Ученые из Института земной коры СО РАН (Иркутск) впервые использовали рентгенофлуоресцентный метод анализа с полным внешним отражением (TXRF) для определения элементного состава железного метеорита. Для проведения исследования был значительно изменен протокол подготовки образцов. Тестирование метода осуществили на Сихотэ-Алинском метеорите, а полученные результаты опубликованы в журнале Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy .
«Метеориты представляют собой фрагменты астероидов, а также, в редких случаях, Марса или Луны, которые на протяжении миллиардов лет перемещались в космическом пространстве, практически не претерпевая изменений. В то время как на Земле происходили процессы, такие как течение океанов, извержения вулканов и смещение континентов, стирающие следы самых ранних эпох, эти космические объекты их сохранили. Именно поэтому метеориты можно считать своеобразными «капсулами времени». Анализ и последующая классификация этих объектов дают возможность определить первоначальный состав Земли до того, как он был изменен внутренними геологическими процессами. Таким образом, исследуя эти космические камни, мы, по сути, осуществляем археологические изыскания, чтобы восстановить историю нашей собственной планеты», — поясняет старший научный сотрудник Института космической геофизики Сибирского отделения Российской академии наук, кандидат химических наук Артём Сергеевич Мальцев.
Традиционно для изучения железных метеоритов одним из наиболее авторитетных методов являлся нейтронно-активационный анализ (НАА). В рамках этой методики образец подвергался воздействию нейтронного потока в ядерном реакторе, после чего по характеристикам возникающего излучения определяли его химический состав. Данный подход был щадящим, поскольку практически не приводил к разрушению образца, но для его реализации необходим ядерный реактор, а после облучения образец становился радиоактивным, что усложняло дальнейшую работу с ним. В настоящее время для исследования метеоритов все чаще применяют методы масс-спектрометрии, позволяющие установить не только элементный, но и изотопный состав. Тем не менее, эти методы обычно требуют растворения образца или создания микроскопического кратера с помощью лазерного выжигания. Это сопряжено с высокими затратами и сложностью, а также, что особенно важно для исследователей, приводит к частичному разрушению ценного материала – для редких метеоритов каждый миллиграмм имеет большую ценность.
Ученые из Института земной коры Сибирского отделения Российской академии наук приняли решение применять метод рентгенофлуоресцентного анализа с использованием полного внешнего отражения при изучении железных метеоритов.
«Принцип действия метода заключается в следующем: подготовленный образец подвергается облучению узким пучком рентгеновских лучей под небольшим углом. Атомы вещества испускают флуоресцентное излучение, которое характеризуется определенными для каждого элемента свойствами и проявляется в спектре. Именно таким образом определяется элементный состав. Основные достоинства этого метода заключаются в скорости и экономичности анализа по сравнению с масс-спектрометрией, повышенной чувствительности к микроэлементам в сравнении с классическим РФА, а также в простоте подготовки образцов и проведения количественного анализа, — подчеркивает Артём Мальцев. — Ранее TXRF находил применение преимущественно для анализа каменных метеоритов, имеющих силикатную матрицу. Использование данного метода для железных метеоритов стало новым применением».
Главная сложность для исследователей заключалась не в самой технологии, а в ее приспособлении к конкретному объекту. Требовалось обеспечить максимальную точность и повторяемость результатов. Перед ними стояли две основные задачи: в первую очередь, необходимо было разработать метод подготовки образцов для железной матрицы. Суть заключалась в преобразовании фрагмента железа в форму, совместимую с анализом TXRF, при этом исключая потерю или загрязнение ценных микроэлементов. Во-вторых, критически важным было правильное определение представительного образца. Метеорит представляет собой неоднородный сплав, поэтому требовалось определить, какую именно его часть следует использовать для анализа, чтобы полученные данные соответствовали среднему составу метеорита, а не характеристикам отдельного компонента.
Для тестирования методики был использован образец Сихотэ-Алинского метеорита, взятый из Минералогического музея имени А.Е. Ферсмана РАН в Москве. Этот метеорит, выпавший на территорию Приморского края 12 февраля 1947 года, входит в число десяти самых крупных в мире. Официальные экспедиции Академии наук извлекли из него более 3500 фрагментов, суммарно составивших более 27 тонн.
Сихотэ-Алинский метеорит представляет собой прекрасную возможность для проведения исследований. Прежде всего, обилие его фрагментов позволяет получить достаточное количество материала для экспериментов. Кроме того, для специалистов имеет большое значение то, что структура этого метеорита довольно однородна. Основу метеорита, составляющую примерно 90%, формирует минерал камасит (железно-никелевый сплав), что обеспечивает его достаточно стабильный состав в различных точках. Используя его для отработки методики, ученые сокращают вероятность ошибок, вызванных неоднородностью образца, и могут быть уверены, что совершенствуют технику анализа, а не интерпретируют естественные колебания состава.
«В методах, подобных TXRF, качество подготовки образца определяет 90% конечного результата. Наша разработка связана с созданием и совершенствованием уникального метода растворения железной основы. Мы определили оптимальные кислоты, температуру и порядок действий, позволяющие полностью перевести металл в раствор, снизить потерю легколетучих компонентов, исключить внешнее загрязнение образца и гарантировать стабильность полученного раствора для проведения точных измерений», — говорит Артём Мальцев.
В минувшем году группа исследователей из Института химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, возглавляемая ведущим научным сотрудником, кандидатом химических наук Галиной Валерьевной Пашковой, получила грант Российского научного фонда для исследования метеоритов. На первом этапе работы проводилась отработка методологии, и теперь ученые приступили к анализу редких и уникальных метеоритных образцов из коллекции Минералогического музея им. А.Е. Ферсмана РАН (Москва).
Работа проведена при поддержке Российского научного фонда в рамках гранта № 25-23-00515, целью которого является разработка новых методик для определения химического состава железных метеоритов с использованием рентгенофлуоресцентного анализа с полным внешним отражением».
Автор: Диана Хомякова
Материалы подготовлены Управлением по продвижению и популяризации научных разработок СО РАН