Введение
Камацит — это сплав железа и никеля, который на Земле встречается только в метеоритах. Согласно Международной минералогической ассоциации (IMA), он считается разновидностью самородного железа, богатой никелем. Соотношение железа к никелю варьируется от 90:10 до 95:5; также могут присутствовать небольшие количества других элементов, таких как кобальт или углерод. Минерал обладает металлическим блеском, серого цвета и не имеет четкого спайности, хотя его кристаллическая структура изoметрическая гектоктаэдрическая. Его плотность составляет около 8 г/см³, а твердость по шкале Мооса — 4. Его также иногда называют балкенизеном. Название было введено в 1861 году и происходит от греческого корня καμακ ("камак") или κάμαξ ("камакс"), означающего лозовой шест. Это основной компонент железных метеоритов (типов октаэдрит и гексаэдрит). В октаэдритах он встречается в виде полос, чередующихся с таенитом, образуя узоры Видманштеттена. В гексаэдритах часто наблюдаются тонкие параллельные линии, называемые линиями Неймана, которые свидетельствуют о структурной деформации соседних пластин камацита в результате ударных воздействий. Иногда камацит может быть настолько тесно перемешан с таенитом, что их трудно различить визуально, образуя плессит. Самый крупный задокументированный кристалл камацита имел размеры .
Kamacite is an alloy of iron and nickel, which is found on Earth only in meteorites. According to the International Mineralogical Association (IMA) it is considered a proper nickel rich variety of the mineral native iron. The proportion iron:nickel is between 90%:10% and 95%:5%; small quantities of other elements, such as cobalt or carbon may also be present. The mineral has a metallic luster, is gray and has no clear cleavage although its crystal structure is isometric hexoctahedral. Its density is about 8 g/cm3 and its hardness is 4 on the Mohs scale. It is also sometimes called balkeneisen. The name was coined in 1861 and is derived from the Greek root καμακ "kamak" or κάμαξ "kamaks", meaning vine pole. It is a major constituent of iron meteorites (octahedrite and hexahedrite types). In the octahedrites it is found in bands interleaving with taenite forming Widmanstätten patterns. In hexahedrites, fine parallel lines called Neumann lines are often seen, which are evidence for structural deformation of adjacent kamacite plates due to shock from impacts. At times kamacite can be found so closely intermixed with taenite that it is difficult to distinguish them visually, forming plessite. The largest documented kamacite crystal measured .
Физические свойства
Камацит обладает множеством уникальных физических свойств, включая структуры Томсона и исключительно высокую плотность.
Идентификация
Камацит непрозрачен, и его поверхность обычно демонстрирует различные оттенки серого в виде полос или узоров, напоминающих "стежку". Камацит обладает металлическим блеском. Твердость камацита может варьироваться в зависимости от степени ударного воздействия, но обычно составляет четыре по шкале Мооса. Ударное воздействие увеличивает твердость камацита, однако это не является абсолютно надежным методом определения его истории, поскольку существует множество других факторов, способных повысить твердость. Плотность камацита составляет 7,9. Он образует массивные кристаллы, но в естественных условиях отдельные кристаллы обычно неразличимы. В камаците отсутствуют плоскости спайности, что обуславливает неровный (зазубренный) скол. Камацит является магнитным и изометрическим, что определяет его оптическое поведение как изотропное. Камацит встречается вместе с таенитом, а также в смешанных зонах камацита и таенита, называемых плесситом. Таенит содержит больше никеля (от 12 до 45 мас. % Ni), чем камацит (который содержит от 5 до 12 мас. % Ni). Повышенное содержание никеля в таените обуславливает его гранецентрированную кристаллическую решетку, в то время как более высокое содержание железа в камаците приводит к объемноцентрированной решетке. Эта разница связана с тем, что никель и железо имеют схожие размеры, но различные межатомные магнитные и квантовые взаимодействия.
Тетрагональная фаза
Существуют свидетельства тетрагональной фазы, обнаруженной в рентгеноструктурном анализе порошка, а затем под микроскопом. Исследование двух метеоритов показало значения d, которые можно было "индексировать на основе тетрагональной элементарной ячейки, но не на основе кубической или гексагональной". Видманштеттен сообщал об этих структурах многим своим коллегам в переписке, что привело к тому, что в большинстве публикаций они стали известны как структуры Видманштеттена. Структуры Томсона, или структуры Видманштеттена, формируются при охлаждении метеорита; при высоких температурах и железо, и никель имеют гранецентрированные решетки. Метеорит формируется как полностью расплавленный таенит (при температуре выше 1500 °C), и при охлаждении ниже 723 °C первичная метастабильная фаза сплава преобразуется в таенит, и начинает выделяться камасит. Именно в этом температурном интервале, при охлаждении метеорита ниже 723 °C, формируются структуры Томсона, на которые существенно влияют температура, давление и состав метеорита.
Кристаллография
Камацит — изометрический минерал с объёмно-центрированной кубической элементарной ячейкой. Камацит обычно не встречается в крупных кристаллах, однако самый крупный задокументированный кристалл камацита имел размеры 92×54×23 сантиметра. Несмотря на редкость крупных кристаллов, кристаллография играет чрезвычайно важную роль в понимании формирования структур Томсона.
Симметрия
Камацит образует изометрические, гексооктаэдрические кристаллы, что обуславливает наличие у них большого числа элементов симметрии. Камацит относится к классу 4/m2/m в нотации Германна-Могена, что означает наличие трех четырехкратных осей, четырех трехкратных осей, шести двухкратных осей и девяти плоскостей симметрии. Пространственная группа камацита – Fmm.
Ячейка единицы
Камацит состоит из повторяющейся единицы α (Fe, Ni), определяющей параметры элементарной ячейки: a = 8,603 Å, Z = 54; V = 636,72 Å3. Межатомные магнитные и квантовые взаимодействия между атомами железа с нулевой валентностью (металлического Fe0) обуславливают гранецентрированную кубическую решетку камацита.
Формула и доминирующие элементы
Камацит состоит из повторяющейся единицы α (Fe, Ni), в которой и железо, и никель имеют нулевую валентность (Fe0 и Ni0), так как они являются металлическими самородными элементами, обычно встречающимися в железных метеоритах. Помимо следовых элементов, обычно считается, что он состоит из 90% железа и 10% никеля, но соотношение может варьироваться до 95% железа и 5% никеля. Это делает железо доминирующим элементом в любом образце камацита. Он классифицируется как самородный элемент как в классификации Даны, так и в классификации Стрюнца по Никелю. Все эти следовые элементы являются металлическими, и их присутствие вблизи границы камацита и таенита может дать важные сведения об условиях формирования метеорита. Масс-спектрометрия показала, что камацит содержит значительные количества платины – в среднем 16,31 (мкг/г), иридия – в среднем 5,40 (мкг/г), осмия – в среднем 3,89 (мкг/г), вольфрама – в среднем 1,97 (мкг/г), золота – в среднем 0,75 (мкг/г) и рения – в среднем 0,22 (мкг/г). Особенно высоки концентрации кобальта и платины.
Важные второстепенные элементы, замены, твердые растворы
Камацитовая сульфуризация была проведена экспериментально в лабораторных условиях. Сульфуризация привела к образованию трех отчетливых фаз: моносульфидный твердый раствор, фаза пентландита и фаза, обогащенная Р. Это было сделано в лаборатории для воссоздания условий, аналогичных условиям солнечной туманности. Эта информация позволяет получить сведения о термодинамических, кинетических и физических условиях ранней Солнечной системы. Однако это пока остается гипотезой, поскольку многие сульфиды в метеоритах нестабильны и подверглись разрушению. Камацит также претерпевает изменение в тохилинит. Это полезно для оценки степени изменения метеорита в целом. Изменение камацита в тохилинит можно наблюдать с помощью петрографического микроскопа, сканирующего электронного микроскопа и электронно-зондового анализа. Это позволяет исследователям легко определять степень изменения, произошедшего в образце. Этот показатель можно использовать при дальнейшем анализе других участков метеорита, где признаки изменения менее выражены.
Связь с таенитом
Таенит — это богатый никелем конечный член твердого раствора камацита–таенита. Таенит встречается в природе на Земле, в то время как камацит на Земле обнаруживается только в составе метеоритов. Камацит формирует таенит в процессе своего образования, выделяя никель в окружающую область, где и формируется таенит. Вследствие гранецентрированной решетки камацита и объемноцентрированной решетки никеля, при их контакте образуются сложные углы. Эти углы проявляются макроскопически в структуре Томсона. Именно благодаря этой взаимосвязи возникли термины атаксит, гексаэдрит и октаэдрит. Атакситами называют метеориты, не демонстрирующие выраженной гексаэдрической или октаэдрической структуры. Метеориты с содержанием 6 мас. % никеля или менее часто классифицируются как гексаэдриты, поскольку изометрическая кристаллическая структура камацита придает им кубическую форму. Если же метеорит преимущественно состоит из таенита с гранецентрированной решеткой, его называют октаэдритом, так как камацит выделяется из октаэдрических кристаллических границ таенита, придавая метеориту октаэдрический вид. И гексаэдриты, и октаэдриты проявляются только при разрушении метеорита вдоль кристаллических плоскостей или при подготовке образцов для выявления структуры Томсона, поэтому многие изначально ошибочно принимают за атакситы.
Химическое объяснение тепла
Следовые элементы изучались в процессе образования камацита при различных температурах, но следовые элементы в таените представляются более подходящими для определения температуры образования метеорита. По мере охлаждения метеорита и разделения таенита и камацита, некоторые из этих элементов будут стремиться концентрироваться в таените или камаците. Анализ границы раздела таенита и камацита может дать информацию о скорости охлаждения, а также о множестве других условий, существовавших в процессе формирования, основываясь на конечном расположении следовых элементов.
Метеориты
Камацит в основном встречается в метеоритах, поскольку для его образования необходимы высокие температуры, низкое давление и отсутствие других, более реакционноспособных элементов, таких как кислород. Хондриты можно классифицировать на группы в зависимости от состава хондр. Существует три основных типа: энстатитные хондриты, углеродистые хондриты и обыкновенные хондриты. Обыкновенные хондриты – наиболее распространенный тип метеоритов, обнаруживаемых на Земле, составляя 85% от всех зарегистрированных падений. Камацит также встречается во многих редких метеоритах – мезосидеритах и E-хондритах. E-хондриты – это хондриты, состоящие преимущественно из энстатита и составляющие лишь 2% от общего числа метеоритов, достигающих поверхности Земли. E-хондриты имеют совершенно иное происхождение, чем обыкновенные хондриты.
Изобилие
Поскольку камацит формируется исключительно в космосе и на Земле встречается только в метеоритах, его содержание на Земле крайне невелико. Оценить его распространенность за пределами нашей Солнечной системы затруднительно. Железо, основной компонент камацита, является шестым по распространенности элементом во Вселенной и наиболее распространенным среди элементов, обычно классифицируемых как металлические.
Сопутствующие минералы
Таенит и точилинит — минералы, которые обычно встречаются вместе с камацитом.
Кратер метеорита Аризона
Камацит был найден и изучен в метеорном кратере в Аризоне. Метеорный кратер был первым подтвержденным местом падения метеорита на планете, и его признание таковым произошло не сразу, а лишь к 1950-м годам. В 1960-х годах Геологическая служба США обнаружила камацит в образцах, собранных в окрестностях кратера, что связало этот минерал с метеоритами.
Планеты
Камацит в основном формируется в метеоритах, но был обнаружен на внеземных телах, таких как Марс. Это было установлено марсоходом Opportunity. Камацит не образовался на Марсе, а был занесен туда метеоритом. Особый интерес представлял тот факт, что метеорит относился к менее известному классу мезосидеритов. Мезосидериты крайне редки на Земле, и их обнаружение на Марсе позволяет получить информацию о происхождении их материнской породы.
Применение
Основное исследовательское применение камацита — изучение истории метеорита. Будь то исследование последствий ударных воздействий по структуре железа или условий, существовавших при формировании метеорита, с помощью анализа границы камацита и таенита, понимание камацита имеет ключевое значение для понимания нашей Вселенной.
Музеи, университеты и подготовка образцов фотографий
Из-за редкости и невзрачного внешнего вида камацит не пользуется популярностью у частных коллекционеров. Однако многие музеи и университеты располагают образцами камацита в своих коллекциях. Обычно для демонстрации структур Томсона образцы камацита подвергают полировке и обработке кислотой. Подготовка образцов включает промывание в растворителе, как это делал Томсон с азотной кислотой, для выявления структур Томсона. Затем их тщательно полируют, чтобы придать блеск. Как правило, камацит легко отличить от таенита, поскольку после такой обработки он выглядит немного темнее таенита.
Взгляды в будущее
Камацит и таенит оба обладают потенциальной экономической ценностью. Одним из способов повышения рентабельности добычи астероидов был бы сбор редких элементов. Одной из сложностей станет извлечение таких элементов, как платина и золото. Платина стоит около 12 000 долларов США за килограмм (камацит содержит 16,11 мкг/г платины), а золото – около 12 000 долларов США за килограмм (камацит содержит 0,52 мкг/г золота); однако вероятность получения значительной прибыли невелика. Добыча астероидов для нужд освоения космоса может оказаться более целесообразной, поскольку транспортировка материалов с Земли обходится дорого. Подобно текущим планам повторного использования модулей Международной космической станции в других миссиях, железный метеорит можно использовать для строительства космических аппаратов непосредственно в космосе. NASA представила предварительные планы по строительству космического корабля в космосе.