Cosmic ray tracks in chondritic material with focus on silicate mineral inclusions in chromite

Abstract

It has been suggested that the cosmic ray flux varies as Earth moves relative to the spiral arms in the
galaxy. However, no satisfying record over the cosmic ray flux over long time scales has been presented. This work
aims to investigate the possibility to use cosmic ray tracks in silicate mineral inclusions in sediment-dispersed
extraterrestrial chromite (SEC) grains as such a record. Chromite is the only common meteoritic mineral that survives
on Earth for hundreds of millions of years. SEC grains, interpreted as parts of micrometeorites, have successfully
been used as a proxy for the flux of chondritic material to Earth. Chromite is slightly conductive and does not
record nuclear tracks. However, two-thirds of chondritic chromite grains contain inclusions of silicate minerals
which do register tracks. To test etching techniques and learn more about tracks and their appearance, terrestrial
apatite in thin sections of granite were etched for fission tracks, and olivine, pyroxene and merrillite in thin sections
of meteorites were etched for cosmic ray tracks. Large (~40 μm) inclusions of pyroxene in chromite from a recent
meteorite (Kernouvé, H6) were etched for cosmic ray tracks and such tracks were found in one of the inclusions.
Hence, it is here shown that cosmic rays can penetrate chromite and register tracks in inclusions in chromite grains.
Inclusions of olivine and plagioclase in four SEC grains from mid-Ordovician (470 Ma) sediments were etched for
tracks; however, no tracks were found. It is concluded that it is likely that cosmic ray tracks could be found in
inclusions in fossil SEC grains, but that several factors have to work together for such tracks to be found. The track
studies in mineral grains in recent meteorites and inclusions of pyroxene in chromite from recent meteorites showed
that inclusions have to be large (preferably ≥ 30 μm) and largely unaffected by other defects if cosmic ray tracks
are to be found. Crucial is also that the inclusions have been subjected to cosmic rays for enough time to make track
recording probable and that tracks were not annealed during atmospheric entry or later during their history on
Earth.

Abstract (Swedish)

Det har föreslagits att flödet av kosmiska strålningen till jorden har varierat över jordens
historia, men det finns idag inget tillfredställande arkiv över kosmisk strålning över långa tidsperioder. Kromit är
det enda mineralet i meteoriter som överlever långa tidsperioder (hundratals miljoner år) på jorden och friliggande
extraterrestriska kromitkorn i kalksten (sediment-dispersed extraterrestrial chromite grains; SEC-korn) har använts
som proxy för kondritinflödet till jorden. Kromit är något ledande och registrerar därför inte spår efter kosmisk
strålning, dock innehåller två tredjedelar av kromitkorn från kondriter inklusioner av silikatmineral som faktiskt
registrerar spår. Den här studien syftar till att undersöka huruvida det är möjligt att använda inklusioner av silikatmineral
i SEC-korn som ett fossilt arkiv över kosmisk strålning. Studien är indelad i fyra delar varav de två första,
fissionsspår i terrestrisk apatit samt spår efter kosmisk strålning i olivin, pyroxen och merrillit i recenta meteoriter,
syftar till att testa etsningstekniker och lära mer om spårens utseende. I den andra och tredje delen av studien etsades
inklusioner av silikatmineral i kromit från recenta meteoriter samt i SEC-korn. Spår av kosmisk strålning
fanns i en pyroxeninneslutning i kromit från en recent meteorit, någonting som tydligt visar på att kosmisk strålning
kan penetrera kromit och skapa spår i inklusioner av silikatmineral. Dock hittades inga spår i de fyra inklusioner i
SEC-korn som undersöktes. Slutsatsen är att inklusioner av silikatmineral i SEC-korn potentiellt kan fungera som
ett arkiv över kosmisk strålning över en geologisk tidskala, men att flera faktorer måste samverka om ett sådant
arkiv ska bildas och bevaras. Studierna av spår i mineral och inklusioner av silikatmineral i kromit visade att inklusionerna
måste vara relativt stora (företrädelsevis ≥ 30 μm) och i gott skick för att det ska vara möjligt att hitta spår
i dem. Inklusionerna måste även ha varit utsatta för kosmisk strålning under tillräckligt lång tid för att spår ska ha
registrerats, dessutom måste spåren ha undgått att brytas ner på grund av värmeutveckling i atmosfären och senare
under kornens historia på jorden.

Abstract (Swedish)

Populärvetenskaplig sammanfattning: Supernovor och andra galaktiska system skickar ut mängder av atomkärnor med nära ljusets hastighet, så kallad kosmisk strålning. Eftersom supernovor framförallt finns i spiralarmarna i vår galax och jorden över långa tidsperioder rör sig relativt spiralarmarna så har det föreslagits att kosmisk strålning inte varit konstant under jordens historia. Vidare har vissa forskare sett samband mellan hur jorden rör sig över spiralarmarna i galaxen och variationer i klimatet på jorden, det vore därför intressant att ha ett pålitligt arkiv över intensitet och sammansättning på kosmisk strålning under jordens historia.

När kosmisk strålning träffar meteoroider i rymden bildas små kristalldefekter i mineralen, ”spår efter kosmisk strålning”. Dessa spår bildas i huvudsak i meteoroider under deras färd från asteroidbältet till jorden och meteoriter som landar på jorden för med sig ett arkiv över den kosmisk strålning som de utsatts för under sin färd till jorden. Om man hade kunnat få fram spår av kosmisk strålning i meteoriter som landat på jorden vid olika tidpunkter så skulle man kunna rekonstruera hur mycket kosmisk strålning de utsatts för och se om det finns någon variation i intensitet och sammansättning av kosmisk strålning i ett geologiskt perspektiv. Ett sådant projekt försvåras väsentligt av att meteoriter vittra sönder på jorden och att endast ett vanligt mineral i meteoriter, kromit, bevaras på jorden över hundratals miljoner år. Dessutom bildas inte spår efter kosmisk strålning i kromit eftersom det är svagt ledande. Dock innehåller ungefär två tredjedelar av alla kromitkorn från meteoriter inneslutningar av andra mineral som kan registrera spår. Eftersom dessa mineral ligger inuti kromit så skyddas de mot miljön på jordens som annars skulle få dem att vittra sönder.

I det här arbetet undersöks det om spår efter kosmisk strålning kan registreras i inneslutningar av andra mineral i kromit. Först studerades en annan typ av spår, fissionsspår i mineralet apatit i graniter från jorden för att lära sig hur den här typen av spår ser ut jämför med andra kristalldefekter i mineral. Därefter studerades spår av kosmisk strålning i mineralet olivin i meteoriter som nyligen fallit på jorden. I de här två första delstudierna var det tydligt att det är av högsta vikt att mineral är av god kvalitet om man ska kunna studera spår i dem, om det finns mycket defekter i kristallerna så kan dessa dölja spår bildade av kosmisk strålning. Med erfarenhet av spårstudier dels i apatit från jorden, dels olivin från meteoriter, fortlöpte studien med att studera spår av kosmisk strålning i inneslutningar i kromitkorn från nutida meteoriter. Det visade sig att det fanns spår efter kosmisk strålning i en av dessa inneslutningar, vilket visar på att det skulle kunna gå att hitta spår även i inneslutningar i kromitkorn som varit på jorden under längre tid. Fyra sådana inneslutningar studerades (ca 470 millioner år gamla), men inga spår hittades. Det kan bero på ett flertal omständigheter. För det första kan det vara så att inneslutningarna var så små att ingen kosmisk strålningspartikel passerat just dem och gett upphov till spår. För det andra kan det ha varit problem med den metod som användes för att förstora spåren så att de gick att studera. En tredje möjlig förklaring är att inneslutningarna var i så dåligt skick att eventuella spår doldes av andra defekter och för det fjärde är det möjligt att spår funnits i inneslutningarna men läkt då meteoriten värmdes upp när den passerade genom atmosfären eller senare genom olika processer på jorden. Förmodligen är inte en av dessa omständigheter ensam förklaring till att inga spår hittades, en kombination av alla fyra är mest trolig. Slutsatsen i studien som helhet blir att inneslutningar av andra mineral i kromitkorn har potential att fungera som ett arkiv över kosmisk strålning över jordens historia men att flera faktorer måste samverka för att ett sådant arkiv ska bildas och bevaras.

• author: Riebe, My
• supervisor: Birger Schmitz; Carl Alwmark
• organization: Department of Geology
• alternative title: Spår efter kosmisk strålning i material från kondriter med fokus på inklusioner av silikatmineral i kromit
• course: GEOR02 20121
• year: 2012
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: extraterrestrial chromite, cosmic rays, cosmic ray tracks, ordinary chondrites, Ordovician, kosmisk strålning, spår efter kosmisk strålning, extraterrestrisk kromit, ordinära kondriter, ordovicium
• publication/series: Dissertations in Geology at Lund University
• report number: 297
• language: English
• id: 2338135
• date added to LUP: 2012-02-03 11:21:03
• date last changed: 2012-03-19 10:59:43