Е.М. Колесников1, А.И. Степанов2, Е.А. Горидько1, Т. Бёттгер3, Н.В. Колесникова1
1. Геологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия
2. Институт общей и неорганической химии РАН, 117907 Москва, Россия
3. Институт геофизики и геологии Леипцигского университета, 04103 Лейпциг, ФРГ
Тунгусское Космическое Тело (ТКТ) по мнению большинства исследователей было ядром небольшой кометы [1], представляющим собой, как известно, смерзшийся ''грязный» конгломерат льдов, состоящий главным образом из летучих соединений H, C, N, О. Но эти же элементы содержатся в больших количествах в почве и растениях, поэтому обнаружить эффекты выпадения кометного вещества на Землю весьма трудно. Имеющиеся в кометном ядре пылевые частицы, близкие по составу к углистым хондритам CI [2], составляют небольшую долю всей его массы. Они очень малы (по нашим рачетам [3] из данных космических миссий Вега и Джотто к комете Галлея [4] в среднем около 0,5 мкм) и поэтому их очень трудно выделить из почвы и торфа.
В предыдущих работах мы предложили фиксировать присутствие кометного вещества на Земле по изменению изотопного состава легких элементов и обнаружили изотопные сдвиги у H и C в ''околокатастрофных'' слоях торфа из эпицентра взрыва по сравнению с другими слоями [5]. В дальнейшем эта методика позволила выявить другие точки на местности в районе взрыва, обогащенные веществом ТКТ , которое выпадало на поверхность Земли крайне неоднородно [3,6,7]. Сдвиги в изотопном составе у углерода составляли до 
13С = +4,3 ‰ (см. рис.1), а у водорода – до D = -22 ‰ . Они оказались противоположны по знаку и не могли быть вызваны обычными земными причинами: выпадением земной минеральной или органической пыли и сажи от пожаров, гумификацией торфа, выделением из Земли углеводородных газов, климатическими изменениями и др. физико – химическими причинами. Более того, изотопные эффекты ясно привязаны к месту и времени взрыва ТКТ и отсутствуют в верхних и самых нижних слоях торфа, под границей вечной мерзлоты 1908г. (рис.1), а также в контрольных колонках торфа из других районов [6,7]. На рис.1 приведены для сравнения данные для контрольной колонки , отобранной на торфянике в районе пос. Ванавара, в 70 км южнее эпицентра взрыва.
Имеется корреляция изотопных эффектов и повышенной концентрации в торфах Ir [6,8], который является индикатором присутствия космического вещества на Земле, так как его содержание в метеоритах примерно в 20 тысяч раз больше, чем в породах Земной коры. На рис.2 приведены данные послойного измерения содержания Ir, полученные в работе [8], и результаты послойного изотопного анализа углерода в той же колонке торфа, отобранной на Северном торфянике [9] . Хорошо видно, что формы полученных кривых практически совпадают, что указывает на одну и ту же причину резкого увеличения концентрации иридия и утяжеления изотопного состава углерода в »катастрофном» и более глубоких слоях торфа – присутствие в торфе космического вещества.
Рис. 1 Вариации содержания и изотопного состава углерода по глубине торфа (Н) в колонке из эпицентра взрыва ТКТ (р-н р.Хушма, на рис. точки), и в контрольной колонке в 70км от эпицентра (р-н пос. Ванавара, на рис. крестики). F - сгоревший торф, d - темный торф, Р - другие растения
Обнаруженные изотопные аномалии нельзя объяснить консервацией в торфе вещества обычных хондритов и ахондритов. Более вероятно выпадение вещества типа наименее измененных углистых хондритов CI и CM, но и для них по нашим расчетам [3] изотопные сдвиги у углерода слишком велики и более вероятно добавление в торф кометарного углерода.
Послойные изотопные анализы азота в торфе [7,10] свидетельствуют об имевших место в районе катастрофы обильных кислотных дождях, которые способствовали выпадению образовавшихся при взрыве аэрозолей. Подобные эффекты выпадения кислотных дождей ранее были обнаружены в отложениях осадочных пород на мел-палеогеновой стратиграфической границе 66 млн. лет назад и были связаны с ещё более грандиозной космической катастрофой – ударом о поверхность Земли крупного космического тела диаметром около 10 км (см. ссылки в работах [7] и [10]).
В данной работе мы сделали попытку отделить с помощью кислотного растворения вещество ТКТ от органического вещества торфа и исследовать его химический состав. Ранее [6] с использованием изотопных меток у углерода и водорода было показано, что обработка торфа кислотами приводит к преимущественному выносу вещества ТКТ в раствор. После кислотной обработки торфа изотопные эффекты, вызванные присутствием вещества ТКТ, в нем пропадают, то есть изотопный состав углерода торфа после обработки облегчился , а водорода, напротив, утяжелился ( на -2.6 ‰ и на + 15‰, соответственно, см. рис. 3 в работе [6] ) .
Рис. 2 Корреляция изменения содержания иридия и изменения изотопного состава углерода по глубине торфа (Н) в колонке из Северного торфяника
Для отмывки вещества ТКТ навески высушенного при 105±2°С торфа обрабатывались в течении 5-6 часов смесью концентрированных кислот HCl, HF и HNO3 во фторопластовых стаканах с периодическим перемешиванием и подогревом под мощной э/лампой . Раствор упаривался под лампой до влажных солей и остаток растворялся в 3М НCl. Подобная методика разложения проб применялась для НАА анализа Ir и др. элементов в осадочных породах в работе [11]. После обработки торфа оставался неразложившийся черный органический осадок, который отстаивался в течении 1-2 суток. Для анализа использовались только верхние, прозрачные части растворов. В подготовленных таким образом растворах удалось проанализировать наиболее полно содержания 29 химических элементов с помощью масс-спектрометра с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS) типа HP-4500 фирмы Hewlett Packard. Измеренные концентрации элементов в растворах пересчитывались затем на их концентрации в сухом торфе.
Нами были исследованы 15 проб торфа по глубине Прихушминского торфяника, в котором ранее были обнаружены наибольшие изотопные сдвиги у углерода [3,7] (рис.1). Отмеченные изотопные эффекты имели место только в «околокатастрофных» слоях торфа, включающих прирост 1908 г., и отсутствовали в верхних слоях и в слоях под границей, до которой оттаяла вечная мерзлота в июне 1908 г. Над этой границей ранее были обнаружены также сдвиги в изотопном составе азота торфа и резкое увеличение его содержания [7,10]. Полученное в этих работах распределение содержания азота по глубине колонки торфа приведено на рис.3.
В данной работе мы обнаружили в том же интервале глубины торфа его обогащение по сравнению с верхними и нижними слоями колонки как главными химическими элементами – Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Ti, Fe, а также Co и Ni ( рис.3), так и некоторыми элементами-примесями – Sc, Rb, Sr, Pd, U, Th (рис.4). Особенно резко оказались увеличены содержания легколетучих элементов (рис.5), например, щелочных металлов – Li, Na (почти в 800 раз!), Rb, Cs и ряда других летучих элементов – Cu, Zn, Ga, Br, Ag, Sn, Sb, Pb, Bi . Наиболее велики оказались концентрации кремния и натрия (около 10%). Последнее коррелирует с большой концентрацией натрия, измеренной в двух представительных группах силикатных шариков из золы торфа (2,5% и 2,8%) [12] и в трех крупных шариках (в средн. 9,2%) [13].
Рис. 3 Вариации содержаний главных элементов, а также Co и Ni , по глубине (Н) в Прихушминском торфянике
Состав имеющих высокие концентрации элементов в торфе, помимо шариков в работе [12], в общих чертах соответствует также составу частиц из смолы деревьев [14], а также составу аномальных элементов в золе торфа в работе [15]. Имеющиеся расхождения с [14] и [15] вызваны скорее всего различными применявшимися методами анализа, а с [15] – также отсутствием в данной нашей работе операции сжигания торфа, вызывающей частичные или полные потери многих летучих элементов.
Рис. 4 Вариации содержаний некоторых элементов-примесей по глубине (Н) Прихушминского торфяника
Обнаруженные в торфе эффекты не могли быть вызваны выпадением земной (трапповой) пыли во время взрыва. Действительно, по сравнению с траппами в ’’законсервированном’’ в торфе веществе по отношению к Si резко уменьшены содержания других главных элементов : Mg , Al, Ca, Ti и Fe. В то же время, значительно увеличены отношения содержаний Mg/Al и Ni/Fe (соответственно в 2 и 5,5 раз), что характерно для космического (метеоритного) вещества. Кроме того, сильно отличаются от трапповых отношения труднолетучих литофильных элементов Ca/Al/Ti , а также наблюдается многократное обогащение некоторыми летучими элементами: Na, Cu, Ga, Br, Rb, Cd, Pd, Ag, Sn, Sb, Cs, Pb и Bi. Например, по сравнению с траппами при нормировании полученных данных по труднолетучему Са обогащение Na, Cu, Br, Pd и Sb составляет 100 раз, а Ag и Bi - 500 раз.
Сохранившееся в торфе предполагаемое вещество ТКТ оказалось обеднено Fe и др. сидерофильными элементами по сравнению с обычными метеоритами. В то же время, даже по сравнению с углистыми хондритами CI и CM, оно оказалось обогащено многими летучими элементами, что указывает на его кометный источник [16]. При нормировании по Са это обогащение составляет для Na, K, Zn, Ga, Rb, Sn и Bi от 10 до 30 раз, для Ag, Sb, Pb - от 40 до 80 раз.
Рис. 5 Вариации содержаний летучих элементов по глубине (Н) Прихушминского торфяника
Не противоречит известным сведениям о составе комет и обнаруженное нами большое содержание натрия и кремния в веществе ТКТ. Как известно, большие содержания этих элементов обнаружены в спектрах излучения некоторых комет. Например, в спектре кометы Икейя Секи, которая пролетела на близком расстоянии от Солнца, отношение Na/К оказалось в 100 раз, а отношение Si/Fe в 10 раз больше,чем в углистых хондритах CI [17].
Большие концентрации натрия обнаруживаются в спектрах излучения метеоров, подавляющее большинство которых имеют кометное происхождение [18] . В период действия метеорных потоков Геменид, Орионид и Квадрантид в атмосфере Земли на высоте 90 и 100 км существенно увеличивается количество натрия [19]. Увеличение концентрации ионов Na и Si вместе с рядом других элементов ( Mg, K, Ca, Cr, Fe, Ni ) было зафиксировано на высоте 114 км после метеорного потока Таурид [20] , с которым связывают падение ТКТ [1] .
Известно, что ввиду наличия большого числа линий железа, суммарная интенсивность излучения паров железа в метеорной коме обычно преобладает над эмиссией всех других элементов. Однако наблюдаются болиды где, напротив, преобладает излучение натрия. Так, в свечении болида № 27471 (27.10.1960) 74% всего излучения принадлежало дуплету D NaI, в то время как на долю излучения Fe пришлось лишь 18% [21]. Содержание натрия в трех метеорах было определено равным 4.7, 6.4 и 6.5 % [22] , что на порядок выше, чем среднее содержание этого элемента в метеоритах (0,68% [23]).
В микрочастицах, собираемых в верхних слоях атмосферы , так называемых хондритовых пористых агрегатах (IDPs), которые являются продуктами распада комет [24], наблюдается резкое увеличение концентраций Cu, Zn, Ga, Sn, Bi и Br по сравнению с углистыми хондритами СI (см., например, работу [25]). Полученные нами данные о резком обогащении вещества ТКТ в торфе многими летучими элементами хорошо коррелируют с этими результатами .
Таким образом, резкое увеличение содержаний ряда химических, главным образом летучих элементов, как и ранее обнаруженные нами сдвиги в изотопном составе Н, С и N, ясно указывают на кометарный источник "законсервированного" в торфе вещества, присутсвие которого впервые столь надежно зафиксировано на Земле.
Авторы благодарят акад. В.А.Жарикова, акад. Ю.А.Золотова и проф. Ю.А.Шуколюкова за предоставленную возможность проведения данных исследований и обсуждение результатов, проф. Ханса Ольсена (Институт Астрономии Дании) за финансовую поддержку экспедиции 1994г., а также М.Е.Колесникова и других коллег по экспедиции, помогавших в отборе образцов торфа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бронштэн В.А., Зоткин И.Т. // Астр. Вестник. 1995. Т.29. N3. С.278-283.
2. Jessberger E.K., Kissel J. et al. In: Comet Nucl. Sample Return Mission. Eur. Space Agency. Proc. Workshop, Canterbury, 1986, P. 27-30.
3. Kolesnikov E.M., Boettger T. et al. // Isotopes Environ.Health Stud. 1996. V.32. N4. P. 347-361.
4. Simpson J.A., Sagdeev R.Z. et al. // Nature. 1986, V.321, P.278-280.
5. Колесников Е.М. // ДАН. 1982. Т.266. N4. C.993-995.
6. Колесников Е.М., Бёттгер Т., Колесникова Н.В. // ДАН. 1995. Т. 343. N5. С. 669-672.
7. Колесников Е.М., Бёттгер Т. и др. // ДАН. 1996. Т. 347. N3. С. 378-382.
8. Hou Q., Ma P.X., Kolesnikov E.M. // Planet Space Sci. 1998. V.46. N 2-3. P.179-188.
9. Колесников Е.М. // В кн.: Метеоритные исследования в Сибири. Новосибирск, Наука, 1984. С. 49-63.
10. Kolesnikov E.M., Kolesnikova N.V., Boettger T. // Planet. Space Sci. 1988. V.46. N 2-3. P.163-167.
11. Барсукова Л.Д., Колесов Г.М. и др. // ЖАХ. 1986. Т.41. N5. С.874-978.
12. Колесников Е.М.,Люль А.Ю.,Иванова Г.М. // Астр.Вестник . 1977. Т.11. N4. С. 209-218.
13. Долгов Ю.А.,Васильев Н.В. и др. // Метеоритика. 1973. вып. 32. С.147-149.
14. Longo G.,Serra R. et al. // Planet. Space Sci. 1994. V.42. N2. P.163-177.
15. Голенецкий С.П.,Степанок В.В.,Колесников Е.М. // Геохимия. 1977. N11. С. 1635-1645.
16. Колесников Е.М. В кн.: Взаимодействие метеоритного вещества с Землей. Новосибирск, Наука. 1980. С.87-102.
17. Preston G.W. // Astrophys. J. 1967. V.147. N2. P.718-742.
18. Millman P.M. In: Comets, Asteroids, Meteorites: Interrelations, evolution and origin. Univ. Toledo. 1977.
19. Megie G., Blamont J.E. // Planet. Space Sci. 1977. V.25. P.1093.
20. Golberg R.A., Aicin A.C. // Science . 1973. V.180. P.294.
21. Geplecha Z., Padevet V. // Bull. Astron. Inst. Czechosl. 1969. V.20. N3. P.117.
22. Саидов К. // ДАН Таджикск. ССР. 1970. Т.13. N6. C.13-15.
23. Мэйсон Б. Метеориты. Изд-во »Мир» . М. 1965. 306С.
24. Bradley J.P., Sandford S.A., Walker R.M. In: Meteorites and the Early Solar System. Univ. Arizona Press. 1988. P. 861-895.
25. Rietmeijer F.J.M. // Meteoritics. 1989. V. 24. P.43-47.