曼桂隕石熔殼和球粒特征研究

仝記

（桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林541004）

1 概述

2018 年6 月1 日晚上9 點(diǎn)40 分左右一道亮光劃破天空，有居民聽(tīng)到天空傳來(lái)轟轟聲，隨著幾聲巨響亮光消失。后經(jīng)科學(xué)家確認(rèn)發(fā)生了隕石墜落事件，降落地在我國(guó)云南省西雙版納傣族自治州勐海縣境內(nèi)，后被國(guó)際隕石命名委員會(huì)命名為曼桂隕石。曼桂隕石由南向北進(jìn)入地球大氣層，有很多目擊者和視頻記錄到墜落過(guò)程。通過(guò)隕石回收地點(diǎn)的范圍確定散落在長(zhǎng)12公里、寬2 公里的區(qū)域內(nèi)。本次隕石降落在人口密集區(qū)，雖然擊穿了多處居民的房屋，但并未造成人畜受傷，因降落地相對(duì)尋找方便，為后續(xù)隕石收集提供了便利。本次隕石墜落一共收集到1000 多個(gè)個(gè)體，總重50 公斤左右，其中最大的一塊重1228g[1]（圖1）。

本文將著重研究曼桂隕石的熔殼和球粒特征，利用新降落隕石熔殼受地球環(huán)境影響較小的優(yōu)勢(shì)，對(duì)熔殼特征進(jìn)行研究，更準(zhǔn)確的掌握隕石熔殼形成信息。隕石的形成是太陽(yáng)星云演化的結(jié)果，地球因?yàn)榻?jīng)歷過(guò)廣泛的巖漿熔融分異，把自身形成時(shí)的早期信息都已抹去，而隕石中的球粒沒(méi)有經(jīng)歷巖漿熔融就已經(jīng)快速冷卻，因此保留了星云凝聚的原始信息，這些信息對(duì)研究太陽(yáng)系形成過(guò)程、地球的起源等重大科學(xué)問(wèn)題，具有重要意義[3]。

本次降落隕石屬于普通球粒隕石，普通球粒隕石中的球粒是隕石重要組成部分，研究不同化學(xué)群和不同巖石類型的隕石對(duì)豐富太陽(yáng)系的形成演化史有重要作用。

2 隕石樣品與實(shí)驗(yàn)方法

為收集到的較大的兩塊個(gè)體

本次樣品購(gòu)自當(dāng)?shù)鼐用袷种?，熔殼完整呈亮黑色，隕石表面有凹坑，有微熔流流動(dòng)痕跡，表明樣品被剝離母體后發(fā)生了繼續(xù)燃燒。獲得樣品后在桂林理工大學(xué)天體化學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用金剛石線切割機(jī)切片，取樣位置位于隕石的中部，樣品使用AB 膠黏合，經(jīng)過(guò)：粗磨→細(xì)磨→拋光最后制作成光薄片和光片各一個(gè)。礦物化學(xué)分析使用桂林理工大學(xué)JXA-8230 型電子探針完成，工作電壓15KV，加速電流20Aa,電子束斑5μm。首先對(duì)隕石進(jìn)行了化學(xué)群分類，對(duì)隕石內(nèi)的主要組分進(jìn)行了巖石學(xué)礦物學(xué)研究。

表1 曼桂隕石內(nèi)部和次生熔殼的橄欖石電子探針數(shù)據(jù)

表2 曼桂隕石內(nèi)部和次生熔殼的輝石電子探針數(shù)據(jù)

其次結(jié)合隕石內(nèi)的特點(diǎn)對(duì)特殊現(xiàn)象進(jìn)行了研究，為了研究降落過(guò)程的升溫對(duì)隕石內(nèi)主要礦物的影響，分別選取樣片中間部位和熔殼內(nèi)的橄欖石輝石進(jìn)行能譜和波譜分析。對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)特征和重結(jié)晶程度使用顯微鏡進(jìn)行了研究，使用掃描電鏡對(duì)熔殼和球粒內(nèi)的微區(qū)進(jìn)行了觀察。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 曼桂隕石化學(xué)群劃分

通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察曼桂隕石具有明顯的普通球粒特征。其主要由橄欖石、輝石、長(zhǎng)石、鐵紋石和鎳紋石、隕硫鐵、磷灰石等礦物組成。橄欖石的Fa=24.34，輝石Fs=20.49，Wo=1.43，橄欖石和輝石的成分都十分均一，PMD 都小于5，根據(jù)隕石Fa、Fs 分類標(biāo)準(zhǔn)確定曼桂隕石化學(xué)群為普通球粒隕石L 型[4]。根據(jù)Fa、Fs 確定曼桂隕石化學(xué)群為普通球粒隕石L 型。隕石的巖石類型根據(jù)隕石中的球粒輪廓大部分較為模糊、基質(zhì)重結(jié)晶程度較高幾乎都已發(fā)生重結(jié)晶、長(zhǎng)石的結(jié)晶顆粒粗大（≤0.25mm）自形程度高等巖石學(xué)特征和橄欖石、輝石化學(xué)成分的離散程度，確定曼桂隕石巖石類型為6 型。

3.2 曼桂隕石熔殼特征

樣品熔殼保存完整，呈亮黑色，表面有熔融物流動(dòng)痕跡。光薄片在顯微鏡下觀察：在正交光和單偏光鏡下都不透明，熔殼呈一條黑色條帶分布在隕石的周圍，與隕石接觸部位呈暗褐色，樣品熔殼厚度并不均勻，平均厚約0.25 毫米；在反光鏡下可以看到條帶主要由兩部分組成，一是最外側(cè)包含氣泡的完全熔融層，二是靠近隕石一側(cè)的過(guò)渡層。

（1）外層。外層是隕石受熱溫度最高的地方，也是隕石溫度變化最劇烈現(xiàn)象最極端的部位。因?yàn)楹涂諝獾母咚倌Σ?，外層基本是完全熔融的玻璃質(zhì)物質(zhì)，局部在玻璃質(zhì)中包裹著未完全熔融的礦物殘塊。呈熔融狀的隕石物質(zhì)在氣流的作用下飛離隕石。在反光鏡下可見(jiàn)有氣泡混入，氣泡大小不一，形態(tài)并不規(guī)則，熔殼外層在厚度上差別較大，在局部觀察到厚度呈逐漸變化趨勢(shì)，熔殼內(nèi)的氣泡多分布在熔融和未熔融的邊界，這充分說(shuō)明了較厚熔殼是熔融物異區(qū)堆積形成的，表明隕石熔融物在這一層發(fā)生了流動(dòng)堆積現(xiàn)象。在局部熔殼較厚的部位熔殼可分為三層結(jié)構(gòu)（圖3）熔殼外層可分為兩部分：一部分是熔融未結(jié)晶玻璃質(zhì)層，另一部分是含金屬較高的似堆晶狀集合體層。在未完全熔融的礦物在高倍掃描電鏡下可以觀察到碎塊的周圍玻璃質(zhì)重結(jié)晶現(xiàn)象，未熔融礦物內(nèi)部因高溫熔離成密集的團(tuán)塊狀個(gè)體，分布在殘余礦物內(nèi)；有些殘余礦物形成熔離環(huán)帶周圍被骸晶包圍（圖6b）。在靠近內(nèi)層的邊界處，局部觀察到重結(jié)晶礦物骸晶平行排列，結(jié)晶方向一致（圖6c）。局部觀察到從礦物熔離碎片——完全熔融物——玻璃質(zhì)重結(jié)晶的分層結(jié)構(gòu)，清晰的展現(xiàn)了不同隕石礦物熔融過(guò)程（圖6）。

圖3 不同部位熔殼的背散射圖片

圖4 不同類型球粒的背散射圖片

（2）內(nèi)層。內(nèi)層熔殼是隕石表層高溫向內(nèi)傳導(dǎo)，導(dǎo)致隕石礦物發(fā)生物理化學(xué)變化形成，溫度較外層大幅下降，但礦物薄片在顯微鏡的正交光和單偏光下都為暗黑色無(wú)法區(qū)分結(jié)構(gòu)，但該層保存完整厚度較勻。在反光鏡和背散射電子圖像下可以區(qū)分不同礦物結(jié)構(gòu)，該層硅酸鹽礦物受高溫影響在成分上發(fā)生變化，礦物晶格遭到破壞導(dǎo)致顯微鏡下為不透明。不同礦物受影響程度不同，熔點(diǎn)越低的礦物受影響越大。層內(nèi)的隕硫鐵顆粒變圓,和長(zhǎng)石共生密切，呈脈狀分布的隕硫鐵細(xì)脈沿礦物破裂面產(chǎn)生，觀察到多處近似平行、垂直、互為120°等夾角的細(xì)脈組合呈勾連狀分布，局部有細(xì)脈在熔殼內(nèi)的金屬顆粒附近富集現(xiàn)象，且圍繞著長(zhǎng)石顆粒呈放射狀或包裹狀分布，但很少有細(xì)脈切穿長(zhǎng)石的現(xiàn)象產(chǎn)生。在內(nèi)外層的交界處產(chǎn)生近似于垂直裂隙向內(nèi)層延伸，并逐漸尖滅，裂隙被熔融的玻璃質(zhì)填充。局部觀察到熔融物沿裂隙被外層抽蝕的現(xiàn)象，抽蝕通道有熔融物質(zhì)已發(fā)生重結(jié)晶現(xiàn)象。

3.3 曼桂隕石的球粒特征

曼桂隕石作為普通球粒隕石，球粒是它的重要組成部分，球粒重結(jié)晶程度是隕石巖石類型判斷的主要依據(jù)[2]，因?yàn)榻?jīng)歷了后期熱變質(zhì)事件，所以薄片中觀察到的都是殘余球粒，球粒重結(jié)晶現(xiàn)象明顯，大部分球粒邊界辨識(shí)度較低，從礦物結(jié)晶形態(tài)和分布規(guī)律可以把球粒與周圍重結(jié)晶的基質(zhì)礦物區(qū)分，球粒主要由爐條狀球粒、斑狀球粒、放射狀球粒等不同類型球粒。爐條狀球粒在重結(jié)晶后還保留著長(zhǎng)條狀的礦物結(jié)構(gòu)組合，主要由橄欖石、輝石、長(zhǎng)石等礦物組成，在長(zhǎng)石顆粒中大部分發(fā)育有次生礦物集合體。斑狀球粒主要由大顆粒的橄欖石、輝石組成，礦物晶體較大，大都較為破碎，常常和基質(zhì)物質(zhì)一起重結(jié)晶。能分辨輪廓的球粒直徑約為0.5mm～2mm 不等，且球粒越大邊界越清晰，小的球粒幾乎辨認(rèn)不出來(lái)。有的球粒和基質(zhì)物質(zhì)一起重結(jié)晶成較大的礦物顆粒，對(duì)球粒輪廓破壞較大，這可能是未熱變質(zhì)前的球粒物質(zhì)和球粒周圍的基質(zhì)物質(zhì)在礦物成分上比較接近，在后期的熱變質(zhì)過(guò)程中結(jié)合為較大礦物顆粒。

圖5

樣品中球粒主要由橄欖石、斜方輝石、斜長(zhǎng)石組成，次要礦物有FeNi 金屬、隕硫鐵、鉻鐵礦等礦物組成。在某些球粒內(nèi)輝石間隙的長(zhǎng)石內(nèi)發(fā)育有不規(guī)則狀礦物，經(jīng)能譜分析為磁鐵礦和鉻鐵礦集合體，是球粒重結(jié)晶過(guò)程中產(chǎn)生的次生礦物集合體，這些礦物集合體都分布在長(zhǎng)石顆粒內(nèi)，在輝石和長(zhǎng)石顆粒內(nèi)還分布著近球狀隕硫鐵顆粒，球粒內(nèi)的隕硫鐵顆粒粒度較小。

4 討論

4.1 隕石熔殼特征研究

隕石因?yàn)榭焖龠M(jìn)入大氣層，在隕石前端，氣體受沖擊波作用溫度劇烈升高，隕石表層會(huì)被加熱到3000℃～3500℃[10]。曼桂隕石的熔殼形成也分為兩部分：一是最外面完全熔融的玻璃質(zhì)；最外面的玻璃質(zhì)層內(nèi)普遍含有氣孔構(gòu)造，隕石熔融物質(zhì)形成后因?yàn)殡E石的高速前進(jìn)，造成熔融物在隕石表面快速揮發(fā)并向后流動(dòng)，在局部產(chǎn)生堆積，在熔殼堆積較厚的地方氣孔位于熔融層和次生變質(zhì)層交界處，而不是最外面，這表明氣孔構(gòu)造的形成是熔融的隕石物質(zhì)流動(dòng)造成的。本次樣品個(gè)體較小，阻重比相對(duì)較大，產(chǎn)生燒蝕的雷諾數(shù)就較低，在大氣層中發(fā)生層流燒蝕，所以才看起來(lái)本次樣品的熔殼比圖1、2 較大個(gè)體的熔殼更顯黑亮。二是玻璃質(zhì)層到內(nèi)部隕石物質(zhì)之間的次生變質(zhì)層，普遍認(rèn)為次生變質(zhì)層是隕石表層高溫向內(nèi)傳導(dǎo)，導(dǎo)致隕石內(nèi)礦物在高溫下發(fā)生不可逆的物理化學(xué)變化形成；礦物升溫后打破了晶格排列，雖未完全形成熔融的玻璃態(tài)，但在偏光顯微鏡下已經(jīng)觀察不到晶體的偏光特性。

在以往的熔殼研究，更多是從高溫?zé)岬膫鲗?dǎo)對(duì)熔殼內(nèi)物質(zhì)影響進(jìn)行研究，忽略了沖擊波和高壓對(duì)隕石外層的作用；在沖擊波的作用下隕石的表層和內(nèi)部裂隙會(huì)快速熔融，熔融的液體在高壓下更加快速的向隕石內(nèi)部熔蝕，次生熔殼邊部常發(fā)育熔融的裂隙，這是隕石“迎風(fēng)面”快速分解剝離的重要原因（圖6a、b、c、d）。通過(guò)參考資料，沖擊波作用在固體物質(zhì)上可以在作用深度上劇烈升高固體的溫度，極大改變固體物質(zhì)結(jié)構(gòu)，呈幾何級(jí)的提高物質(zhì)活性[11]。而隕石進(jìn)入大氣層時(shí)的高速會(huì)在隕石的表層產(chǎn)生劇烈的激波。這可能也是造成隕石快速分解和劇烈空爆的重要原因。

經(jīng)對(duì)次生熔殼內(nèi)礦物電子探針成分分析（表1、2），曼桂隕石次生熔殼內(nèi)的橄欖石、輝石成分發(fā)生了變化，綜合來(lái)看橄欖石中的FeO、TiO2、MnO 含量均有不同程度降低。輝石中的FeO、TiO2、Cr2O3、MnO 有不同程度的降低。說(shuō)明在高溫下有部分橄欖石、輝石中的氧化物被高溫還原了[3]。

4.2 次生熔殼內(nèi)隕硫鐵脈的成因

熔殼中隕硫鐵細(xì)脈分布在礦物顆粒的裂隙中，在三維空間呈層狀分布逐漸尖滅，在切片中圍繞金屬、隕硫鐵、長(zhǎng)石呈放射狀密切分布。隕石降落后是以較快速度冷卻，但不同礦物間熔點(diǎn)和膨脹系數(shù)不同，如圖5 斜長(zhǎng)石的膨脹系數(shù)隨溫度變化較橄欖石低（Thomas J. Ahrens 1995），在受熱升溫時(shí)所有礦物都在膨脹擠壓很難形成裂隙，但在冷卻收縮時(shí)則留下空間產(chǎn)生裂隙。隕硫鐵的熔點(diǎn)相對(duì)于橄欖石和輝石較低，裂隙產(chǎn)生時(shí)熔融的隕硫鐵還未凝固，導(dǎo)致熔融的隕硫鐵擴(kuò)散進(jìn)入裂隙，最終冷卻形成隕硫鐵細(xì)脈。

4.3 曼桂隕石球粒的形成演化

球粒的形成演化和太陽(yáng)星云的演化息息相關(guān)，通過(guò)恒星演化及宇宙年代學(xué)模型的計(jì)算機(jī)模擬，太陽(yáng)產(chǎn)生于45.9 億年前的一團(tuán)氫分子云的快速坍縮。星云凝聚模型有汽——固凝聚和汽——液——固凝聚兩種模式[9]；球粒的形成很可能是后一種模式的產(chǎn)物，當(dāng)星云圍繞原恒星運(yùn)行時(shí)不斷的向中心墜落，而狂暴的太陽(yáng)風(fēng)會(huì)把已經(jīng)汽化的物質(zhì)重新吹離太陽(yáng)，在太陽(yáng)的徑向空間形成物質(zhì)環(huán)流[5]。氣態(tài)物質(zhì)遠(yuǎn)離太陽(yáng)后冷凝成一個(gè)個(gè)小液滴，這些液滴不斷的碰撞融合，在融合過(guò)程中因?yàn)榕鲎不蚱掠⊥? 羅伯遜阻力，導(dǎo)致有的液滴重新向太陽(yáng)靠近，而有的液滴在亞爾科夫斯基效應(yīng)、太陽(yáng)風(fēng)、碰撞等外力的作用下繼續(xù)遠(yuǎn)離太陽(yáng)，液滴在不斷的冷卻，在運(yùn)行中球粒穿過(guò)了星云分異形成的富集金屬顆粒的區(qū)域。不斷的吸集金屬、基質(zhì)物質(zhì)，最終形成了曼桂隕石的母體。

球粒凝聚形成母體后，隕石母體會(huì)在內(nèi)部能量（長(zhǎng)、短周期放射性核素衰變能，元素的重力勢(shì)能等）和外部能量（太陽(yáng)風(fēng)、磁暴、撞擊等）的共同作用下發(fā)生熱變質(zhì)，前人經(jīng)過(guò)對(duì)隕石內(nèi)不同部位的樣品研究，發(fā)現(xiàn)越靠近母體中心球粒的輪廓越模糊，熱變質(zhì)程度越高；越靠近邊緣，球粒輪廓越清晰，變質(zhì)程度越低。曼桂隕石作為L(zhǎng) 型普通球粒隕石，球粒在隕石中的占比應(yīng)在70%左右，但曼桂隕石中能分辨輪廓的球粒還不到隕石的30%，有大量的球粒已經(jīng)完全重結(jié)晶。球粒作為隕石中較早凝聚的組分，其重結(jié)晶程度是隕石熱變質(zhì)程度判定的重要依據(jù)。前人研究普通球粒隕石巖石類型為6 型，6 型對(duì)應(yīng)的后期熱變質(zhì)溫度在750-950℃[6]。不同類型的球粒重結(jié)晶后的礦物結(jié)構(gòu)各有不同，某些球粒物質(zhì)和基質(zhì)物質(zhì)共同重結(jié)晶為硅酸鹽礦物，說(shuō)明兩者在物質(zhì)組成上有相似的地方，另外結(jié)合在熱變質(zhì)程度較低的普通球粒隕石的球粒內(nèi)發(fā)現(xiàn)有球粒內(nèi)基質(zhì)的存在，也表明兩者在形成上關(guān)系密切。

圖6 熔殼的微區(qū)高倍率背散射圖片

5 結(jié)論

根據(jù)對(duì)曼桂隕石熔殼和球粒特征的觀察和成分分析得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

5.1 樣品中清晰觀察到不同隕石礦物的分解熔融現(xiàn)象，垂直于熔殼向內(nèi)發(fā)育的熔融裂隙大大加速了隕石外層熔融和剝離的速度。在隕石破碎和表層熔融過(guò)程中沖擊波發(fā)揮著重要作用，加速了礦物裂隙的熔融分裂。熔殼內(nèi)隕硫鐵細(xì)脈的形成是由不同礦物膨脹系數(shù)不同，受熱后快速冷卻收縮形成裂隙，在冷卻過(guò)程中由熔融的隕硫鐵填充，最終冷卻形成。

5.2 曼桂隕石次生熔殼內(nèi)的橄欖石、輝石成分發(fā)生了變化，綜合來(lái)看橄欖石中的FeO、TiO2、MnO 含量均有不同程度降低。輝石中的FeO、TiO2、Cr2O3、MnO 有不同程度的降低。說(shuō)明在高溫下有部分橄欖石、輝石中的氧化物被高溫還原了。

5.3 曼桂隕石的隕石類型確定為L(zhǎng)6型隕石，表明隕石經(jīng)歷了溫度在750-950℃[6]后期熱變質(zhì)。熱變質(zhì)導(dǎo)致隕石內(nèi)礦物重結(jié)晶，重結(jié)晶導(dǎo)致礦物成分更加均一。曼桂隕石球粒主要由爐條狀球粒、斑狀球粒、棒狀橄欖石球粒、放射狀球粒組成，球粒主要由橄欖石、輝石、長(zhǎng)石組成，在球粒的長(zhǎng)石顆粒內(nèi)普遍存在次生鉻鐵礦集合體。球粒和基質(zhì)在物質(zhì)來(lái)源上可能存在同源性。