Meteoritnedslag kan skabe uventede former for silica

Når en meteorit suser gennem atmosfæren og styrter mod Jorden, hvordan ændrer dens voldsomme påvirkning de mineraler, der findes på landingsstedet? Hvad kan de kortvarige kemiske faser skabt af disse ekstreme påvirkninger lære forskerne om de mineraler, der eksisterer ved de høje temperatur- og trykforhold, der findes dybt inde i planeten?

Nyt arbejde ledet af Carnegies Sally June Tracy undersøgte krystalstrukturen af ​​silicamineralkvarts under stødkomprimering og udfordrer langvarige antagelser om, hvordan dette allestedsnærværende materiale opfører sig under så intense forhold. Resultaterne offentliggøres i Videnskabens fremskridt .

"Kvarts er et af de mest udbredte mineraler i jordskorpen, findes i et væld af forskellige bjergarter, Tracy forklarede. "I laboratoriet, vi kan efterligne et meteoritnedslag og se, hvad der sker."

Tracy og hendes kolleger – Washington State Universitys (WSU) Stefan Turneure og Princeton Universitys Thomas Duffy, en tidligere Carnegie Fellow - brugte en specialiseret kanonlignende gaspistol til at accelerere projektiler ind i kvartsprøver ved ekstremt høje hastigheder - flere gange hurtigere end en kugle affyret fra en riffel. Særlige røntgeninstrumenter blev brugt til at skelne krystalstrukturen af ​​materialet, der danner mindre end en milliontedel af et sekund efter stødet. Eksperimenter blev udført i Dynamic Compression Sector (DCS), som drives af WSU og er placeret på Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory.

Kvarts består af et siliciumatom og to oxygenatomer arrangeret i en tetraedrisk gitterstruktur. Fordi disse grundstoffer også er almindelige i jordens silikatrige kappe, opdage de ændringer, kvarts gennemgår ved højtryks- og temperaturforhold, som dem der findes i Jordens indre, kunne også afsløre detaljer om planetens geologiske historie.

Når et materiale udsættes for ekstreme tryk og temperaturer, dens indre atomstruktur kan omformes, får dets egenskaber til at ændre sig. For eksempel, både grafit og diamant er lavet af kulstof. Men grafit, som dannes ved lavt tryk, er blød og uigennemsigtig, og diamant, som dannes ved højt tryk, er superhård og gennemsigtig. De forskellige arrangementer af carbonatomer bestemmer deres strukturer og deres egenskaber, og det påvirker igen, hvordan vi engagerer os og bruger dem.

På trods af årtiers forskning, der har været en langvarig debat i det videnskabelige samfund om, hvilken form silica ville tage under en påvirkningsbegivenhed, eller under dynamiske kompressionsforhold som dem, der er implementeret af Tracy og hendes samarbejdspartnere. Under chokbelastning, silica antages ofte at omdannes til en tæt krystallinsk form kendt som stishovite - en struktur, der menes at eksistere i den dybe Jord. Andre har hævdet, at på grund af chokkets hurtige tidsskala vil materialet i stedet antage en tæt, glasagtig struktur.

Tracy og hendes team var i stand til at demonstrere det i modstrid med forventningerne, når de udsættes for et dynamisk stød på mere end 300, 000 gange normalt atmosfærisk tryk, kvarts gennemgår en overgang til en ny uordnet krystallinsk fase, hvis struktur ligger mellem fuldt krystallinsk stishovit og et fuldstændig uordnet glas. Imidlertid, den nye struktur kan ikke holde, når først det voldsomme tryk er aftaget.

"Dynamiske kompressionseksperimenter gjorde det muligt for os at lægge denne langvarige debat i seng, " afsluttede Tracy. "Hvad mere er, indvirkningsbegivenheder er en vigtig del af forståelsen af ​​planetarisk dannelse og evolution, og fortsatte undersøgelser kan afsløre ny information om disse processer."