ARTYKUŁY INFORMACYJNE Poszukiwany świadek naoczny impaktu – kwarc wstrząsowy

Poszukiwany œwiadek naoczny impaktu – kwarc wstrz¹sowy

Patrycja Wójcik-Tabol

A b s t r a c t. Most of the craters on the Earth, produced by an impact of meteorite or other space object, have been masked by exogenous processes. Therefore, indirect indicators of the impact such as shocked quartz have been rec-ognized. The impact metamorphism is visibly recorded within quartz by distinctive microstructures. However, only the planar deformation features (PDF) are unquestionable evidences of impact. They should be investigated with particular accuracy because of similarity to endogenic planar microdeformations such as: growth features or metamorphic deformation lamellae. The K/Pg boundary interval from the Polish Outer Carpathians (Skole Unit, Husów. Thrust Sheet, B¹kowiec section) have been studied. This note presents difficulties in identifying shock fea-tures in quartz grains collected from turbiditic material

.

Keywords: impact, shocked quartz, non-impact microstructures, K/Pg boundary, Skole Unit, Carpathians

Od pocz¹tku swojego istnienia Ziemia nara¿ona jest na bombardowanie przez inne obiekty przemierzaj¹ce prze-strzeñ kosmiczn¹. Nie jest ona uprzywilejowana pod tym wzglêdem, choæ skutecznie maskuje bezpoœrednie dowody kolizji. Skaliste powierzchnie innych cia³ niebieskich nosz¹ wyraŸne znamiona w postaci kraterów, lecz powierzchnia Ziemi, ustawicznie podlegaj¹ca procesom egzogenicznym (m.in. wietrzeniu, erozji, sedymentacji), zabliŸnia morfologiczne œlady. Wobec braku wyraŸnych œwiadectw, celowe sta³o siê zdefiniowanie alternatywnych lub nawet poszlakowych dowodów impaktów, zw³aszcza, jeœli mog³y one zmieniaæ bieg historii geologicznej. Upa-dek meteorytu wskazywany jest jako mo¿liwa przyczyna zmian klimatu i kryzysów biotycznych, tzw. wielkich wymierañ na granicy fran/famen, trias/jura oraz eocen/oli-gocen (Racki, 1999; Hallam, 2006). Jedyna katastrofa eko-logiczna na skalê globaln¹, której zwi¹zek z upadkiem planetoidy jest mocno udokumentowany, nast¹pi³ na grani-cy kredy i paleogenu (tradygrani-cyjne okreœlenie: K/T lub K/Pg). Pierwotna koncepcja tzw. piek³a dantejskiego, zarysowana przez Alvareza i in. (1980), ulega³a z czasem modyfika-cjom (Ager, 1993; Alvarez, 2003; Schulte i in., 2010). Tym niemniej wp³yw pozaziemskiego czynnika na wydarzenia rozgrywaj¹ce siê na granicy kredy i paleogenu jest bezdy-skusyjny.

Blisko 200-kilometrowy krater Chicxulub, na pó³wyspie Jukatan, powsta³ w czasie uderzenia asteroidy, o œrednicy oko³o 10 km, 65 mln lat temu. Kolizja zosta³a zarejestro-wana na ca³ym globie poprzez zapis geochemiczny – ano-maliê irydow¹, stosunki izotopowe187

Os/188

Os oraz zapis mineralogiczny – obecnoœæ wysokociœnieniowych odmian krzemionki, tj. coesytu i stiszowitu, stopów i szkliwa, sfe-ruli, a tak¿e minera³ów zmienionych wstrz¹sowo (Alvarez, 2003; French & Köeberl, 2010; Schulte i in., 2010).

Ta notatka poœwiêcona jest jednemu z bardziej po¿¹-danych, poœrednich dowodów impaktu – kwarcowi wstrz¹-sowemu. W kwarcu wystêpuj¹ wyraŸne i najbardziej dia-gnostyczne struktury. Jednoczeœnie jest on powszechnym i

trwa³ym minera³em, co dodatkowo predestynuje go do roli „naocznego œwiadka” impaktu.

Fale wstrz¹sowe o niskim poziomie naprê¿eñ (<10 GPa) mog¹ powodowaæ powstanie wielokrotnych, równo-leg³ych struktur planarnych (od ang. planar fractures – PF; Robertson i in., 1968). Struktury typu PF mog¹ byæ do z³udzenia podobne do prze³amu. Pêkniêcia maj¹ d³ugoœæ od 0,5 do 5 mm, w zale¿noœci od wielkoœci ziarna i nie dochodz¹ do jego krawêdzi. Ich szerokoœæ wynosi od 3 do 10 µm. Szczeliny oddalone s¹ od siebie na ogó³ o 100–500 µm i czêsto wype³nione minera³ami wtórnymi (French i in., 2004; French & Koeberl, 2010).

Czasem rozwijaj¹ siê struktury bardziej z³o¿one, sk³a-daj¹ce siê z drobniejszych p³aszczyzn zawieraj¹cych ciek³e inkluzje. P³aszczyzny rozk³adaj¹ siê subrównolegle i odbie-gaj¹ od motywu PF – to tzw. struktury pierzaste (French i in., 2004).

Struktury typu PF nie s¹ jednoznacznymi wskaŸnikami impaktu. Mo¿na je w ten sposób interpretowaæ jedynie, gdy stowarzyszone s¹ z innymi dowodami, np. wielkoska-lowymi zaburzeniami strukturalnymi albo jeœli w jednym ziarnie wspó³wystêpuj¹ ze strukturami typu PDF – tzw. p³askimi strukturami deformacyjnymi (od ang. planar

deformation features – PDFs; Engelhardt i Stoffler, 1965;

Grieve i in., 1996).

P³askie struktury deformacyjne typu PDF (Alexo-poulos i in., 1988) s¹ bezsprzecznym dowodem dzia³ania szoku wywo³anego impaktem. S¹ to struktury wielokrotne, sk³adaj¹ce siê z licznych, równoleg³ych p³aszczyzn, o gru-boœci£ 1 µm, oddalonych od siebie o kilka mikrometrów. Brak dwój³omnoœci uwidacznia je na tle ziarna kwarcu-go-spodarza.

Nadmierny entuzjazm i z³udne przeœwiadczenie o pro-stocie zadania gro¿¹ pu³apk¹ zniecierpliwienia i niedosta-tecznie wnikliw¹ analiz¹ materia³u pozornie tylko oczy-wistego i powszechnego. W efekcie, elementy zwi¹zane z normalnym rozwojem kwarcu lub deformacjami tektonicznymi

263

Przegl¹d Geologiczny, vol. 60, nr 5, 2012

1

Instytut Nauk Geologicznych, Uniwersytet Jagielloñski, ul. Oleandry 2a, 30-063 Kraków; p.wojcik-tabol@uj.edu.pl.

mog¹ zostaæ b³êdnie zinterpretowane jako mikrostruktury wstrz¹sowe.

Obserwacje pod skanningowym mikroskopem elek-tronowym umo¿liwiaj¹ zaobserwowanie, ¿e optycznie pojedyncza p³aszczyzna mo¿e sk³adaæ siê z wielu drobniej-szych, równoleg³ych p³aszczyzn (Gratz i in., 1996). S¹ one zorientowane wed³ug konkretnych p³aszczyzn krystalogra-ficznych w kwarcu, tj. c{0001}, w{1013} i p{1012} (Engelhardt & Stöffler, 1965; French & Short, 1968; Alexopoulos i in., 1988; Grieve i in., 1996). Wa¿ne jest przy tym, by zmierzyæ kierunki jak najliczniejszej popula-cji struktur PDF, aby wyniki statystyczne by³y miarodajne. Pomiary stanowi¹ najbardziej efektywn¹ metodê rozró¿-niania struktur szokowych od innych, nie impaktowych deformacji w kwarcu.

Œwie¿e PDF sk³adaj¹ siê ze szkliwa, z czasem ule-gaj¹cego rekrystalizacji do kwarcu, którego odrêbnoœæ od minera³u gospodarza podkreœlaj¹ inkluzje. Tak zmienione struktury nazywane s¹ dekorowanymi (ang. decorated

pla-nar deformation features).

Jako struktury typu PDF, bywaj¹ b³êdnie interpretowa-ne struktury wzrostowe kwarcu. Nadbudowa kryszta³u skutkuje powstaniem zespo³u równoleg³ych pasów. Powsta³y wzór mo¿e przypominaæ PDF. Jednak struktura wzrostowa zawsze naœladuje p³aszczyzny r/z{1011} lub m{1010}.

Metamorficzne lamelki deformacyjne (od ang.

meta-morphic deforamtion lamellae – MDL) bywaj¹ tak¿e

mylone z PDF. Struktury MDL powszechnie wystêpuj¹ w kryszta³ach kwarcu ska³ magmowych i metamorficznych. Stanowi je zespó³ równoleg³ych lamelek, zwykle³ 2 µm

gruboœci, czêsto lekko ugiêtych. Ich granice s¹ zazwyczaj niewyraŸne (Carter, 1965; Alexopoulos i in., 1988; Grieve i in., 1996). Lamelki oddalone od siebie o mniej ni¿ 5 µm tworz¹ zwykle jeden system.

Struktury typu MDL oraz bliŸniaki wed³ug prawa bra-zylijskiego mog¹ powstaæ wskutek oddzia³ywania naprê¿eñ <10 GPa. S¹ wówczas równoleg³e wzglêdem p³aszczyzny (0001), podczas gdy normalna orientacja to {10 12} (Gol-trant i in., 1992). Struktury te zosta³y opisane z kraterów Meteor Crater (Arizona), Vredefort (Po³udniowa Afryka) (Carter, 1965; Goltrant i in., 1992) i Sudbury (Kanada) (Joreau i in., 1996). Widoczne s¹ one tylko w powiêksze-niach transmisyjnego mikroskopu elektronowego [TEM].

Granica K/Pg, nosz¹ca znamiona impaktu, ma zasiêg globalny i zosta³a zdiagnozowana w przesz³o 350 rozpro-szonych profilach (Schulte i in., 2010). W Polsce zosta³a ostatnio opisana ze wschodniej czêœci basenu polsko-duñ-skiego, w rejonie Che³ma. Wystêpuje tam warstwa osadu ilastego o 10 cm mi¹¿szoœci, w sp¹gu rdzawego, typu rusty layer. Wiek ni¿ej leg³ego osadu oznaczono jako póŸny mastrycht, zaœ warstwa nadleg³a reprezentuje wczesny dan. Uznano zatem, ¿e osad ilasty stanowi interwa³ graniczny. Granica K/Pg manifestuje siê geochemicznie poprzez ano-malne koncentracje Ir, Ni, Au (fide Racki i in., 2011).

Kilka lat wczeœniej, granica kredy i trzeciorzêdu zosta³a bli¿ej sprecyzowana w utworach fliszowych w pol-skich Karpatach zewnêtrznych (jednostka skolska, ³uska brze¿na w rejonie Husowa, profil Gaj (fide Gasiñski & Uchman, 2009). PóŸniej, w ³usce Husowa w profilu B¹kowiec (ryc. 1) granica ta zosta³a zawê¿ona do interwa³u 15 cm mi¹¿szoœci, z³o¿onego z osadu hemipelagicznego,

264

Przegl¹d Geologiczny, vol. 60, nr 5, 2012

Polska

Przemyœl

Rzeszów

N

jednostka

skolska

Ukraina

zapadlisko przedkarpackie

oligocen – dolny miocen

kreda

20km

Wis³ok

nasuniêcia

wieñcz¹cego jeden rytm sedymentacji turbidytowej i pia-skowca zaczynaj¹cego kolejny rytm. Wed³ug biostratygra-fii otwornicowej, interwa³ ten znajduje siê powy¿ej poziomu Abathomphalus mayaroensis, który wskazuje na najwy¿-szy mastrycht, a poni¿ej poziomu pojawienia siê pierw-szych otwornic indeksowych paleocenu (Gasiñski & Uch-man, 2011a, b). Ewenementem dla utworów fliszowych jest precyzyjna data i ma³a mi¹¿szoœæ interwa³u graniczne-go. Fakty te sk³oni³y do wszczêcia dalszych poszukiwañ, których celem s¹ mineralogiczne oraz geochemiczne œlady impaktu. Analiza mineralogiczna materia³u turbidytowego nastrêcza trudnoœci, zwi¹zanych z bogatym inwentarzem ziaren detrytycznych o zró¿nicowanej proweniencji pod wzglêdem Ÿród³a oraz stopnia z³o¿onoœci historii depozy-cyjnej (dystans i czas transportu, mo¿liwy recykling).

Konieczna jest ¿mudna analiza poszczególnych ziaren. Obserwacje drobnej frakcji wymagaj¹ zastosowania mikro-skopu polaryzacyjnego lub elektronowego.

Badania prowadzono korzystaj¹c z mikroskopu opty-cznego NIKON ECLIPSE, E 600 POL oraz mikroskopu elektronowego HITACHI S-4700 i NORAN Vantage przy natê¿eniu wi¹zki pr¹du Ie = 10 uA, napiêciu przyspie-szaj¹cym 20 kV i ciœnieniu pró¿ni 4 x 10–3Pa w Laborato-rium Mikroskopii Skaningowej z Emisj¹ Polow¹ i Mikro-analizy w ING UJ.

Analiza p³ytki cienkiej ze ska³y ujawni³a obfitoœæ cementu wêglanowego, który koroduje ziarna kwarcu. Kryszta³y wêglanów niejako „wkraczaj¹” na ziarna kwar-cu, daj¹c efekt têczowego halo, które maskuje mikrostruk-tury tego minera³u. Nieostra granica pomiêdzy cementem i ziarnem kwarcu stwarza z³udzenie, ¿e w kwarcu wystêpuje dwukierunkowy system równoleg³ych linii, które de facto okazuj¹ siê p³aszczyznami ³upliwoœci minera³ów wêglano-wych (ryc. 2).

Wyseparowane ziarna w preparacie proszkowym, nie-polerowanym, wykazuj¹ podwy¿szon¹ dwój³omnoœæ, zaœ inkrustacje minera³ami nieprzezroczystymi stwarzaj¹ pozo-ry dodatniego reliefu i nios¹ ze sob¹ pozo-ryzyko przeoczenia tak „nietypowego” obrazu kwarcu lub nadinterpretacji struktur endogenicznych (ryc. 3), czasem nawet innych ni¿ kwarc minera³ów (wêglanów lub mik). Ziarna kwarcu poddane obserwacjom z zastosowaniem SEM ujawni³y g³ównie struktury wzrostowe oraz powierzchnie prze³amu (ryc. 4). Pojedyncze ziarna kwarcu s¹ byæ mo¿e zmienione wstrz¹sowo (ryc. 5), lecz twierdzenie o tym jest przed-wczesne.

Domniemany kwarc szokowy jest ponadto zbyt rzadki i rozproszony, by zastosowaæ metody statystyczne jako naj-bardziej efektywne. Badania s¹ kontynuowane, równolegle z badaniami geochemicznymi.

Sk³adam serdeczne podziêkowania Profesorom C. Koeberlowi (Department of Lithospheric Research, University of Vienna) za konsultacje naukowe oraz A. Gasiñskiemu i A. Uchmanowi (Instytut Nauk Geologicznych UJ) za zaproszenie do wspó³pracy, pomoc w gromadzeniu materia³u badawczego i twórcz¹ dyskusjê naukow¹. Recenzja dr hab. A. Gawêdy wnios³a do tekstu cenne

265

Przegl¹d Geologiczny, vol. 60, nr 5, 2012 100 µm

Ryc. 2. Obraz mikroskopowy badanej ska³y – drobnoziarnistego piaskowca o cemencie wêglanowym. Strza³ka wskazuje minera³y wêglanowe „wkraczaj¹ce” na kwarc i tworz¹ce barwne halo (skrzy¿owane polaryzatory)

100 µm 50 µm

A B

Ryc. 3. A – ziarno kwarcu z badanych prób z profilu B¹kowiec (skrzy-¿owane polaryzatory, gruboœæ preparatu = 0,06 mm); B – kwarc wstrz¹sowy, powsta³y podczas impaktu Chicxulub, znaleziony na Haiti (Science Photo Library/EAST NEWS)

100 µm 50 µm

A B

Ryc. 4. A i B – struktury wzrostowe oraz powierzchnie prze³amu wewn¹trz ziaren kwarcu z badanych prób z profilu B¹kowiec (obraz SEM) 50 µm 50 µm 50 µm 50 µm C A D B

Ryc. 5. Domniemany kwarc szokowy z badanych prób z profilu B¹kowiec (A – równoleg³e polaryzatory; B – skrzy¿owane polaryzatory ); C, D – ziarna kwarcu wstrz¹sowego z Keurusselkä (FerriPre i in., 2010)

sugestie merytoryczne i metodologiczne. Badania s¹ finansowane z PB MNiSW nr N N307038840.

LITERATURA

AGER D. 1993 – The New Catastrophism. The Importance of Rare Events in Geological History. Cambridge University Press. Cambridge. ALEXOPOULOS J.S., GRIEVE R.A.F. & ROBERTSON P.B. 1988 – Microscopic lamellar deformation features in quartz: discriminative characteristics of shock-generated varieties. Geology, 16: 796–799. ALVAREZ L. W., ALVAREZ W., ASARO F. & MICHEL H. 1980 – Extraterrestrial cause for the Cretaceous-Tertiary extinction. Science, 208: 1095–1108.

ALVAREZ W. 2003 – Comparing the evidence relevant to impact and flood basalt at times of major mass extinctions. Astrobiology, 3: 153–161.

CARTER N.J. 1965 – Basal quartz deformation lamellae – a criterion for recognition of impactites. Amer. J. Sci., 263: 786–806.

ENGELHARDT W.V. & STÖFFLER D. 1965 – Spaltflächen im Quarz als Anzeichen für Einschläge grosser Meteoriten. Naturwissenschaften, 17: 489–490.

FERRIORE L., RAISKILA S., OSINSKI G.O., PESONEN L.J. & LEHTINEN M. 2010 – The Keurusselka¨ impact structure, Finland-Im-pact origin confirmed by characterization of planar deformation featu-res in quartz grains. Meteoritics & Planetary Science, 45 (3): 434–446. FRENCH B.M. & SHORT N.M. 1968 – Shock Metamorphism of Natu-ral Materials. Mono Book Corp, Baltimore, MD.

FRENCH B.M., CORDUA W.S. & PLESCIA J.B. 2004 – The Rock Elm meteorite impact structure, Wisconsin: geology and shock-meta-morphic effects in quartz. Bull. Geol. Soc.America, 116: 200–218. FRENCH B. M. & KOEBERL C. 2010 – The convincing identification of terrestrial meteorite impact structures: What works, what doesn't, and why. Earth-Science Reviews, 98: 123–170.

GASIÑSKI M. A. & UCHMAN A. 2009 – Latest Maastrichtian fora-miniferal assemblages from the Husów region (Skole Nappe, Outer Carpathians,Poland). Geol. Carpath., 60 (4): 283–29.

GASIÑSKI M. A. & UCHMAN A. 2011a – The Cretaceous-Paleogene boundary in turbiditic deposits identified to the bed: a case study from the Skole Nappe, Polish Carpathians. Geol. Carpath., 62 (4): 333–343. GASIÑSKI M. A. & UCHMAN A. 2011b – The Cretaceous-Paleogene boundary in turbiditic deposits of the Skole Nappe, Polish Carpathians. Berichte Geol. B.-A., 85 – CBEP 2011, Salzburg, June 5th–8th: 78.

GOLTRANT O., LEROUX H., DOUKHAN J.-C. & CORDIER P. 1992 – Formation mechanisms of planar deformation features in naturally shocked quartz. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 74: 219–240.

GRATZ A., FISLER D.K. & BOHOR B.F. 1996 – Distinguishing shoc-ked from tectonically deformed quartz by the use of SEM and chemical etching. Earth and Planetary Science Letters, 142: 513–521.

GRIEVE R.A.F. & PILKINGTON P.B. 1996 – The signature of terre-strial impacts. AGSO Journal of Australian Geology and Geophysics, 16: 399–420.

HALLAM T. 2006 – Ewolucja i zag³ada. Wielkie wymieranie i jego przyczyny. Prószyñski i S-ka, Warszawa.

JOREAU P., FRENCH B.M. & DOUKHAN J.-C. 1996 – A TEM inve-stigation of shock metamorphism in quartz from the Sudbury structure (Canada). Earth and Planetary Science Letters, 138: 137–143. RACKI G. 1999 – Kontrowersje wokó³ przyczyn wielkich katastrof ekologicznych w historii Ziemi: podsumowanie debaty. Prz. Geol., 47: 343–348.

RACKI G., MACHALSKI M., KOEBERL C. & HARASIMIUK M. 2011 – The weathering modified iridium record of a new Cretaceous-Palaeogene site at Lechówka near Che³m, SE Poland, and its palaeobio-logic implications. Acta Palaeont. Pol., 56 (1): 205–215.

ROBERTSON P.B., DENCE M.R. & VOS M.A. 1968 – Deformation in rock-forming minerals from Canadian craters. [W]: French, B.M., Short, N.M. (red.), Shock Metamorphism of Natural Materials. Mono Book Corp, Baltimore, MD, s. 433–452.

SCHULTE P., ALEGRET L., ARENILLAS I., ARZ J.A., BARTON P.J., BOWN P.R., BRALOWER T.J., CHRISTESON G.L., CLAEYS P., COCKELL C.S., COLLINS G.S., DEUTSCH A., GOLDIN T.J., GOTO K., GRAJALES-NISHIMURA J.M., GRIEVE R.A., GULICK S.P., JOHNSON K.R., KIESSLING W., KOEBERL C., KRING D.A., MACLEOD K.G., MATSUI T., MELOSH J., MONTANARI A., MORGAN J.V., NEAL C.R., NICHOLS D.J., NORRIS R.D., PIERAZZO E., RAVIZZA G., REBOLLEDO?VIEYRA M.,

REIMOLD W.U., ROBIN E., SALGE T., SPEIJER R.P., SWEET A.R., URRUTIA-FUCUGAUCHI J., VAJDA V., WHALEN M.T. & WILLUMSEN P.S. 2010 – The Chicxulub asteroid impact and mass extinction at the Cretaceous-Paleogene boundary. Science, 327: 1214–1218.

Praca wp³ynê³a do redakcji 16.11.2011 r. Po recenzji akceptowano do druku 23.01.2012 r.

266