Кальций-алюминиевые включения

Кальций-алюминиевые включения (англ. Calcium-aluminium-rich inclusions, CAI) — это миллиметровые и сантиметровые образования, состоящие преимущественно из кальция, алюминия, титана и магния, входящие в состав хондритовых метеоритов. Они представляют собой одни из древнейших твёрдых тел, сформировавшихся в Солнечной системе, и датируются возрастом около 4,567 миллиарда лет. Кальций-алюминиевые включения (далее — КАВ) являются ключевыми объектами для изучения ранних стадий эволюции протопланетного диска и процессов, происходивших вблизи молодого Солнца.

Открытие и история изучения

Первые описания КАВ в составе углистых хондритов были сделаны в середине XIX века, однако их систематическое изучение началось лишь в 1960-х годах, когда были разработаны методы точного изотопного анализа. В 1973 году американский геохимик Джеральд Вассербург и его коллеги впервые определили абсолютный возраст КАВ из метеорита Алленд (Allende), упавшего в 1969 году в Мексике. Полученная дата — 4,567 миллиарда лет — стала реперной точкой для возраста Солнечной системы. В последующие десятилетия исследования КАВ позволили выявить аномалии изотопного состава, свидетельствующие о присутствии в протопланетном диске вещества, синтезированного в других звёздах (например, изотопов кислорода, магния, кальция).

Состав и минералогия

Основные минералы

КАВ сложены тугоплавкими минералами, кристаллизующимися при высоких температурах (более 1300 °C). К числу наиболее распространённых относятся:

• Мелилит — твёрдый раствор между геленитом (Ca₂Al[AlSiO₇]) и окерманитом (Ca₂Mg[Si₂O₇]).
• Пироксены — алюмо-титанистый диопсид (Ca(Mg,Ti,Al)[(Si,Al)₂O₆]).
• Шпинель — магниево-алюминиевая (MgAl₂O₄).
• Анортит — кальциевый плагиоклаз (CaAl₂Si₂O₈).
• Перовскит — титанат кальция (CaTiO₃).
• Гибонит — алюминат кальция (CaAl₁₂O₁₉), встречается реже.

Химический состав

По элементному составу КАВ резко отличаются от среднего состава хондритов: они обогащены Ca, Al, Ti, редкоземельными элементами (РЗЭ) и обеднены Fe, Mg, Si. Содержание Al₂O₃ может достигать 30–40 %, CaO — 20–30 %, а концентрация SiO₂ обычно не превышает 30 %. Такой состав указывает на то, что КАВ конденсировались из газовой фазы при температурах, при которых большинство других элементов (Fe, Ni, Si) оставались в газообразном состоянии.

Классификация

КАВ подразделяют на типы по структуре и минеральному составу:

По текстурным признакам

• Тип A (мелилитовые) — состоят преимущественно из мелилита и шпинели, часто имеют округлую или неправильную форму. Включают подтипы A1 (с преобладанием геленита) и A2 (с примесью окерманита).
• Тип B (пироксеновые) — содержат значительное количество алюмо-титанистого диопсида, анортита и шпинели, обычно имеют более сложную зональную структуру.
• Тип C — редкие включения, в которых преобладает анортит, а мелилит практически отсутствует.
• Тип F (форстеритовые) — содержат оливин (форстерит) в качестве основной фазы, но по химизму близки к КАВ.

По изотопным аномалиям

По соотношению изотопов кислорода (δ¹⁷O и δ¹⁸O) КАВ делятся на две группы:

• Группа I — с аномалиями, характерными для вещества, конденсировавшегося вблизи Солнца.
• Группа II — с более «нормальным» изотопным составом, близким к земному.

Происхождение и формирование

Согласно современным представлениям, КАВ образовались вблизи протосолнца на расстоянии менее 0,1 астрономической единицы (а.е.) в течение первых 10–100 тысяч лет существования Солнечной системы. Основные механизмы их формирования включают:

• Конденсацию из газовой фазы — при охлаждении протопланетного диска ниже 1500 °C тугоплавкие соединения (шпинель, мелилит, перовскит) выпадали в виде твёрдых частиц.
• Агрегацию и перекристаллизацию — под действием ударных волн и нагрева вблизи Солнца частицы слипались, образуя более крупные включения.
• Термальный метаморфизм — последующие нагревы (до 1200–1400 °C) приводили к перекристаллизации и зональности.

Радиоизотопное датирование по системе ²⁶Al–²⁶Mg (период полураспада 717 000 лет) показывает, что КАВ сформировались в течение узкого временного интервала — около 50 000 лет, что делает их синхронными маркерами ранней эволюции диска.

Значение для науки

Определение возраста Солнечной системы

КАВ являются наиболее древними из известных твёрдых тел, доступных для прямого анализа. Их возраст (4,5673 ± 0,00016 млрд лет) служит реперной точкой для датировки всех последующих событий — от формирования хондр до аккреции планет.

Изучение изотопных аномалий

В КАВ обнаружены аномалии изотопов кислорода, магния, кальция, титана и других элементов, которые не могут быть объяснены процессами внутри Солнечной системы. Эти аномалии указывают на присутствие в протопланетном диске вещества, синтезированного в сверхновых звёздах или в звёздах типа AGB (асимптотическая ветвь гигантов). Например, избыток ²⁶Mg (дочернего продукта ²⁶Al) свидетельствует о том, что ²⁶Al был занесён в диск извне незадолго до формирования КАВ.

Моделирование протопланетного диска

Состав и распределение КАВ в разных типах хондритов (например, в углистых хондритах типа CV, CM, CO) позволяют реконструировать условия в раннем диске — температуру, давление, скорость охлаждения и радиальное перемещение вещества. КАВ, обнаруженные в метеоритах, выпавших на Землю, дают информацию о процессах, происходивших на расстоянии 2–3 а.е. от Солнца, хотя сами они образовались гораздо ближе.

Распространение и находки

КАВ встречаются преимущественно в углистых хондритах (классы CV, CM, CO, CR), реже — в обыкновенных хондритах и энстатитовых хондритах. Наиболее известные метеориты, содержащие КАВ:

• Алленд (Allende) — метеорит, упавший в 1969 году в Мексике; содержит до 5 % КАВ по объёму, некоторые из которых достигают 2 см в диаметре.
• Мурчисон (Murchison) — упал в 1969 году в Австралии; содержит мелкие (<1 мм) КАВ, богатые шпинелью.
• Вигриано (Vigarano) — итальянский метеорит, в котором обнаружены крупные КАВ типа A.
• Эфремовка (Efremovka) — метеорит, найденный в Казахстане; содержит КАВ с хорошо сохранившимися изотопными аномалиями.

В 2020-х годах КАВ были обнаружены также в образцах лунного грунта, доставленных миссией «Чанъэ-5» (Китай), что указывает на возможное присутствие древнего вещества на поверхности Луны.

Интересные факты

• КАВ содержат включения так называемых «пресолнечных зёрен» — наночастиц алмаза, карбида кремния и графита, которые образовались в других звёздах и сохранились внутри КАВ.
• Изотопный состав кислорода в КАВ (δ¹⁷O до –40 ‰) резко отличается от земного, что подтверждает их внеземное происхождение.
• Некоторые КАВ имеют радиально-лучистую структуру, напоминающую хондры, что указывает на их частичное плавление в ударных волнах.
• Крупнейшее известное КАВ — «C-1» в метеорите Алленд — имеет размер около 2,5 см и массу около 10 г.

Источники

• MacPherson G. J. (2014). Calcium-Aluminum-Rich Inclusions in Chondritic Meteorites. In: Treatise on Geochemistry, 2nd ed., vol. 1, pp. 139–179.
• Connelly J. N. et al. (2012). The Absolute Chronology and Thermal Processing of Solids in the Solar Protoplanetary Disk. Science, 338(6107), 651–655.
• Krot A. N. et al. (2009). Origin and Chronology of Chondritic Components: A Review. Geochimica et Cosmochimica Acta, 73(17), 4963–4997.
• Wasserburg G. J. et al. (1977). ²⁶Al in the Early Solar System: A Reappraisal. The Astrophysical Journal, 214, L91–L94.
• Scott E. R. D., Krot A. N. (2014). Chondrites and Their Components. In: Meteorites and Cosmochemical Processes, pp. 65–137.