元陽鐵隕石的礦物巖石學和微量元素地球化學研究?

王海洋 徐偉彪

(1中國科學院紫金山天文臺 南京 210008) (2中國科學院行星科學重點實驗室 南京 210008) (3中國科學院大學 北京 100049) (4澳門科技大學太空科學研究所 澳門 000853)

元陽鐵隕石的礦物巖石學和微量元素地球化學研究?

王海洋1,2,3?徐偉彪1,2,4?

(1中國科學院紫金山天文臺 南京 210008) (2中國科學院行星科學重點實驗室 南京 210008) (3中國科學院大學 北京 100049) (4澳門科技大學太空科學研究所 澳門 000853)

元陽鐵隕石是2010年在云南省元陽縣山區(qū)發(fā)現(xiàn)的,其內(nèi)部的主要礦物為鐵紋石和鎳紋石,鐵紋石的含量很高(約占80%),鎳紋石的含量較低.鐵紋石中Ni含量為4.88–6.21 w t%,鎳紋石中Ni含量為26.13–50.27 w t%.副礦物有隕磷鐵鎳石、閃鋅礦和氮鉻礦.隕磷鐵鎳石存在大、小兩種顆粒,具有顆粒越大Ni含量越低的特點.元陽鐵隕石中沒有發(fā)現(xiàn)硅酸鹽包體.由于經(jīng)受了地表風化蝕變作用,樣品邊緣以及鐵紋石裂隙間都發(fā)生了氧化.元陽鐵隕石中鐵紋石的條帶寬度較粗,屬于粗粒八面體結(jié)構(gòu).中子活化分析結(jié)果顯示:元陽鐵隕石的Ni(7wt%)和Au(1.565 ppm)的含量都相對較低,和IAB-MG(IAB-Main group)群的鐵隕石在化學成分上具有相似性,屬于IAB-MG群.相對于其他IAB-MG群鐵隕石,元陽鐵隕石的Ir(1.00 ppm)含量偏低,這可能是由于其母體中富含Ir的礦相在沖擊作用下并沒有完全熔融.

天體化學,方法:實驗室,方法:數(shù)據(jù)分析,儀器:電子探針

1 引言

鐵隕石主要由鐵紋石、鎳紋石組成,含少量的硫化物、磷化物和碳化物,少數(shù)鐵隕石中還包含有硅酸鹽包體.前人根據(jù)鐵隕石中的鐵紋石條帶的寬度,將鐵隕石分為六面體、八面體和富鎳無結(jié)構(gòu)3大類[1],其中八面體鐵隕石又可以細分為極粗粒、粗粒、中粒、細粒、極細粒、過渡體6個亞類(表1).結(jié)構(gòu)分類法是一種單參數(shù)的分類方法,依照這種方法分類并不能很好地體現(xiàn)出同類鐵隕石的相關(guān)性(如礦物組成、化學成分、成因等).比如:鐵紋石條帶寬度相似的鐵隕石有時其化學成分相差很大,因此它們可能有不同的成因和母體來源.并且鐵隕石中元素的固態(tài)擴散作用要強于石隕石,在沖擊、重新加熱等作用下很容易改變鐵隕石原本的結(jié)構(gòu).實際上,鐵紋石條帶寬度是由鐵隕石中Ni的含量和冷卻速率這兩個因素決定的.鐵紋石條帶寬度不能很好地反映鐵隕石的成因機制和不同群之間的關(guān)聯(lián)趨勢,不同鐵隕石群的鐵隕石可以有相同的帶寬.

表1 鐵隕石的結(jié)構(gòu)分類Table 1 The stru ctu ral classification o f iron m eteorites

較好的分類方法是化學分類法,將鐵隕石所含的主要元素Ni和微量元素Ga、Ge、Ir等的含量作為主要分類依據(jù),通過做對數(shù)圖的方法找出相關(guān)性.鐵隕石可分為14個化學群,分別是IAB、IC、IIAB、IIC、IID、IIE、IIF、IIG、IIIAB、IIIE、IIIF、IVA、IVB和ungrouped[1].其中除了IAB和IIE是非巖漿成因以外,剩下的為巖漿成因,是小行星母體內(nèi)大規(guī)模熔融分異形成的產(chǎn)物.本工作在礦物巖石學的基礎上應用化學分類法對元陽鐵隕石進行分類,并討論其微量元素地球化學特征以及可能的成因機制.

2 樣品及實驗分析

元陽鐵隕石是2010年由一個農(nóng)民在云南省元陽縣山區(qū)發(fā)現(xiàn)的.元陽鐵隕石重約140 kg(圖1),呈棱錐形,可以看見部分氣印,表面有明顯的銹蝕.

制樣與分析工作在紫金山天文臺天體化學和行星科學實驗室完成.先將元陽鐵隕石切割、研磨并拋光后,制備了3個光片.用光學顯微鏡對樣品進行內(nèi)部巖石結(jié)構(gòu)的觀察,然后將樣品鍍上碳膜,并用配有Oxford INCA能譜儀的Hitachi S-3400N II型電子顯微鏡對樣品進行分析(工作電壓為15 kV).利用電子顯微鏡觀察元陽鐵隕石中鐵紋石、鎳紋石等礦物的背反射電子圖像,并通過能譜儀測礦物的成分.最后用日本電子JXA-8230電子探針(EPMA)對樣品的礦物成分進行定量分析,所用電壓和電流分別為20 kV和20 nA,各礦物皆采用點分析.標準樣品為美國國家標準局天然及合成的金屬和化合物,其中Cu、Co、Fe、Ni、Cr使用對應的金屬單質(zhì)作為標樣,S使用黃鐵礦,P使用InP作為標準樣品.所有數(shù)據(jù)均用ZAF(atom ic number absorption fluorescence)方法進行校正.

元陽鐵隕石的中子活化分析是在加利福尼亞大學的實驗室完成的.為了減少幾何效應對計數(shù)的影響,實驗中將樣品的厚度切割為(3.0±0.2)mm,并制成一式兩份.將樣品放入反應堆中照射,所用中子流強度為1.8×1012cm?2·s?1,照射時間約為3 h.取出后間隔6 h、15 h、80 h和600 h分4次對樣品測量計數(shù).通過與已知全巖化學成分的隕石如North Chile、Odessa以及Canyon Diablo鐵隕石標樣進行對比,分析出本樣品全巖的化學成分.實驗方法和條件詳見Wasson等[2].

圖1 元陽鐵隕石,重約140 kgFig.1 The Yuanyang,w eighted abou t 140 kg

3 元陽鐵隕石的礦物巖石學特征

元陽鐵隕石樣品后期蝕變較為嚴重,樣品裂隙、邊緣都出現(xiàn)不同程度的氧化(圖2(a),2(b)).用電子探針測試了3個光片中各種礦物的化學成分,其中有兩個光片得到了比較準確的結(jié)果(表2),有一個光片可能由于氧化程度過高而沒有得到準確的數(shù)據(jù),表2中給出了各個礦物中各元素含量的平均值和大致范圍.元陽鐵隕石中鐵紋石的條帶寬度較粗,具有粗粒八面體結(jié)構(gòu),主要礦物為鐵紋石和鎳紋石,副礦物有隕磷鐵鎳石、閃鋅礦、氮鉻礦,未發(fā)現(xiàn)隕硫鐵、石墨以及硅酸鹽包體.樣品中的礦物大多為鐵紋石,約占80%,其他礦物零星分布在鐵紋石里.相同礦物由于形態(tài)、大小和產(chǎn)出位置不同,其元素含量也不同(表3–5).樣品中鐵紋石中Ni為4.88–6.21 w t%,隕磷鐵鎳石邊界上的鐵紋石的Ni含量相對較低,針狀合紋石(鐵紋石和鎳紋石的聚合體)與隕磷鐵鎳石邊界中鐵紋石Fe含量都比較高.有些區(qū)域(特別是樣品邊緣)由于經(jīng)受了地表風化蝕變作用,樣品邊緣以及鐵紋石裂隙間都存在一定程度的氧化,使得鐵紋石中Ni含量只有1.01 w t%(圖2(c)).鎳紋石主要是在合紋石中以條帶形式出現(xiàn).鎳紋石中Ni含量為26.13–50.27 w t%.合紋石主要有網(wǎng)狀合紋石、針狀合紋石、退化的梳狀合紋石以及類似聚片雙晶狀合紋石(圖2(d)、2(e)、2(f)、2(g)).聚片狀合紋石和網(wǎng)狀合紋石中鎳紋石的Ni含量較高(表4).通過測量條帶狀鎳紋石中心Ni含量和其條帶寬度,發(fā)現(xiàn)兩者呈負相關(guān),寬度越寬,中心Ni含量越低(表5).隕磷鐵鎳石的P含量約為14.54 w t%,在樣品中分布廣泛,多以小顆粒(8–20μm)的形式存在,大多具有完整的晶形,存在裂理(圖3(b)).較大的隕磷鐵鎳石(達到600μm)一般出現(xiàn)在鐵紋石裂隙中或分布于鎳紋石附近,此類隕磷鐵鎳石呈不規(guī)則狀,常有不規(guī)則裂隙(圖3(a)).隕磷鐵鎳石的顆粒越大,Ni含量越低,顆粒小、晶形較好的隕磷鐵鎳石Ni含量比顆粒大、多裂理的隕磷鐵鎳石高,詳見表6.閃鋅礦在樣品中較少見,共找到了6顆晶體,其中5顆都比較小,最大不超過8μm,但有1顆達到了400μm(圖3(c)、3(d)).閃鋅礦不含Ni,小顆粒的閃鋅礦(8μm)中Fe含量也較低,為5.40 w t%.在樣品中還找到了1顆氮鉻礦(CrN),大小約為3μm(圖3(d)).

表2 元陽鐵隕石礦物化學成分(單位:w t%)Tab le 2 The m inera l chem istry o f Yuanyang(U n it:w t%)

圖2 (a)鐵紋石(K am)及其蝕變相,黑色條帶為部分氧化的鐵紋石;(b)鎳紋石及其蝕變相,深色部分為被氧化的鎳紋石(Tae*),淺白色為鎳紋石(Tae);(c)低N i鐵紋石(K am#),顏色明顯比普通鐵紋石(K am)深,在樣品中呈大片出現(xiàn),附近有鎳紋石(Tae)和隕磷鐵鎳石(Sch);(d)針狀合紋石;(e)“交替狀”合紋石,鐵紋石(K am)、鎳紋石(Tae)交替相生; (f)退化的梳狀合紋石;(g)網(wǎng)狀合紋石;(h)隕磷鐵鎳石(Sch)生長在鎳紋石條帶(Tae)的裂縫中Fig.2(a)K am acite(K am)and corroded kam acite phase,several irregu lar stripes in dark color are corroded kam acite phase;(b)Taen ite and corroded taen ite phase，the darker one is corroded taen ite phase(Tae*)，and the lighter one is taen ite(Tae);(c)K am acite w ith low N i(K am#),in dark co lor. Taen ite and Sch reibersite(Sch)are ad jacen t to it;(d)A cicu lar p lessite;(e)A lternative p lessite,kam acite, and taenite are characterized by an alternative pattern;(f)Degenerated com b p lessite;(g)Net p lessite; (h)Fine sch reibersites in cracks o f taen ite band

圖3 (a)生長在鎳紋石(Tae)附近的隕磷鐵鎳石(Sch),顆粒較大,裂理明顯,形態(tài)不規(guī)則;(b)出現(xiàn)在鐵紋石(K am)中的隕磷鐵鎳石(Sch),顆粒較小,形態(tài)規(guī)則;(c)尺寸為400μm的閃鋅礦(Sp),樣品中其他閃鋅礦顆粒都比較小,一般小于8 μm;(d)生長在鐵紋石(K am)、隕磷鐵鎳石邊界(Sch)的氮鉻礦(Car)和閃鋅礦(Sp)Fig.3(a)Sch reibersite(Sch)ad jacen t to taenite(Tae)has a large size and irregu lar shape;(b)Sm a ll sch reibersite grain in kam acite w ith a regu lar shap e;(c)One large spha lerite(Sp)has a size of 400μm. O ther sphalerites in the sam p le are sm all than 8μm;(d)Carlsbergite(Car)and sphalerite p recip itate at the bound ry betw een kam acite and sch reibersite

表3 不同產(chǎn)狀鐵紋石的化學成分(單位:w t%)Tab le 3 The chem ica l com p ositions o f kam acite in d ifferen t occu rrences(U n it:w t%)

4 元陽鐵隕石的微量元素地球化學特征

加利福利亞大學Wasson教授等人曾對鐵隕石做了大量微量元素的研究工作,利用中子活化分析法測試了近500多塊不同鐵隕石的Ni、Ga、Ge等元素的含量,確定了鐵隕石各個群的微量元素分布范圍[1].由中子活化分析得到的元陽鐵隕石的微量元素含量列于表7,元陽鐵隕石的Ni(7 w t%)和Au(1.565 ppm)的含量都相對較低,屬于IAB化學群.

Wasson等[3]利用中子活化分析法測試了包括Fe在內(nèi)的13種元素的含量,重新定義了IAB群鐵隕石,將IAB群細分為了1個主群(MG)、5個亞群(sLL、sLM、sLH、sHL、sHH)以及1組未分類群(表8).將原來的IA群定義為IAB主群(IAB-MG),以前的IIID群被劃入了sLH群(低Au高Ni亞群),而IIIC群被分入了sLM群(低Au中Ni亞群).他們利用親鐵元素-Au對數(shù)圖來確定IAB群主群和各個亞群的范圍(圖4).之所以用親鐵元素-Au對數(shù)圖而非傳統(tǒng)的親鐵元素-Ni對數(shù)圖,是因為相對于Ni,Au的含量變化范圍更廣而且分析誤差更小.IAB中大約有70%的鐵隕石屬于主群IAB-MG[3],在親鐵元素-Au對數(shù)圖上,低Au低Ni亞群(sLL)、低Au中Ni亞群(sLM)和低Au高Ni亞群(sLH)分布有連續(xù)性.低Au低Ni亞群與IAB-MG關(guān)系密切,與IAB-MG群中高Au區(qū)有很多重疊的地方.相對于低Au亞群來說,高Au低Ni亞群(sHL)和高Au高Ni亞群(sHH)有更加復雜的化學和結(jié)構(gòu)特征.將元陽鐵隕石的微量元素含量分別投影到Ni-Au、Co-Au、As-Au、Ga-Au對數(shù)圖上并與其他IAB隕石相比較(圖4),發(fā)現(xiàn)元陽鐵隕石屬于IAB-MG群.通過Au-Ni對數(shù)圖可以看出,相對于IAB中的其他群,元陽鐵隕石所在的IAB主群Ni和Au含量更低,其變化趨勢也明顯比其他群平緩.

表4 不同產(chǎn)狀鎳紋石的化學成分(單位:w t%)Tab le 4 The chem ica l com p osition s o f taen ite in d ifferen t o ccu rren ces(U n it:w t%)

表5 條帶狀鎳紋石中心Ni含量與帶寬的關(guān)系Tab le 5 The relation betw een cen tral Nicon cen tration and taen ite ban dw id th

表6 不同產(chǎn)狀隕磷鐵鎳石的化學成分(單位:w t%)Tab le 6 The chem ica l com positions o f sch reibersite in d ifferen t occu r ren ces (U n it:w t%)

表7 元陽鐵隕石的微量元素成分Tab le 7 The trace elem en t con cen trations o f Yuanyang

表8 IAB-MG及5個亞群元素分類特征[3]Tab le 8 The com p ositional p rop erties o f IAB-M G and five subg rou p s[3]

根據(jù)Wasson等的數(shù)據(jù)[3],選出了IAB主群(IAB-MG)中的隕石,重新作了親鐵元素-Au對數(shù)圖(圖5),元陽鐵隕石的微量元素含量很好地分布在IAB主群的范圍內(nèi).Co、Ni、As與Au呈正相關(guān),而Ga、W、Pt與Au呈負相關(guān),Ir與Au有不明顯的負相關(guān).硅酸鹽包體是IAB-MG群鐵隕石的一大特征,但大部分IAB-MG群的鐵隕石中并沒有發(fā)現(xiàn)硅酸鹽包體,元陽鐵隕石就是一例.在親鐵元素-Au對數(shù)圖中含有硅酸鹽包體和不含硅酸鹽包體的IAB-MG鐵隕石的趨勢非常相近(圖5),因此鐵隕石樣品所在位置上的差異可能是造成鐵隕石中硅酸鹽包體存在與否的原因.元陽鐵隕石的Co、Ni、Ga、As的含量都基本處于對數(shù)圖上的中間位置,而Ir、W的含量偏低.元陽鐵隕石是低Ir鐵隕石(圖5),可能是母體中富含Ir的礦相在沖擊作用下并沒有完全熔融[4].

IAB群鐵隕石不僅有非常低的冷卻速率(2 K·M y?1)[1],而且在礦物組合、化學成分、氧同位素組成等方面與W inonaites有密切關(guān)系.IAB群鐵隕石和W inonaites中包含的硅酸鹽包體的礦物組合、化學成分以及氧同位素組成都與球粒隕石很相似[5],它們極有可能來自同一母體.IAB鐵隕石的成因主要有下面3種模型:(1)Kelly和Larimer[6]認為IAB并沒有經(jīng)歷大規(guī)模結(jié)晶分異作用,而是在低度熔融后快速冷卻.他們的推測和實驗觀察有很多不相符的地方.首先由于S在金屬中的溶解度很低(＜0.1),在低度熔融過程中S幾乎不可能與Fe發(fā)生共融,但事實上IAB中的硫化物,比如:FeS,很常見.其次,模型中Ni含量的分布范圍也比實際觀察到的平均Ni含量要高2–4倍[7].(2)K racher的模型認為IAB是通過富S核或多個大規(guī)模熔池結(jié)晶分異而成[8?9].K racher的模型能夠很好地解釋IAB的分異趨勢,不足之處是對IAB鐵隕石中富Ni鐵隕石數(shù)量的預測存在很大的偏差,所預測數(shù)量遠超過觀察到的數(shù)量,而且模型中所需要的高溫(1370 K)與IAB鐵隕石中球粒質(zhì)硅酸鹽包體中包含的行星稀有氣體和129Xe的現(xiàn)象相矛盾. (3)Wasson[7]和Choi等[10]主張沖擊成因,小行星母體在沖擊作用下形成局部熔池,母體中一部分礦物選擇性熔融后又經(jīng)歷結(jié)晶分異.

因為沖擊作用產(chǎn)生的溫度不太高(1190–1350 K[7])而且時間短,能較完整地保留硅酸鹽包體和一些行星稀有氣體.相比之下IAB鐵隕石的沖擊成因能夠更好地解釋IAB鐵隕石中保留的硅酸鹽包體、硫化物和一些行星稀有氣體的存在.作者認為沖擊成因模式較為合理,能較好地解釋IAB鐵隕石的礦物巖石學特征和親鐵元素的分布規(guī)律,因本文所研究的對象僅局限于元陽鐵隕石,深入的分析對比工作非常有限,將在今后的工作中不斷完善和改進.

圖4 元陽鐵隕石與IAB群鐵隕石在N i、Co、A s、Ga-Au對數(shù)圖上的關(guān)系Fig.4 The relation betw een Yuanyang and other IAB irons in the elem ent-Au logarithm ic diagram s

5 結(jié)論

元陽鐵隕石的組成礦物有鐵紋石、鎳紋石、隕磷鐵鎳石、閃鋅礦和氮鉻礦.元陽鐵隕石蝕變較為嚴重,在樣品邊緣和鐵紋石裂隙間都存在一定程度的氧化,主要以鐵的氧化物出現(xiàn).元陽鐵隕石中鐵紋石含量約占80%,鎳紋石主要出現(xiàn)在合紋石中,有網(wǎng)狀合紋石、針狀合紋石以及退化的梳狀合紋石等多種合紋石.隕磷鐵鎳石以大、小兩種顆粒形式存在,且具有顆粒越大則Ni含量越低的特點.元陽鐵隕石中鐵紋石的條帶寬度較粗,屬于粗粒八面體結(jié)構(gòu),Ni、Au含量較低,屬于IAB-MG群.元陽鐵隕石可能是其小行星母體在沖擊作用下發(fā)生了局部熔融后分異結(jié)晶的產(chǎn)物,其Ir含量相對于其他IAB-MG鐵隕石偏低,可能是母體中富含Ir的礦相在沖擊作用下并沒有完全熔融.

圖5 元陽鐵隕石與IAB-M G在元素-A u對數(shù)圖上的關(guān)系Fig.5 The relation betw een Yuanyang and other IAB-M G irons in the elem en t-Au logarithm ic d iagram s

致謝感謝加利福尼亞大學洛杉磯分校的Wasson J T教授幫助完成了中子活化分析工作,感謝王英副研究員、李少林、吳蘊華在掃描電鏡和電子探針實驗中給予的幫助,感謝談建云在制樣的過程中提供的支持.

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[10]Choi B G,O uyang X,W asson J T.GeCoA,1995,59:593

Petrology,M ineralogy,and Trace E lem en t Geochem istry of Yuanyang

WANG Hai-yang1,2,3HSUWei-biao1,2,4

(1 Pu rp le M oun tain O bserva to ry,Chinese A cadem y o f Scien ces,Nan jing 210008) (2 K ey Labo rato ry o f P laneta ry Scien ces,Pu rp le M oun tain O bserva to ry,Chinese A cadem y o f Scien ces,Nan jing 210008) (3 Un iversity o f Chinese A cadem y o f Scien ces,Beijing 100049) (4 Institu te o f Space Scien ces,M acau Un iversity o f Scien ce and Techno logy,M acau 000853)

Yuanyang was found in Yunnan in 2010.Yuanyang has a rusted surface, and there are also some corroded materials inside.The major phases in Yuanyang are kamacite(Ni 4.88–6.21 w t%)and taenite(Ni 26.13–50.27 w t%).Them inor ones are schreibersite,sphalerite,and carlsbergite.Yuanyang is a coarse octahedrite w ith a high content of kamacite(80 vol%).No silicate inclusions are found in Yuanyang. The instrumental neutron activation analysis(INAA)of Yuanyang reveals that it is a low-Ni(7 w t%)and low-Au(1.565 ppm)iron.Yuanyang is an IAB-MG iron.The Ir content(1.00 ppm)of Yuanyang is relatively low compared to other IAB-MG irons. This is probably due to the partialmelting of Ir-rich phase in its parent body during an impact event.

astrochem istry,methods:laboratory,methods:data analysis,instrumentalion:electro-probem icroanalyzer

P148;

A

10.15940/j.cnki.0001-5245.2016.05.001

2016-02-24收到原稿,2016-03-26收到修改稿

?國家自然科學基金項目(41273079,41573059)和紫金山天文臺小行星基金會資助

?wanghy@pmo.ac.cn

?wbxu@pm o.ac.cn