Видманштеттеновы фигуры¶

Видманштеттеновы фигуры — это крупные кристаллические структуры, наблюдаемые на поверхности некоторых железных метеоритов после травления кислотой или нагрева. Представляют собой характерный узор из пересекающихся полос и пластин, образованных двумя различными фазами железо-никелевого сплава: камаситом и тэнитом. Видманштеттеновы фигуры являются одним из главных диагностических признаков, позволяющих отличить железные метеориты от земных пород, и свидетельствуют об очень медленном охлаждении родительского тела в условиях космического пространства.

¶История открытия

Впервые подобные структуры были описаны в 1808 году австрийским минералогом и горным инженером Алоизом фон Видманштеттеном (Alois von Widmanstätten). Исследуя образцы метеорита, найденного в 1751 году в местечке Грацин (ныне — Храсина, Хорватия), он заметил, что при нагревании на поверхности металла проявляются правильные геометрические линии. Однако систематическое изучение явления началось после того, как в 1813 году Видманштеттен применил травление поверхности азотной кислотой, что позволило чётко выявить кристаллическую решётку. В 1820 году его коллега Карл фон Шумахер опубликовал первые зарисовки этих узоров, и с тех пор структура получила название «видманштеттеновы фигуры» (или «видманштеттенова структура»).

В России одним из первых исследователей этих структур был академик П. Л. Чевкин, который в 1840-х годах изучал метеорит «Палласово железо», найденный в Сибири. Впоследствии видманштеттеновы фигуры стали важным объектом для минералогии и планетологии.

¶Механизм образования

Видманштеттеновы фигуры возникают в результате твёрдофазной диффузии в железо-никелевом сплаве при крайне медленном охлаждении — порядка 1–100 °C за миллион лет. В метеоритном веществе, которое изначально представляет собой однородный твёрдый раствор никеля в железе (γ-фаза, или тэнит), при понижении температуры ниже 900 °C начинается распад на две фазы:

• Камасит — α-фаза, содержащая 4–7 % никеля, имеет кубическую объёмно-центрированную решётку.
• Тэнит — γ-фаза, содержащая 20–50 % никеля, имеет кубическую гранецентрированную решётку.

Из-за низкой скорости диффузии атомов никеля в твёрдом теле камасит выделяется в виде пластин, ориентированных вдоль определённых кристаллографических плоскостей тэнита (обычно по плоскостям октаэдра). Эти пластины пересекаются под углами, характерными для кубической сингонии, образуя сетку. Ширина пластин камасита может варьироваться от долей миллиметра до нескольких сантиметров, в зависимости от скорости охлаждения и состава метеорита. Пространство между пластинами заполнено тэнитом, а на границах фаз часто образуется мелкозернистая смесь — плессит.

¶Классификация железных метеоритов по структуре

Видманштеттеновы фигуры являются основой для классификации железных метеоритов на структурные группы. В зависимости от ширины пластин камасита выделяют:

• Октаэдриты — метеориты с чётко выраженными видманштеттеновыми фигурами. Подразделяются на:
• Грубые октаэдриты (ширина пластин > 3 мм)
• Средние октаэдриты (1–3 мм)
• Мелкие октаэдриты (0,2–1 мм)
• Тончайшие октаэдриты (< 0,2 мм)
• Атакситы — метеориты без видимых видманштеттеновых фигур, состоящие в основном из тэнита с высоким содержанием никеля (более 16 %). В них структура настолько мелкозерниста, что не видна невооружённым глазом.
• Гексаэдриты — метеориты, состоящие преимущественно из камасита, с низким содержанием никеля (около 5 %). Они не образуют видманштеттеновых фигур, но могут иметь линии Неймана — тонкие параллельные линии, связанные с деформацией.

¶Химический состав и связь с никелем

Образование видманштеттеновых фигур возможно только при определённом содержании никеля — от 6 до 16 % по массе. При меньшем содержании никеля сплав остаётся однофазным (камасит), при большем — тэнит стабилен при всех температурах, и распад не происходит. Именно поэтому видманштеттеновы фигуры типичны для октаэдритов, которые составляют около 90 % всех найденных железных метеоритов.

¶Значение для науки

Видманштеттеновы фигуры имеют ключевое значение для планетологии и космохимии:

1. Скорость охлаждения родительского тела: Ширина пластин камасита позволяет оценить скорость охлаждения метеорита. Чем медленнее охлаждение, тем шире пластины. Для грубых октаэдритов скорость охлаждения составляет около 1–10 °C за миллион лет, что соответствует центральным областям астероидов диаметром 100–200 км.
2. Эволюция астероидов: Изучение видманштеттеновых фигур помогает реконструировать термическую историю родительских тел метеоритов — обычно это астероиды типа M (металлические). Структуры указывают на то, что эти тела когда-то были расплавлены и затем медленно остывали в недрах.
3. Происхождение метеоритов: Наличие видманштеттеновых фигур однозначно свидетельствует о внеземном происхождении образца, так как в земных условиях (из-за быстрого охлаждения) такие структуры не образуются. Исключение составляют лишь некоторые искусственные сплавы, полученные в лабораторных условиях при сверхмедленном охлаждении.

¶Методы выявления

Для наблюдения видманштеттеновых фигур поверхность метеорита шлифуют, полируют и затем травят слабым раствором азотной кислоты (обычно 2–5 %). Кислота разъедает камасит быстрее, чем тэнит, из-за разницы в химической стойкости, что создаёт рельеф, видимый невооружённым глазом или под микроскопом. В некоторых случаях применяют также электролитическое травление или нагрев в вакууме.

¶Интересные факты

• Самый известный метеорит с видманштеттеновыми фигурами — Палласово железо (найден в 1749 году в Красноярском крае, Россия). Его структура настолько ярко выражена, что он стал эталоном для изучения.
• Видманштеттеновы фигуры иногда называют «фигурами Томсона» в честь шотландского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина), который в 1860-х годах внёс вклад в их объяснение, хотя приоритет открытия остаётся за Видманштеттеном.
• В 2013 году на Марсе марсоход Curiosity обнаружил образцы, которые после травления показали структуры, напоминающие видманштеттеновы фигуры, что подтвердило наличие железных метеоритов на поверхности Красной планеты.
• В земной металлургии подобные структуры встречаются крайне редко, например, в некоторых типах легированных сталей при медленном охлаждении, но они не достигают таких масштабов, как в метеоритах.

¶Источники

• Buchwald, V. F. (1975). Handbook of Iron Meteorites. University of California Press.
• Wasson, J. T. (1985). Meteorites: Their Record of Early Solar-System History. W. H. Freeman.
• Кринов, Е. Л. (1948). Метеориты. Издательство АН СССР.
• Goldstein, J. I., & Michael, J. R. (2006). The formation of plessite in meteoritic iron. Meteoritics & Planetary Science, 41(4), 553–570.