BADANIA METEORYTÓW
Polski Serwis Meteorytów

Marek ŁODZIŃSKI^{* -} Sposoby odróżniania meteorytów od skał ziemskich. 

            Odpowiedzi na pytanie jak rozpoznać materię kosmiczną od skał ziemskich poszukają obecnie naukowcy, jak i również kolekcjonerzy. Pierwszych interesują precyzyjne badania składu chemicznego i mineralnego skały. Na ich podstawie wysuwane są wnioski na temat, skąd mógł pochodzić meteoryt. Próbują wyciągnąć zapisane w minerałach informacje o warunkach powstania oraz późniejszych procesach na które był narażony meteoryt w czasie zdarzeń kolizyjnych, czy gdy podlegał wietrzeniu lub podczas spadku, gdy parował. Drudzy przede wszystkim chcą mieć pewność, że znaleziony okaz pochodzi z kosmosu. Jest tutaj równie ważne, że jeżeli pochodzi spoza Ziemi, to do jakiej grupy można go zaliczyć. Czy jest to meteoryt pospolity, czy też będący jedynym przedstawicielem nowej grupy.

            Należy podkreślić, że współpraca między naukowcami i kolekcjonerami może przynieść obustronne korzyści. Każdy kolekcjoner powinien podzielić się swoim meteorytem ze specjalistą w ośrodku badawczym. Może wspólnie wówczas uda się rozwikłać kolejną zagadkę kosmosu. Z drugiej strony naukowcy nie powinni bez entuzjazmu podchodzić do przysyłanych do zbadania ogromnych stert pseudometeorytów.

            Przy badaniach skał pozaziemskich należy stosować metody nieniszczące. Wykonywać takie badania, które nie prowadzą do zniszczenia cennego materiału meteorytowego.

            Każdy meteoryt jest inny. Należy wobec niego zastosować inną metodykę badań. Nie zawsze wynik jednej metody dostarczy wyraźnej odpowiedzi, co badamy. Metody powinny się wzajemnie uzupełniać i potwierdzać. Do badań skał dużo wnoszą wstępne obserwacje i wnioski. Do wykonania wstępnych badań nie potrzeba specjalistycznej aparatury, lecz dobre oko i kilka podstawowych odczynników chemicznych.

            Badania minerałów i skał, w celu uzyskania wiarygodnej odpowiedzi na temat, czy mamy meteoryt, czy też np. zwykły bazalt ziemski można podzielić na dwa etapy: I - badania możliwe do wykonania przez poszukiwacza meteorytów, II - badania mineralogiczno-geochemiczne wymagające specjalistycznego sprzętu i doświadczenia w rozpoznawaniu minerałów.

Do pierwszego etapu należy zaliczyć: 1) obserwacje miejsca spadku, 2) obserwacje makroskopowe, 3) wstępne badania składu chemicznego, 4) badania magnetyczne, 5) trawienie meteorytów.

            W drugim etapie wykonuje się: a) analizy składu mineralnego: fazowe i ilościowe, czyli badania z jakich minerałów zbudowana jest skała i ile ich jest, b) analizy składu chemicznego, czyli badania nad składem danego związku chemicznego oraz zróżnicowaniem przestrzennym tego składu. Do głównych badań należą: mikroskopia optyczna w świetle przechodzącym i w świetle odbitym, mikroskopia elektronowa (skaningowa), dyfraktometria rentgenowska, spektroskopia absorpcyjna w podczerwieni, fluorescencja rentgenowska.

Obserwacje miejsca spadku polegają na rozglądnięciu się w terenie w pobliżu miejsca, gdzie znaleziono skałę. Zwracamy uwagę na krater uderzeniowy, jego kształt i głębokość. Obserwujemy, czy dana skała występuje w większej ilości, czy nie dostała się do tego miejsca dzięki działalności transportowej wody, wiatru itp. Również kluczową sprawą jest stwierdzenie, że nie powstała ona w wyniku działalności człowieka, czyli że np. w sąsiedztwie nie znajdują się stare hałdy huty żelaza itp.

Obserwacje makroskopowe dotyczą skorupki oraz świeżego przełamu skały. Na skorupce zwracamy uwagę, czy nosi ona ślady obtopienia oraz, czy są obecne regmaglypty (płytkie wgłębienia na powierzchni, przypominające odciski palców). Na przełamie prowadzimy obserwacje składu mineralnego skały. Skład mineralny skał pozaziemskich różni się od tych znanych z powierzchni Ziemi. Obserwacje te możliwe są jedynie w przypadku skał dobrze wykrystalizowanych, w których gołym okiem widać składniki mineralne. Zwracamy wówczas uwagę na ilość minerałów, która buduje skałę i próbujemy określić ich cechy.

Każdy minerał opisujemy według ściśle określonego schematu. Podajemy cechy fizyczne i optyczne minerałów: barwa, rysa, połysk, łupliwość, twardość, ciężar właściwy. Wyróżniamy cechy teksturalne składników skały, czyli sposób rozmieszczenia minerałów np. kryształy układają się wydłużonymi osiami równolegle do siebie lub są pokruszone i tworzą rodzaj brekcji. Zwracamy uwagę na struktury, czy skała jest grubo czy drobnoziarnista, czy też w zbitej masie skalnej tkwią jedynie pojedyncze kryształy tzw. prakryształy. Istotne jest również wzajemne współwystępowanie minerałów np. oliwiny w żelazie niklowym wskazują jednoznacznie na to, że mamy do czynienia z meteorytem - pallasytem. Każdy kolekcjoner powinien nie tylko szufladkować swoje meteoryty, ale również starać się opisywać je według tego schematu.

Wstępne badania składu chemicznego polegają na stwierdzeniu obecności Ni w skale. Meteoryty w przeważającej większości mają znaczną domieszkę Ni: meteoryty kamienne (ok. 1,1 % Ni), meteoryty żelazno-kamienne i żelazne (ok. 9 % Ni). Wykrycie jego obecności może wskazywać na materię pozaziemską.

Istnieją dwa sposoby wykrycia niklu. Pierwszy w nich dotyczy skały, drugi roztworu:
a). Skałę proszkuje się w kuwecie porcelanowej. Po przeniesieniu do probówki dodaje się 4 - 5 krotną ilość stopu soli amonu. Po wymieszaniu i podgrzaniu przez 3 - 4 minuty w płomieniu palnika uzyskuje się spiek. Dodaje się kilka ziaren dwumetyloglioksymu i całość uciera się. Pojawienie się czerwonoróżowej barwy wskazuje na obecność Ni.
b). Sproszkowany minerał przeprowadza się do roztworu. Gdy w roztworze, w kwasie HNO₃ znajdzie się Ni to przyjmuje on barwę zieloną. Po dodaniu amoniaku NH₄OH roztwór zmienia barwę na niebieską.

Badania magnetyczne prowadzone są przy wykorzystaniu magnesu. Większość meteorytów zawiera znaczną ilość minerałów ferromagnetycznych (mających silne właściwości magnetyczne). Do takich należą: żelazo niklowe (FeNi) i troilit (FeS). Minerały te przyciągają magnes. Nie każda skała mająca własności magnetyczne będzie jednak meteorytem. Również wiele skał ziemskich przyciąga magnes, np. te, które zawierają magnetyt. Metoda ta nie daje więc jednoznacznej odpowiedzi.

Trawienie meteorytów jest metodą, która znajduje zastosowanie tylko dla meteorytów żelaznych. W prosty sposób można rozróżnić stop metalu z huty od żelaza niklowego z kosmosu. Wygładzoną i wypolerowaną powierzchnię meteorytu w postaci zgładu poddajemy działaniu 5 % roztworu HNO₃ przez kilka minut. Po tym czasie na powierzchni powstają charakterystyczne struktury:
- figury Widmanstattena (dla oktaedrytów) - belki lub cienkie lamelki kamacytu (faza FeNi uboga w Ni) i taenitu (faza FeNi zasobna w Ni). Kamacyt zawiera mniej Ni i łatwiej podlega trawieniu.
- linie Neumanna (dla heksaedrytów) - cienkie, proste i równoległe linie
Opisane powyżej struktury nie występują w ziemskim żelazie rodzimym.

Mikroskopia optyczna w świetle przechodzącym jest pierwszą z metod wymagających specjalistycznego sprzętu, doświadczenia badacza i odpowiedniego przygotowania preparatu. Ze skały wykonuje się płytkę cienką. Jest to fragment odcięty od skały, a następnie zeszlifowany do grubości 0,02 mm, wypolerowany i przyklejony na szkiełko. Na tak przygotowanym preparacie można identyfikować minerały przeźroczyste.

W tym celu pod mikroskopem polaryzacyjnym obserwuje się cechy optyczne minerałów przy jednym nikolu: relief (czy coś jest twardsze od otoczenia, wystaje ponad otoczenie), łupliwość (czy są obecne pęknięcia w krysztale), pleochroizm (zmiana odcienia barwy przy obrocie stolika mikroskopu), zonalność kryształów (zmiana charakteru powierzchni lub barwy w krysztale), wrostki; przy dwóch nikolach: czy mamy minerał izotropowy (o jednakowych własnościach optycznych i fizycznych we wszystkich kierunkach) lub substancję bezpostaciową (widzimy czarne pole), czy mamy minerał anizotropowy (zmienia barwy przy obrocie stolika), określamy barwy anizotropii, refleksy.

W większości przypadków określenie tych wszystkich cech pozwala poprawnie nazwać minerał. Rozpoznanie w ten sposób pewnych grup minerałów, np. minerałów zawierających grupy OH jak np. amfibole, łyszczyki, serpentyny, czy cząsteczkę wody jak np. uwodnione siarczany, węglany może wskazywać, że mamy do czynienia z skałą ziemską. Materia pozaziemska nie zawiera bowiem minerałów uwodnionych, za wyjątkiem nielicznej grupy meteorytów tzw. chondrytów węglistych. Z drugiej strony rozpoznanie takich grup minerałów jak fosforki, krzemki, azotki może wskazywać na materię kosmiczną. Te grupy minerałów nie występują na Ziemi.

Mikroskopia optyczna w świetle odbitym służy do identyfikacji metali rodzimych i siarczków, czyli minerałów nieprzeźroczystych. Badania prowadzimy na preparacie przygotowanym w inny sposób, niż do światła przechodzącego. Skałę tnie się wzdłuż wybranej płaszczyzny, którą następnie szlifuje się i poleruje. Otrzymujemy tzw. zgład. Na jego powierzchni określamy pod mikroskopem cechy minerałów przy jednym nikolu: relief, łupliwość, dwójodbice (zbliżona cecha do pleochroizmu w świetle przechodzącym), refleksyjność (jasność minerału, czyli jaki procent światła padającego jest odbijany od jego powierzchni); przy dwóch nikolach: czy jest izotropowy, czy anizotropowy, jaka jest mocna anizotropia, jakie ma barwy, czy są refleksy wewnętrzne. Żelazo niklowe jest np.: białe, ma silną refleksyjność (jak wszystkie rodzimki), jest izotropowe, nie ma refleksów wewnętrznych.

Dyfraktometria rentgenowska pozwala zidentyfikować mieszaninę faz mineralnych w skale, a także określić ilościowo ile danej fazy jest. Do badania tą metodą sproszkowaną próbkę nanosi się na płytkę szklaną i poddaje się działaniu promieni rentgenowskich. Po naświetleniu otrzymuje się zapis w postaci widma tzw. dyfraktogramu, który odzwierciedla sposób ugięcia się promieni na płaszczyznach sieciowych minerału. Widmo jest charakterystyczne i różne dla każdego minerału.

Spektroskopia absorpcyjna w podczerwieni dostarcza informacji o rodzaju fazy mineralnej, jej składzie i domieszkach. Do badania sproszkowaną próbkę w ilości 0,5 mg mieszamy z 300 mg KBr, a następnie w prasie tworzymy pastylkę. Po naświetleniu otrzymujemy charakterystyczne widmo absorpcyjne. Analizując poszczególne piki na widmie można uzyskać informacje o strukturze badanego związku. Widma porównujemy z komputerową bazą danych.

Fluorescencja rentgenowska pozwala określić skład pierwiastkowy badanej próbki i oszacować ilość tych pierwiastków. Do badania proszkujemy próbkę, którą przenosimy do kuwety i poddajemy działaniu promieniowania. Pod wpływem wzbudzenia pierwiastki emitują pewien kwant energii. Otrzymuje się charakterystyczne widmo emisyjne z pikami dla poszczególnych pierwiastków. W ten sposób można precyzyjnie wykryć domieszkę Ni w Fe. Stwierdzimy więc, czy mamy kamacyt, taenit, czy żelazo ziemskie.

Mikrosonda elektronowa identyfikuje fazę mineralną i pozwala wyliczyć precyzyjnie jej skład chemiczny. Próbkę w postaci zgładu napyla się grafitem lub złotem i poddaje działaniu promieniowania. Otrzymuje się charakterystyczne widmo z pikami dla poszczególnych pierwiastków. Metoda ta nie powoduje zniszczenia próbki. Pozwala określić skład pierwiastkowy danej fazy mineralnej. Oznaczenia składu można uzyskać z punktu, przekroju lub większego obszaru (tzw. mapping). Po odniesieniu wyników do wzorca uzyskuje się precyzyjne oznaczenia ilościowe zawartości pierwiastka w danym minerale.