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编译服务: 纳米科技领域信息门户服务 编译者: 郭文姣 编译时间: May 15, 2019 点击量: 27

Mario Wannier是一位在研究微小海洋生物方面具有专业知识的职业地质学家,他有条不紊地对来自日本Motoujina半岛的沙滩样本中的颗粒进行分类,当时他发现了一些意想不到的东西:一些微小的玻璃球和其他不寻常的物体。

现已退休的Wannier一直在比较来自不同地区的沙滩上的生物残骸,以评估当地和区域海洋生态系统的健康状况。这项工作涉及在显微镜下检查样品中的每个砂粒,并用细刷将感兴趣的颗粒从沉淀物颗粒中分离到托盘中进行进一步研究。

砂粒中的一个惊喜:玻璃状颗粒

“我曾经看过数百个来自东南亚的海滩样本,我可以立即将矿物颗粒与动物或植物产生的颗粒区分开来,因此非常容易,”他说。在Wannier的同事Marc de Urreiztieta收集的Motoujina沙滩中,他发现了熟悉的有孔虫生物,这种生物被称为有孔虫,有多种形式。它们通常具有壳并位于海底沉积物中和周围。

“但是还有其他的东西......当你看样品时它是如此明显,”他说。 “你不能错过这些无关的颗粒。它们通常是空气动力学的,玻璃状的,圆形的 - 这些颗粒立刻让我想起了我在白垩纪 - 第三纪边界的沉积物样品中看到的一些小球(圆形)颗粒,”所谓的KT边界现在被称为白垩纪 - 古近纪(K-Pg)边界,标志着大约6600万年前的行星大规模灭绝事件,包括恐龙的死亡。

距离广岛市约4至7英里的沙滩上的这种奇怪的粒子浓度一直高度集中,使人怀疑它们可能与1945年8月6日早上毁灭广岛的原子弹爆炸有关。该炸弹立即造成70,000人或更多人丧生,造成相关辐射影响的最终死亡人数可能超过145,000人。炸弹和由此产生的火灾风暴大多使一个面积超过4平方英里的地区夷为平地,并摧毁或损坏了该市约90%的建筑物。

根据沙滩上发现的玻璃碎片的体积,Wannier和他的同事们估计,该地区一平方公里或大约0.4平方英里的沙滩沙子从其表面收集到大约4英寸的深度,将包含约2,200至3,100吨的颗粒。

发表在“人类世”杂志上的一篇详细描述材料分析的研究,对不寻常颗粒的许多可能来源进行了详尽的探索,并得出结论认为它们是来自被毁城市广岛的原子弹。

“到目前为止,这是有史以来最糟糕的人为事件,”万尼尔说。 “对于发现这些颗粒感到惊讶,对我来说最大的问题是:你有一座城市,一分钟之后你就没有城市了。有一个问题:'城市在哪里 - 材料在哪里?'发现这些颗粒是一个宝库。这是一个令人难以置信的故事。“

与伯克利实验室,加州大学伯克利分校联系进行详细分析

Wannier和de Urreiztieta希望了解更多有关样品的信息,因此他们联系了加州大学伯克利分校矿物学教授Rudy Wenk和伯克利实验室的长期合作伙伴 - Wannier和Wenk几十年前曾在瑞士巴塞尔大学学习地质学。

Wenk首先使用电子显微镜研究了广岛地区的样本。这使得能够详细探索它们的组成和结构。

他观察到样品的化学成分种类繁多,包括铝,硅和钙的浓度;富铬铁微观小球;和晶体结构的微观分支。其他人主要由碳和氧组成。

“其中一些看起来类似于我们对陨石撞击所产生的影响,但组成完全不同,”Wenk说。 “有不同寻常的形状。有一些纯铁和钢。其中一些有建筑材料的成分。”

为了收集有关样本的更多细节,Wenk求助于伯克利实验室,他和他的学生多年来在那里进行了许多电子显微镜和X射线实验。他将选定的样品送到伯克利实验室的高级光源(ALS)并在那里进行了一些测量。

Nobumichi“Nobu”Tamura是文氏曾与之合作过的ALS的科学家,当时的ALS同事Camelia Stan和Binbin Yue(Stan和Yue从此离开伯克利实验室)协助分析样本的规模。使用称为X射线微衍射的技术,小于1微米,或百万分之一米。

田村的父母都出生在日本,他说由于他的家庭血统,他个人有兴趣参与这项研究。 “我的父亲在爆炸事件发生时已经12岁了,住在广岛以北200英里处,所以他直接目睹了这些可怕事件的消息和结果,”田村说。

实验和相关分析确定颗粒在极端条件下形成,温度超过3,300华氏度(1,800摄氏度),研究人员发现了钙长石和莫来石晶体的组合。

田村指出,所研究颗粒的独特微观结构和存在的熔体碎片的绝对体积也为它们的形成提供了有力的证据。

“原子爆炸假说是他们起源的唯一合理解释,”他说。

研究详述研究人员的发现

许多球形颗粒和其他钻头可能在爆炸的上升火球周围形成高海拔。从地面吹扫的材料在冷却和冷凝之前在这个湍流环境中起泡并混合,然后下雨。

Wannier解释了可能在原子云中形成材料的过程:“地面材料被挥发并移动到云中,高温会改变物理条件,”Wannier说。 “粒子之间存在很多相互作用。有许多小球体碰撞,你会发生这种聚集。”

研究人员还发现,碎片颗粒的成分与轰炸时广岛常见的材料密切相关,如混凝土,大理石,不锈钢和橡胶。

其他研究分析了来自新墨西哥州Trinity试验场的熔体碎片 - 首次发生核爆炸 - 以及内华达州的地下核试验场。但这些样品的成分明显不同,与当地的地质环境有关。

Trinity碎片被称为三硝酸盐,最新研究中的研究人员将他们研究的熔体颗粒称为广岛岩,以突出其广泛的原子弹爆炸中的独特特征和可能来源。

“Hiroshimaite颗粒比三角形物更加复杂和多样化,”田村说,因为它们可能起源于广岛的市中心。

虽然国际上一致努力援助遭受辐射影响的幸存者,测量辐射水平,并评估1945年广岛和长崎原子弹爆炸造成的整体损害,但该研究指出,与这些爆炸事件有关的熔化碎片有显然以前没有研究过。

最新的研究鼓励进行额外的测试,以确定是否有任何样品带有放射性元素,并在广岛和长崎地区进行进一步的研究。

后续研究计划

Wannier说,他已收到广岛的地面零土壤样本,可能会从那里更深的地下寻找碎片样本,并且他还收到了一个土壤样本,其中含有玻璃状碎片,来自广岛原子弹爆炸所在地西北约19英里的河床 - - 历史记录显示该区域位于原子云的路径上。

他说,他也希望探讨熔体碎片是否与火山爆发相关的材料有相似之处。

Tamura和Wenk指出,这项初步研究只关注少量的熔体碎片颗粒,并且可能值得进行更大规模的研究,以了解产生碎片的极端条件,并可能揭示更多独特的化学或矿物学。

Wenk补充说:“看看所有这些材料是非常有意思的。我们希望让其他人有兴趣更详细地研究这个,以及寻找长崎原子弹场地周围的例子。”

Wenk将最新研究的副本发送给广岛大学理学研究科地球与行星系统科学系教授Jun-Ichi Ando - 他们在Wenk担任广岛大学客座教授时遇到了在1998年。

“我认为这种研究对于广岛大学来说是非常重要的,作为一个位于原子弹爆炸现场的大学,”安藤说,并指出他与一位矿物学家的同事分享这项研究并研究尤卡坦地区的陨石撞击。他还与该大学的研究员Rebun Kayo分享了这一点,该组织领导了一个外展小组,通过与世界各地的机构分享炸弹伤痕累累的广岛屋顶瓦和砖块来提高对核武器的认识。

在一项不相干的努力中,安藤研究了与广岛原子弹爆炸圆顶结构有关的大块花岗岩 - 它是唯一一座仍然站在零地附近的建筑。 Kayo于2017年在圆顶建筑附近的当地河床上发现并回收了这块花岗岩。它也被称为Genbaku Dome或广岛和平纪念馆。

“我试图利用电子显微镜找到熔化和冲击波记录在花岗岩柱表面的证据”,Ando说 - 他自己的研究通常关注地震断层中岩石的微观结构。

万尼尔说,碎片研究对他来说是一次启蒙之旅,他希望继续这项研究。 “70多年来,这种材料一直存在,而且从未详细研究过。我们希望这引起科学界的关注,”他说。

“我们希望人们利用这个机会。”

——文章发布于2019年5月13日

1980年,在劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校工作的诺贝尔奖获得者Luis Alvarez和他的儿子,地质学家Walter Alvarez提出了一个基于K-中高浓度铱的理论的理论。 Pg边界,一个巨大的陨石撞击造成了这次大规模的死亡。再加上最近的证据,科学家现在认为这种影响发生在尤卡坦半岛地区。在陨石撞击中,液化的地面材料被喷射到大气中,形成落回地面的玻璃状材料液滴。

Wannier检查的一些玻璃球似乎与其他球体融合在一起,而其他球体则表现出taillike特征。虽然一些玻璃状颗粒类似于与陨石撞击有关的颗粒,但万尼尔发现的其他颗粒并不那么熟悉 - 其中包括具有橡胶状成分的颗粒和颗粒,其中各种材料涂有一层或多层玻璃或二氧化硅。许多颗粒的尺寸约为0.5毫米至1毫米。

万尼尔当时不知道他遇到的这种玻璃状颗粒动物将导致长达数年的研究工作,这将涉及伯克利实验室和加州大学伯克利分校的科学家和实验。这项努力最终将揭示所研究颗粒的多样性和独特性,包括不寻常的化学和矿物混合物;它们形成的异国情调的高温高压环境;以及在进一步探索中发现新发现的潜力。

浓度,材料体积指向炸弹爆炸

在2015年初步发现之后,Wannier前往日本,从广岛市附近的同一地区收集更多的沙滩样本。

在所有这些样品中,每千克(2.2磅)沙子中有12.6至23.3克这些球状体和其他不寻常的颗粒。这种奇怪的玻璃状颗粒占所检查的所有颗粒的0.6%至2.5%。 Wannier从沙子中采集了大约10,000颗这些颗粒,并根据它们的物理特性将它们分成六个不同的组。

 

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