Гама спектрометрия на метеорити

Метеоритите съдържат множество космогенни радионуклиди, образувани под въздействието на космическите лъчи. На практика от гама-излъчващите космогенни радионуклиди само ⁴⁴Ti (с период на полуразпад 60.4 години) и ²⁶Al (с период на полуразпад 710000 години) са достатъчно дългоживеещи, за да се запазят в отдавна паднали метеорити. В метеоритите ⁴⁴Ti има много малка активност (~ 1 dpm/kg) и е труден за откриване.

Освен естествените радионуклиди  от семейството на урана и тория и ⁴⁰K, метеоритите съдържат следните космогенни гама-излъчващи радионуклиди:

^44mSc (2.44 дни)  
⁴⁷Sc (3.35 дни)
⁵²Mn (5.59 дни)
⁵⁶Ni (6.08 дни)
⁴⁸V (16.8 дни)
⁵¹Cr (27.8 дни)
⁷Be (53.3 дни)
⁵⁸Co (70.8 дни)
⁵⁶Co (77.3 дни)
⁴⁶Sc (83.8 дни)
⁵⁷Co (272 дни)
⁵⁴Mn (312 дни)
²²Na (2.60 години)
⁶⁰Co (5.26 години)
⁴⁴Ti (60.4 години)
²⁶Al (710000 години)

Гама-излъчващите радионуклиди могат да бъдат открити чрез гама-спектрометър. Такова изследване е особено интересно за наскоро паднали метеорити, в които има богат коктейл от краткоживеещи радиоизотопи.
В резултат от измерването с гама-спектрометър се получава гама-спектъра на измервания образец. Гама-спектърът представлява графика, на която е изобразен броя кванти с различни енергии, който са регистрирани по време на измерването. Различните радиоизотопи имат характерни енергии на излъчваните гама-кванти, по които могат да се разпознаят.

Метеорит Chelyabinsk

Паднал през 2013 година (регистриран  официално). Клас Ordinary chondrite, LL5 (S4) - обикновен хондрит от група LL, петрологичен тип 5.

Снимка на измервания образец на метеорита Chelyabinsk:

Гама-спектър на образеца с маса 387.13 g от метеорита Chelyabinsk (HPGe + NaI детектор). Времето за измерване е 3052 минути (приблизително 2 денонощия и 3 часа). Измерването е започнало 158 дни след падането на метеорита:

Показва 25.2 dpm/kg активност на ²⁶Al и 24.2 dpm/kg активност на ⁴⁰K

Източник: Research Gate

Метеорит Košice

Паднал през 2010 година (регистриран официално). Клас Ordinary chondrite, H5 (S3) - обикновен хондрит от група H, петрологичен тип 5.

Снимка на фрагмент 27.25 g от метеорита Košice:

Гама-спектър на фрагмент 2370.2 g от метеорита Košice с плътност 3.50 g/cm³. Измерван 780 дни след падането с HPGe спектрометър. Време на измерването 3968 минути (2 денонощия и 18 часа):

Показва 71 dpm/kg активност на ²⁶Al.

Източник: Wiley Online Library

Метеорит Almahata Sitta

Паднал през 2008 година (регистриран официално). Клас Ureilite-an (Achondrite, ureilite, polymict, anomalous - ахондрит от групата на уреилитите с аномални свойства).

Снимка на фрагмент от метеорита Almahata Sitta:

Източник: Encyclopedia of Meteorites

Гама-спектър на фрагмент от метеорита Almahata Sitta (HPGe детектор). Общото време за броене е 65197 минути (приблизително 45 денонощия и 7 часа). Пиковете на космогенните радионуклиди са надписани. Означен е и анихилационния пик 511 keV. Другите пикове са от естествения фон, който се дължи предимно на калия, урана и тория, които се срещат навсякъде в природата. Пиковете ²¹⁴Bi и ²⁰⁸Tl идват от ²³⁸U и ²³²Th съответно:

Показва 62.1 dpm/kg активност на ²⁶Al.

Източник: ResearchGate

Метеорит Kobe

Паднал през 1999 година (регистриран официално). Клас CK4 (въглероден хондрит от група CK, петрологичен тип 4).

Снимка на фрагмент ~65 g от метеорита Kobe:

Източник: Encyclopedia of Meteorites

Гама-спектър на фрагмент от метеорита Kobe. Измерван в течение на 5500 минути (приблизително 3 денонощия и 20 часа). Измерването е започнало 21 часа след падането на метеорита. Спектрометър с детектор от свръхчист Ge:

Показва 38 dpm/kg активност на ²⁶Al.

Измерена е и концентрацията на уран, торий и калий:
U 29 ppb
Th 51 ppb
K 0.029%

Източник: Geochemical journal GJ 36(4) · January 2002

Метеорит Neagari

Паднал през 1995 година (регистриран официално). Клас Ordinary chondrite (L6) - обикновен хондрит от група L, петрологичен тип 6.

Снимка на фрагмент от метеорита Neagari:

Източник: Encyclopedia of Meteorites

Гама-спектър на метеорита Neagari. Фрагмент с маса 325 g е сложен на 1 cm от детектора (Ortec HPGe, XLB-GEM-10020). Измерването е започнало около 2.7 дни след времето на падане на метеорита и продължава 223621 секунди (около 2 денонощия и 14 часа):

Източник: Akira ISHIWATARI's Home Page

Метеорит Oslo

Фрагмент с маса 32.5 g от метеорита Oslo, сниман на терен:

Енергийният спектър на фрагмента 32.5 g от метеорита Oslo, измерен с детектор HPGeGX2018. Означени са космогенните радиоизотопи. Измерването е продължило към 200 часа ( 8 денонощия и 8 часа). Образецът е бил разположен на 1 cm от детектора:

Източници: Research Gate , Conference: European Planetary Science Congress 2015, At Nantes, France, Volume: Vol. 10, EPSC2015 (584)

Устройство на гама спектрометъра

В гама-спектрометрите обикновено се използва детектор от свръхчист германий (HPGe). HPGe детекторът представлява германиев диод с коаксиална геометрия на p-n прехода. Размерите на кристала на един типичен HPGe детектор са 6 cm диаметър и 7 cm дължина. При работа се подава високо обратно напрежение (> 1000 V).

При работа детекторът трябва да бъде охладен с течен азот до температура -195.65 °C. На неохладения детектор не бива да се подава напрежение.

Най-общо казано, работата на гама-спектрометъра се основава на това, че когато в детектора попадне гама квант се отделя някаква енергия, която предизвиква появата на носители на електрически заряд. Големината на този заряд се измерва от схемите на спектрометъра и се определя енергията
на уловения гама квант.

Гама фон

Гама-фонът, който винаги се регистрира от гама-спектрометъра заедно с излъчването на измервания образец, обикновено съдържа излъчванията на естествените радиоактивни изотопи ⁴⁰K, дъщерните изотопи от реда на урана и тория и анихилационното излъчване с енергия 511 keV.

Типичен гама-спектър на фона:

Този спектър е начертан с програма, която съм написал на Python за собствена употреба. Програмата чете файлове със спектри във формат ORTEC CHN, и очертава в червено някои области, които представляват интерес, като местата на спектъра, където се появяват пиковете на техногенните радиоизотопи ¹³¹I и ¹³⁷Cs, които могат да пристигнат неочаквано като продукти от човешка дейност.

При измерването на гама-излъчването на образеца фонът се изважда от резултатите.

Произходът на тектитите

Тектитите са стъклени обекти със загадъчен произход, които се намират в някои райони на Земята. Строежът и свойствата на тектитите са добре изучени, но не е установено къде и как са се образували. Заинтригуван съм от този въпрос отдавна, още откакто за първи път прочетох за тях в едно старо списание "Космос".
Амбицирах се да намеря решение един път завинаги за себе си, като се опирам на установените факти. Събрах някои данни за индошинитите от различни източници, както и от свои собствени измервания.

Общи сведения

Тектитите са неголеми тела от стъкло, преобладаващата част от съдържанието на което се състои от SiO₂. Срещат се в почвата, в повърхностните слоеве. Най-често са маслиненозелени или кафяви до черни, непрозрачни . Имат овална, сферична, лещовидна или неправилна форма с грубо набраздена повърхност. Размерите им са от порядъка на сантиметри. Счита се, че имат естествен произход.

Съществуват различни видове тектити, които носят името на мястото, където са намерени. Широко разпространени са австралитите, които се намират в Австралия и имат интересни форми, например наподобяващи летяща чиния, пръстен или копче.
Формата на тектитите показва, че те сякаш са летели с голяма скорост преди да се втвърдят. Тектити с уникални, добре запазени аеродинамични форми могат да бъдат обект на колекциониране и значителен интерес.

Например, една интересна колекция от тектити на Guido von Berg:
http://www.meteorite-times.com/Back_Links/2004/September/Meteorite_People.htm

Особено разпространени са така наречените индошинити (англ. indochinite), които се намират в Китай и Виетнам. Размерите на индошинита на следващата снимка са приблизително 33 x 25 mm. Това всъщност е парче от по-голям образец, най-вероятно от южен Китай.

Индошинитът изглежда черен, но отчупените тънки пластинки от него са прозрачни, с кафяв цвят, който е характерен диагностичен признак.

Самото наименование "тектит" произлиза от гръцката дума τηκτός (tektos) - разтопяван. Тектитите със сигурност не са обикновени вулкански стъкла. Изказвани са предположения за техния извънземен произход. В момента се счита, че тектитите най-вероятно са се образували от разтопени земни скали при падането на гигантски метеорити, но въпреки това се различават значително от обикновените импактни стъкла.
В това е загадката.

Състав и свойства

По K-Ar метода на датиране, възрастта на образуване на индошинитите е определена на около 730000 (от 670000 до 790000) години. Това е времето на последното стопяване на тяхното вещество. Между другото, по това време (палеолит) човекът вече е съществувал.

Химичният състав (в тегловни %) на нормален индошинит е следния:
SiO₂ 73.3%, Al₂O₃ 13.1%, FeO 4.49%, K₂O 2.36%, CaO 2.17%, MgO 2.00%, Na₂O 1.27%, TiO₂ 0.89%.
А съдържанието на микроелементи в ppm (μg/g) е:
Mn - 730, Ba - 365, Zr - 320, Cr - 80, V - 76, Y - 31, Ni  - 16, B - 12, Co - 11, Cu - 4.

В някои индошинити са открити сферули от никелово желязо, съпътствани от включения от троилит и шрайберзит, които са типични за железните метеорити.

Тектитите въобще се характеризират с почти пълното отсъствие на вода (100 пъти по-малко от вулканското стъкло и 10 пъти по-малко от атомните импактити). Способността на тектитите да се намагнитват е нулева (докато при вулканското стъкло е значителна, а при атомните импактити  също е забележима). Това показва, че тектитите са се образували при много по-различни условия.

Сравнение с различни скали

При сравняване на плътността на естествените стъкла с плътността на индошинитите се вижда, че те съответстват по плътност на андезитовото стъкло:

2.330-2.413 g/cm³  - риолитов обсидиан
2.400-2.573 g/cm³  - андезитово стъкло
2.435-2.467 g/cm³  - трахитов обсидиан
2.520-2.580 g/cm³  - левцито-нефелиново стъкло
2.704-2.851 g/cm³  - базалтово стъкло
2.428 g/cm³  - индошинит

В зависимост от съдържанието на SiO₂ скалите се делят на следните групи:

•  Ултраосновни скали (дунити): SiO₂ < 45%
•  Основни скали (базалти, габро): SiO₂ 45-52%
•  Средни скали (диорити, андезити): SiO₂ 52-65%
•  Кисели скали (гранити, гранодиорити): SiO₂ > 65%

Каменните метеорити - хондрити представляват вещество, за което се счита, че е близко до първичното недиференцирано вещество, от което са се образували планетите. Хондритите имат съдържание на SiO₂ 23-42% и са близки до ултраосновните скали.

За сравнение, в следващата таблица е представено съдържанието (в μg/g) на калий и микроелементи в хондритите, различните групи скали и индошинитите.

Елемент	Хондрити	Ултра- основни	Основни	Средни	Кисели	Индошинити
K	850	300	8300	23000	33400	12953
Cr	2500	2000	200	50	25	80
Mn	2000	1500	200	1200	600	730
Co	800	200	45	10	5	11
Ni	13500	2000	160	55	8	16
Cu	100	20	100	35	20	4
Zr	30	30	100	260	200	320
Th	0.04	0.005	3	7	18	8.1
U	0.015	0.003	0.5	0.00018	3.5	0.8
Отно- шение
K/U	56667	105	16600	~1.3x108	9543	16191
Th/U	2.67	1.67	6	38889	5.14	10.13
Ni/Co	16.9	10.0	3.6	5.5	1.6	1.5
Ni/Cu	135	100	1.6	1.57	0.4	4

Клетките от таблицата, в които има интерсни близки съвпадения, са оцветени.
Вижда се, че при индошинитите:

• Съдържанието на кобалт (11) почти съвпада със съдържанието при средните скали (10)
• Съдържанието на торий (8.1) също е много близко до съдържанието при средните скали (7)
• Съдържанието на уран (0.8) е много близко до съдържанието при основните скали (0.5)
• Отношението K/U (16191) почти съвпада с това отношение при основните скали (16600)
• Отношението Ni/Co (1.5) почти съвпада с това отношение при киселите скали (1.6)

По тези признаци може да се направи извод, че индошинитите са подобни на основните, средните и киселите скали, но са напълно различни от ултраосновните скали и хондритите.

По съдържанието на мед (изключително малко - 4μg/g) и цирконий (изключително голямо - 320μg/g), индошинитите се различават максимално от хондритите, а и от всички други скали.
По съдържанието на микроелементите Cr, Mn, Ni индошинитите също се различават максимално от хондритите и ултраосновните скали.

Отношението Th/U има характерни стойности за всеки тип скали (например при земните седиментни скали е 3.5), а при индошинитите има междинна стойност (между основните и средните скали).

Радиоизотопи

Радиоактивността на индошинита е по-малка от естествената радиоактивност на гранитите. Откриват се само естествените радиоизотопи калий-40 и продуктите от разпада на урана и тория.
В гама-спектъра на индошинита не се забелязват никакви пикове на космогенни радиоизотопи.
Най-дългоживеещият космогенен радиоизотоп ²⁶Al има период на полуразпад ~717000 години, сравним с възрастта на индошинита (~730000 години), и щеше да се открива, ако е имало значително количество от него към момента на образуването на индошинита.
Следователно индошинитът не е бил изложен значително време на въздействието на космическите лъчи към момента на образуването си.

Най-големият пик в гама-спектъра на индошинита е 1460.81 keV   (⁴⁰K), което е нормално при значителното съдържание на калий.

Силно изразени са пиковете на следните дъщерни изотопи на тория:
238.63 keV   ²¹²Pb  (²³²Th)
911.21 keV   ²²⁸Ac  (²³²Th)
968.97 keV   ²²⁸Ac  (²³²Th)

Това се дължи на характерното за индошинитите значително преобладаване на тория над урана.

Други, по-слаби пикове са:
351.92 keV   ²¹⁴Pb  (²³⁸U)
583.19 keV   ²⁰⁸Tl   (²³²Th)
609.31 keV   ²¹⁴Bi   (²³⁸U)

Изводи

По своя химичен състав индошинитите се различават много от ултраосновните скали и хондритите. При индошинитите сякаш нещо е смесило характерни признаци на основни, средни и кисели скали. Не се откриват космогенни радиоизотопи, което показва, че индошинитите изглежда не са престояли значително време в космическото пространство към момента на последното им разтопяване.

Идентифициране на метеорити

Когато бъде намерен предполагаем метеорит, една от първите задачи е да бъде доказан извънземния произход на находката. Това е особено важно за  каменните метеорити, тъй като те могат да бъдат сбъркани с различни земни скали или техногенни материали.

Един от методите, който може да се използва за доказване на извънземен произход, е гама спектрометрията.

При гама спектрометрията се измерва какво количество гама кванти и с каква енергия на квантите се излъчва от изследвания образец за дадено  време.
Измерването се извършва с апаратура за гама спектрометрия и трае до няколко дни, при което изследваният образец, заедно с детектора на гама кванти,  са поместени в камера от оловни тухли и други защитни слоеве, ограничаващи попадането на странични излъчвания от околната среда.

Този метод се основава на предпоставката, че докато метеоритите се намират в космическото пространство, под въздействието на космическите лъчи в техните повърхностни слоеве се образуват така наречените космогенни изотопи. След падането на метеорита на Земята, той престава да бъде изложен на потока космически лъчи, при което образуването на космогенни изотопи в него се прекратява и започва обратния процес - разпадане на космогенните изотопи и намаляване на тяхната концентрация в метеорита.

За каменните метеорити е характерен космогенният изотоп алуминий-26, който има сравнително дълъг период на полуразпадане - около 717 хиляди години. Това дава възможност този изотоп да бъде открит дори в метеорити, които са паднали на Земята преди много време.

Измерването на концентрацията на алуминий-26 е възможно да бъде извършено чрез гама спектрометрия, тъй като този нестабилен изотоп се превръща в стабилния магнезий-26 с отделяне на гама квант със строго определена енергия, равна на 1808,65 килоелектронволта.

Ако в изследвания чрез гама спектрометрия образец от предполагаемния метеорит бъде открита значителна концентрация на изотопа алуминий-26, което се вижда като ясно изразен пик с енергия 1808,65keV в получения при измерването  гама спектър, извънземният произход на находката може да се счита за доказан, тъй като за разлика от метеоритите, в земните скали отсъства алуминий-26.