ehm
En amerikansk-tysk forskargrupp har simulerat meteoritnedslag i labbet och följt de resulterande strukturella förändringarna i två fältspatmineraler med röntgenstrålar när de inträffade. Resultaten av experimenten vid DESY och vid Argonne National Laboratory i USA visar att strukturella förändringar kan ske vid mycket olika tryck, beroende på kompressionshastigheten. Resultaten, publicerades i numret av den vetenskapliga tidskriften den 1 februari Earth and Planetary Science Letters (publiceras online i förväg), kommer att hjälpa andra forskare att rekonstruera de förhållanden som leder till nedslagskratrar på jorden och andra jordiska planeter.
Meteoritnedslag spelar en viktig roll i bildningen och utvecklingen av jorden och andra planetariska kroppar i vårt solsystem. Men påverkansförhållandena, inklusive slagkroppens storlek, hastighet och topptryck och temperatur, bestäms vanligtvis långt efter nedslaget inträffade genom att studera permanenta förändringar i de bergbildande mineralen i nedslagskratern. För att rekonstruera nedslagsförhållandena från bergrekordet i en nedslagskrater hundratals till miljoner år efter händelsen kräver forskarna att förena observationer från fältet med resultaten från laboratorieexperiment.
Under de senaste decennierna, forskare har utvecklat ett klassificeringsschema som knyter anslagsförhållanden till tryck- och temperaturinducerade förändringar i stenbildande mineral som kan hittas i typiska bergarter i nedslagskratrar. Fältspatgruppens mineraler albit (NaAlSi 3 O 8 ), anortit (CaAl 2 Si 2 O 8 ) och deras blandning plagioklas (NaxCa 1-x Al 2-x Si 2+x O 8 ) är mycket rikligt förekommande i planetskorpan. Därför, förändringar i dessa mineral med avseende på tryck och temperatur används i stor utsträckning som indikatorer för mycket stora effekter. Sådana förändringar inkluderar strukturella transformationer eller amorfisering, förlusten av ordnad kristallstruktur.
Mikrostruktur av ett albitprov återhämtat sig efter komprimering till 44 gigapascal (GPa) med en hastighet av 0,1 GPa per sekund. Bilden spänner över cirka 0,007 millimeter. Kredit:Stony Brook University, Lars Ehm
Dock, för fältspatgruppens mineraler, de rapporterade värdena för tryckförhållandena för amorfiseringsövergången skiljer sig avsevärt om statiska eller dynamiska kompressionstekniker används. "Dessa skillnader pekar på stora luckor i vår förståelse av kompressionshastighetsinducerade processer i mineraler, säger Lars Ehm från Stony Brook University och Brookhaven National Laboratory, projektets huvudutredare. Detta har långtgående konsekvenser för tolkningen av naturliga inverkanshändelser baserat på bergrekordet med avseende på hastigheten, meteoritens storlek och andra egenskaper.
Den inre strukturen hos mineraler och andra prover kan undersökas med röntgenstrålar som diffrakteras av ett materials kristallgitter. Från det karakteristiska diffraktionsmönstret, den inre strukturen hos ett prov kan bestämmas. Denna teknik har använts och förfinats i mer än ett sekel. Den kan nu även användas för att spåra dynamiska processer.
"Uppkomsten av nya och mycket kraftfulla röntgenkällor som PETRA III, Avancerad fotonkälla, och den europeiska röntgenfria elektronlasern i kombination med de senaste kvantsprången inom röntgendetektorteknologi ger oss nu de experimentella verktygen för att undersöka materialens svar för att mäta atomstrukturen vid snabba kompressionsförhållanden, säger Hanns-Peter Liermann, chef för Extreme Conditions Beamline P02.2 vid DESYs röntgenkälla PETRA III, där några av experimenten utfördes.
Mikrostruktur av albit efter kompression till 46 gigapascal (GPa) med en hastighet av 35 GPa per sekund. Bilden spänner över cirka 0,007 millimeter. Kredit:Stony Brook University, Lars Ehm
"I vårt experiment använde vi gas- eller aktuatorkontrollerade diamantstädceller för att snabbt komprimera våra prover medan vi kontinuerligt samlar in röntgendiffraktionsmönster, " förklarar Melissa Sims, huvudförfattare till studien. "Detta tillåter oss att övervaka förändringarna i atomstrukturen under hela kompressions- och dekompressionscykeln, och inte bara i början och slutet av experimentet som i tidigare så kallade återhämtningsexperiment."
Forskargruppen kunde observera amorfisering av albit och anortit vid olika kompressionshastigheter i experimentet. De komprimerade mineralerna till ett tryck av 80 gigapascal, motsvarande 80, 000 gånger atmosfärstrycket. I experimenten, kompressionshastigheter från 0,1 gigapascal per sekund (GPa/s) till 81 GPa/s användes. "Resultaten visar att beroende på kompressionshastigheten, mineralerna genomgår amorfiseringsövergången vid mycket olika tryck, " Ehm säger. "Ökningen i kompressionshastighet leder till en sänkning av det observerade amorfiseringstrycket." vid den lägsta kompressionshastigheten på 0,1 GPa/s, albit blev helt amorf vid ett tryck på 31,5 gigapascal, medan det vid den högsta hastigheten på 81 GPa/s inträffade redan vid 16,5 gigapascal.
"Av dessa anledningar, amorfisering i plagioklasmineraler är sannolikt inte en entydig standard för att föreslå specifika topptryck och temperaturförhållanden under meteoritnedslag, " säger Ehm. Ytterligare undersökningar behövs för att till fullo förstå beteendet hos dessa mineral och för att bedöma om påverkansförhållanden kan mätas mot strukturen hos bergmineraler.
