烏希里克鐵隕石的組織結(jié)構(gòu)、冷卻歷史和定量預(yù)測(cè)模型*

周揚(yáng)揚(yáng) 徐偉彪 胡 斌 羅海文?

(1北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院北京100083)

(2中國(guó)科學(xué)院比較行星學(xué)卓越創(chuàng)新中心紫金山天文臺(tái)南京210023)

1 引言

太陽系各行星體是由尺度更小的星子碰撞聚集而形成的，隨后又經(jīng)歷了數(shù)十萬到數(shù)百萬年的內(nèi)部熔融分異而形成具有核幔殼圈層結(jié)構(gòu)的行星體[1].要了解這些碰撞所發(fā)生的時(shí)間和內(nèi)部熔融分異的機(jī)制，最好的載體就是鐵隕石，因?yàn)樗砹诵行求w金屬內(nèi)核的樣品，記錄了形成Fe-Ni金屬內(nèi)核和硅酸鹽外殼所需要的約束條件;根據(jù)不同類型鐵隕石(天體金屬內(nèi)核)所記錄下的其所經(jīng)歷的冷卻過程，可以推測(cè)出這些天體的大小尺度和內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)[2-4].比如Yang等人2007年曾經(jīng)基于對(duì)一塊IVA型鐵隕石的組織結(jié)構(gòu)分析，估算出其母體冷卻速率約為100-6000°C/Myr，并進(jìn)一步推斷出該天體的金屬內(nèi)核尺度在300 km左右，且沒有絕熱殼層，可能是在45億年前由一顆月球至火星大小的天體撞裂出來的金屬內(nèi)核[5].因此，根據(jù)鐵隕石的組織結(jié)構(gòu)，建立一個(gè)準(zhǔn)確描述和計(jì)算鐵隕石冷卻歷史與冷卻速率的定量模型，對(duì)于推測(cè)隕鐵母體的形成乃至行星演化理論都有非常重要的指導(dǎo)意義.

2011年，在新疆阿勒泰地區(qū)克蘭峽谷發(fā)現(xiàn)一塊重達(dá)5 t的鐵隕石(烏希里克)，在該區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)數(shù)塊大質(zhì)量鐵隕石個(gè)體且墜落地點(diǎn)有著很強(qiáng)的相關(guān)性，而且內(nèi)部巖石結(jié)構(gòu)和礦物成分以及親鐵微量元素含量高度一致，這些鐵隕石個(gè)體均來自同一個(gè)母體，在進(jìn)入地球大氣層后裂解而形成一條長(zhǎng)達(dá)400多公里的隕落帶[6].隕石碎片大多來自太陽系的小行星，它們均形成于45億年前，經(jīng)過最初太陽星云幾百萬年的吸積和凝聚作用形成，有些小行星又經(jīng)歷了大規(guī)模的熔融和分異[7]，內(nèi)部形成核幔殼結(jié)構(gòu).鐵隕石則來自這些分異小行星的核心部分.隨著小行星的冷卻和凝固，內(nèi)部的金屬顆粒物逐漸形成不同的微觀結(jié)構(gòu)和礦物組合，這些微觀結(jié)構(gòu)的形成及其性質(zhì)取決于鐵隕石的初始成分和冷卻速率，所以理解它們的形成機(jī)理，對(duì)研究鐵富集的隕石、早期因吸積作用而形成的小行星體的歷史有至關(guān)重要的作用[8].

鐵隕石和石鐵隕石內(nèi)部的金屬礦物主要是由Ni(5.5%-19%)、Fe兩個(gè)主要元素和一些微量元素(P、S、Si、Cr)組成.鐵隕石中維斯臺(tái)登(Widmanstatten)紋是在冷卻到800°C-600°C發(fā)生相變形成，包括貧鎳體心立方(BCC)結(jié)構(gòu)的鐵紋石帶和富鎳面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)的鎳紋石帶，具體的溫度點(diǎn)取決于原始的Ni和P的含量[9].由于鐵紋石生長(zhǎng)以及鎳紋石內(nèi)部的Ni含量與Ni元素在兩相區(qū)的擴(kuò)散有關(guān)，因此通過建立鎳紋石帶半厚及中心鎳含量與鐵隕石冷卻速率之間的關(guān)系，可估算鐵隕石在700°C-400°C的冷卻速率，這對(duì)理解鐵隕石母體的形成及其熱歷史有重要意義[10].隨著溫度降低，鐵紋石不斷生長(zhǎng)，在溫度達(dá)到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度(MS點(diǎn))以下時(shí)，殘余奧氏體通過馬氏體相變轉(zhuǎn)變?yōu)殍F紋石和鎳紋石混合共生的合紋石，其特征與局部Ni含量有關(guān)[11].降低至350°C時(shí)，在鐵紋石鎳紋石界面附近富鎳區(qū)發(fā)生失穩(wěn)分解反應(yīng)，形成云狀區(qū)域(Cloudy Zone，CZ)，其內(nèi)的BCC基體上分布著納米尺度鎳紋石顆粒，而它的尺寸大小由低溫下鐵隕石的冷卻速率決定[12-13].雖然鐵隕石中各類組織都研究得比較深入，但是相關(guān)研究大多都是碎片化的，對(duì)于同時(shí)呈現(xiàn)出數(shù)種不同類型組織結(jié)構(gòu)特征的鐵隕石研究較少，而且烏希里克鐵隕石屬于IIIE群鐵隕石，IIIE群鐵隕石是含有特征副礦物Haxonite而從IIIAB群鐵隕石分離出的小群體[6]，目前對(duì)該類鐵隕石的熱歷史缺乏深入系統(tǒng)的研究，同時(shí)在這一個(gè)鐵隕石中出現(xiàn)了粗大的Widmanstatten紋、各類合紋石以及云狀區(qū)等不同溫度區(qū)間所形成的組織結(jié)構(gòu)，這為研究隕鐵中不同結(jié)構(gòu)的熱歷史提供了難得的研究樣本.

本文以世界規(guī)模最大的阿勒泰鐵隕石中烏希里克個(gè)體為例，以冶金學(xué)的經(jīng)典研究方法，對(duì)該隕石中數(shù)種不同類型的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，建立了不同組織結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的冷卻歷史和冷卻速率模型，并最終獲得形成該鐵隕石全部組織結(jié)構(gòu)特征所對(duì)應(yīng)的各種相變過程和相應(yīng)冷卻速率.本文提出的以固態(tài)相變?yōu)榛A(chǔ)所建立的預(yù)測(cè)冷卻速率的定量模型，為研究鐵隕石冷卻歷史提供了一個(gè)更準(zhǔn)確的定量研究手段.

2 實(shí)驗(yàn)方法

烏希里克鐵隕石經(jīng)早期研究已經(jīng)得到表1所示的成分和鐵隕石類別[6]，其中wt.%表示質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，鐵紋石的成核溫度計(jì)算結(jié)果是依據(jù)之前建立的鐵紋石成核機(jī)制[9].從該隕鐵中切取10 mm×10 mm×2 mm樣品并鑲嵌后按標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行磨光和拋光，4%硝酸酒精侵蝕10-15 s，分別在光學(xué)顯微鏡和冷場(chǎng)掃描電子顯微鏡下觀察鐵隕石的組織形貌.通過電子探針(EPMA)在20 kV電壓20 nA電流下，沿著垂直于鐵、鎳紋石相界的直線上間隔一定距離逐點(diǎn)檢測(cè)Fe、Ni、Co和P等元素含量，鎳紋石帶較窄時(shí)間隔距離取3μm，較寬時(shí)取6μm，其中需測(cè)量每個(gè)鎳紋石帶的半厚以及中心的Ni含量，共檢測(cè)4個(gè)鎳紋石帶，以得到鎳紋石帶的元素分布情況.樣品經(jīng)過精細(xì)磨光，在20%的高氯酸酒精溶液中電解拋光處理后，使用PHI710俄歇納米探針在20 kV電壓下進(jìn)行背散射電子衍射(EBSD)測(cè)量，以獲得鐵紋石、鎳紋石的位向分布數(shù)據(jù)并據(jù)此估算鎳紋石在三維空間的真實(shí)厚度和取向，獲得合紋石和云狀區(qū)等組織的位向分布特點(diǎn)，以分析其形成機(jī)制.通過ThermoCalc商業(yè)軟件中的動(dòng)力學(xué)DICTRA板塊與TCFe9熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫、MOBFe4動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫，在確定形核溫度、冷卻速率和初始晶粒尺寸等初始條件后，可以模擬計(jì)算得到Ni含量在兩相區(qū)的分布、鎳紋石半厚度和中心Ni含量，由此可以建立不同冷卻速率下鎳紋石中心鎳含量與鎳紋石半厚的關(guān)系，并據(jù)此分析鐵隕石中不同組織結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理.

表1 烏希里克鐵隕石的基本信息[6，14]Table 1 Basic infor mation of Wuxilike iron m eteorite[6，1 4]

3 結(jié)果和討論

3.1 烏希里克鐵隕石的復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)

圖1是該鐵隕石在侵蝕后，得到的數(shù)種形貌不同的組織結(jié)構(gòu)，尺度各不相同，如圖1(a)所示，除了構(gòu)成Widmanstatten紋的粗大鎳紋石和鐵紋石帶，各自厚度在100μm、300μm左右;還包括在大約1 mm×1.5 mm區(qū)域中由片層狀鐵紋石和鎳紋石組成的梳狀合紋石(圖1(b)、(c))，其中鎳紋石片層的厚度在2-40μm范圍且多為幾微米;在鐵紋石基體上嵌著尺寸2-10μm的顆粒狀鎳紋石的球化合紋石(圖1(d)、(e));另外，還可以在距構(gòu)成Widmanstatten紋的粗大鐵、鎳紋石帶相界約1微米處的鎳紋石內(nèi)發(fā)現(xiàn)很多納米尺寸的鎳紋石顆粒(圖1(f)-(h))，尺寸在10-150 nm范圍，且離相界越遠(yuǎn)鎳紋石顆粒越小.

圖1 烏希里克鐵隕石顯微組織的光學(xué)(圖(a)、(f))和掃描電子顯微(Scanning Electron Microscop e，SEM)(圖(b)-(e)、(g)-(h))圖像.圖(a)是涵蓋不同類型組織結(jié)構(gòu)的低倍照片;圖(b)和(c)分別是圖(a)和(b)中白框區(qū)域中梳狀合紋石顯微組織的放大圖;圖(d)和(e)分別是圖(a)和(d)中白框區(qū)域中梳狀合紋石顯微組織的放大圖;圖(f)為圖(a)中粗大鎳紋石顯微組織放大圖;圖(g)、(h)為圖(f)、(g)中白框區(qū)域粗大鎳紋石逐次放大圖，可以觀察到距離相界1μm內(nèi)無鎳紋石顆粒，其外析出大量富Ni的鎳紋石顆粒.T和K分別代表鎳紋石和鐵紋石.Fig.1 Optical microscope(panels(a)，(f))and SEM(panels(b)-(e)and panels(g)-(h))images on the different typ es of structural morphologies in Wuxilike iron meteorite.Panel(a)is the low magnif ication optical images covering different types of structures;panels(b)and(c)are the magnif ied morphologies on the structure of comb plessite in the white rectangular regions in panels(a)and(b)，resp ectively;panels(d)and(e)are magnif ied morphologies on the structure of spheroidized plessite in the white rectangular regions in panels(a)and(d)，respectively;panel(f)is the enlarged view of coarse taenite in panel(a);panels(g)and(h)are the magnif ied views on the white rectangular regions in panels(f)and(g)，resp ectively.Ni-rich particles are densely distributed beyond the distance of 1μm to the interface of taenite(T)and kamacite(K).

3.2 鐵隕石的W id manstatten紋

3.2.1 鎳紋石厚度的三維空間校正

在顯微鏡下所觀察到的是二維平面上的組織形貌，要確定鎳紋石三維空間的準(zhǔn)確厚度與相互間距，就要對(duì)鎳紋石厚度進(jìn)行三維空間校正，如圖2所示.可用兩種方法測(cè)量夾角:第1種方法是在光鏡下觀察樣品上兩個(gè)相互垂直的表面，其上均有相互平行的鎳紋石，則可直接測(cè)量出某一個(gè)鎳紋石帶與兩個(gè)面的公共直線所成的兩個(gè)夾角θ1、θ2，如圖2(a)所示.第2種方法是通過EBSD測(cè)出鐵紋石相BCC晶面的極圖來確定取向關(guān)系[15-17]，如圖2(b)所示，極圖中4個(gè)極點(diǎn)對(duì)應(yīng)FCC相{111}晶面族的4個(gè)晶面，任何一個(gè){111}晶面與樣品表面(圓心的位置)夾角的確定，可以通過繞圓心位置順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(或者逆時(shí)針)到E-W坐標(biāo)(或者N-S坐標(biāo)，E、W、N、S分別表示東、西、北、南)獲得.這個(gè){111}晶面族的極點(diǎn)圖計(jì)算方法在Barrett等人1980年的專著中有介紹[18].將第1種方法所測(cè)得的夾角和第2種方法的極圖一起投影在球面極點(diǎn)網(wǎng)格中，這樣可以達(dá)到兩種方法對(duì)比的效果[19-20].圖2(b)中使用兩個(gè)表面法測(cè)得某一個(gè)鎳紋石片層與公共直線所形成的兩個(gè)夾角分別為72.0°和58.9°，而使用EBSD方法測(cè)得數(shù)個(gè)鎳紋石片層所對(duì)應(yīng)這兩個(gè)角度的范圍為63.0°-73.5°和56.6°-66.0°，另外還有兩個(gè)夾角為35.0°-39.6°、54.5°-58.6°.在獲得了取向角θ之后，準(zhǔn)確的鎳紋石半厚度(Lact)通過樣品表面鎳紋石半厚度(Lapp)的測(cè)量值乘以sinθ獲得，即Lact=Lappsinθ.圖2(c)是烏希里克鐵隕石中鎳紋石帶的背散射電子圖像，對(duì)垂直于鎳紋石帶的成分進(jìn)行線分析，可以明顯發(fā)現(xiàn)Ni濃度梯度呈“M”型分布(圖2(d))，當(dāng)采用所測(cè)鎳紋石取向角58.9°進(jìn)行校正后，鎳紋石半厚由58μm減小到50μm，“M”型濃度梯度也相應(yīng)變得更大.

圖2 基于取向角校正求得鎳紋石片層的真實(shí)厚度.圖(a)是鎳紋石片層在三維空間的示意圖，圖中PS和AS分別為樣品表面和與之垂直的輔助面;圖(b)是用EBSD極圖法(圓圈)和兩個(gè)垂直面直接測(cè)量法(正方形)所得到的鐵紋石與鎳紋石的取向關(guān)系圖;圖(c)是鎳紋石片層背散射電子(BSE)圖像;圖(d)是沿圖(c)中灰色直線所示各點(diǎn)處經(jīng)EPMA分析得到的Ni含量在厚度上的變化及該結(jié)果經(jīng)取向校正前后的對(duì)比.Fig.2 The real thickness of taenite lamella as corrected by its orientation.Panel(a)is the schematic diagram of taenite lamellae in three-dimensional space，where PS and AS represent the primary surface of the sample and the auxiliary surface p erpendicular to it resp ectively;panel(b)shows the orientation relationship between kamacite and taenite obtained by using the EBSD p olar f igure(circle)and two vertical plane direct measurements(square);panel(c)is the backscattered electron(BSE)image of taenite lamellar;panel(d)is the comparison of EPMA measurement of Ni content variation across the thickness with and without orientation correction，in which the measurement is carried out along the grey straight line in panel(c).

3.2.2 鐵隕石的冷卻速率估算

本研究中根據(jù)Wood方法[11]來計(jì)算烏希里克鐵隕石冷卻速率.具體的計(jì)算模型建立如圖3，首先通過EPMA測(cè)得每個(gè)鎳紋石帶的半厚度及鎳紋石中心的Ni含量，將測(cè)量值與未經(jīng)過和經(jīng)過取向校正的半厚值均畫于圖3(b).然后，根據(jù)實(shí)測(cè)的鐵、鎳紋石厚度確定模擬計(jì)算單元的尺寸，通過擴(kuò)散模擬軟件DICTRA計(jì)算出由695°C經(jīng)不同速率冷卻至400°C后Ni在鐵紋石和鎳紋石兩相中擴(kuò)散導(dǎo)致的濃度梯度.如圖3(a)所示為20°C/Myr的計(jì)算結(jié)果，據(jù)此得到在不同冷卻速率下所形成的鎳紋石半厚度和中心Ni含量的關(guān)系，如圖3(b)中直線所示.

圖3 根據(jù)實(shí)測(cè)不同厚度粗大鎳紋石片層中心的Ni含量與鎳紋石(T)-鐵紋石(K)相變動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果來確定隕鐵中形成粗大Widmanstatten紋所對(duì)應(yīng)的冷卻速率.圖(a)是相變動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算實(shí)例，以20°C/Myr由695°C冷卻至400°C時(shí)相變導(dǎo)致的T/K相界附近的Ni濃度梯度;圖(b)為隕鐵的實(shí)際冷卻速率，由實(shí)測(cè)鎳紋石片層中心Ni含量與片層半厚數(shù)據(jù)(考慮取向校正)與圖(a)模型計(jì)算出的不同冷卻速率下兩者關(guān)系(圖中直線)的對(duì)比得出.Fig.3 The cooling rate during the formation of coarse Widmanstatten structure in the meteorite is determined by both the taenite(T)-kamacite(K)phase transformation kinetic model and the measured Ni contents at the center of taenite lamellas having various thickness.Panel(a)is an example of the calculated Ni concentration gradient near the T/K phase boundary by using the transformation kinetic model，in which the cooling process is starting from 695°C to 400°C at a sp eed of 20°C/Myr;panel(b)shows the actual cooling rate of the iron meteorite which is determined by the comparison of the measured(data p oints including those after orientation correction)and calculated relationship(lines)of Ni contents at the center of taenite lamellas vs.half-thickness of taenite lamellas by using the transformation kinetic modeling in panel(a).

根據(jù)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)與不同冷卻速率對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果相對(duì)位置，可確定形成該隕鐵Widmanstatten紋所需的冷卻速率.在測(cè)量了12個(gè)鎳紋石帶并考慮了取向校正后，實(shí)際測(cè)得的鐵隕石冷卻速率范圍為40-61°C/Myr，而不考慮取向校正時(shí)冷卻速率范圍為26-56°C/Myr.冷卻速率變量是最大冷卻速率與最小冷卻速率的比值.平均冷卻速率49°C/Myr是通過對(duì)每個(gè)冷卻速率取對(duì)數(shù)然后取平均數(shù)而得，而非冷卻速率的算術(shù)平均數(shù).每個(gè)鎳紋石帶冷卻速率對(duì)數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)差是±0.125，對(duì)數(shù)值的范圍為lg(49±0.125)，取反對(duì)數(shù)得到該鐵隕石考慮誤差的冷卻速率范圍是32-75°C/Myr，標(biāo)準(zhǔn)差的反對(duì)數(shù)就是我們定義的誤差因子2σ，誤差因子代表著冷卻速率的誤差范圍，計(jì)算值為1.52.上述計(jì)算結(jié)果總結(jié)于表2.需要指出的是，表2的平均冷卻速率及誤差因子采用的是Yang等[19]在2006年所提出的方法.

表2 烏希里克鐵隕石的成分、冷卻速率(范圍、均值、誤差因子和誤差范圍)Table 2 Com p osition，cooling r ate(range，m ean，err or factor and err or range)of Wuxilike iron m eteorite

3.3 鐵隕石中合紋石結(jié)構(gòu)及其形成機(jī)制

3.3.1 合紋石的基本結(jié)構(gòu)和位相關(guān)系

為了分析合紋石的冷卻過程，我們同樣使用Wood法預(yù)測(cè)合紋石的冷卻速率，如圖4.通過檢測(cè)圖4(a)中梳狀合紋石5條不同寬度鎳紋石帶的中心6個(gè)Ni含量，根據(jù)其與鎳紋石帶半厚度的關(guān)系繪成圖4(b)，并加入上述粗大鎳紋石帶的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)以及計(jì)算的冷卻速率曲線，發(fā)現(xiàn)梳狀合紋石中相對(duì)細(xì)小的鎳紋石帶中心Ni含量更高(40%左右)，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)與構(gòu)成Widmanstatten紋的粗大鎳紋石一樣均落在相同的冷卻速率曲線上，而相對(duì)較粗的鎳紋石帶對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)明顯脫離之前的冷卻速率曲線.說明梳狀合紋石中細(xì)小的鎳紋石帶和粗大的鎳紋石帶形成機(jī)制不一樣，細(xì)小的鎳紋石帶是鐵紋石進(jìn)一步長(zhǎng)大的結(jié)果，而粗大的鎳紋石帶由于其內(nèi)部較低的Ni溶度，可發(fā)生馬氏體相變而阻礙了鐵紋石進(jìn)一步長(zhǎng)大，就導(dǎo)致這些粗大鎳紋石的冷卻速率與Wood法計(jì)算值不吻合.

圖4 梳狀合紋石中鎳紋石帶中心Ni含量的實(shí)測(cè)值和動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果對(duì)比.圖(a)為在梳狀合紋石中鎳紋石帶中心處，由EPMA測(cè)得的Ni含量;圖(b)為圖(a)中Ni含量測(cè)量結(jié)果和圖3(b)中動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果的對(duì)比.Fig.4 Comparison of measurements and the kinetic modeling results on the Ni contents at the center of taenite in the comb plessite.Panel(a)is Ni content at the middle of taenite lamellas in the comb plessite，which is measured by EPMA;panel(b)is the comparision of the measured Ni contents in panel(a)and the kinetic simulation results in Fig.3(b).

對(duì)球化、梳狀合紋石的顯微組織表征以及Ni含量的分析如圖5，在球化合紋石中，可以觀察到2-10μm顆粒狀鎳紋石相嵌在鐵紋石基體中，如圖5(a)、(b).其中鎳紋石含30%-50%Ni而鐵紋石含6%Ni.梳狀合紋石中有厚度不同的鎳紋石帶，而這些粗細(xì)不均鎳紋石帶中Ni含量也呈中間低兩邊高的“M”型，見圖5(c)、(d).球化合紋石和梳狀合紋石內(nèi)鎳紋石相分?jǐn)?shù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)分別為24.9%、19.0%，據(jù)此可計(jì)算出該區(qū)域整體平均Ni含量范圍分別為14.8%-16.1%、10.5%-11.8%，因此這兩種合紋石相變形核溫度并不相同.

圖5 球化合紋石(圖(a)、(b))和梳狀合紋石(圖(c)、(d))顯微組織中Ni元素的分布.圖(a)、(c)是球化合紋石顯微組織的背散射電子圖像;圖(b)和(d)分別為EPMA測(cè)得的圖(a)和(c)中對(duì)應(yīng)的Ni元素分布.Fig.5 The distributions of Ni in the microstructures of both spheroidal(panels(a)，(b))and comb plessite(panels(c)，(d)).Panels(a)and(c)are backscattered electron images;panels(b)and(d)are the corresp onding Ni distributions of panels(a)and(c)resp ectively，measured by EPM A.

為了進(jìn)一步分析該類合紋石的形成機(jī)制，使用EBSD和俄歇電子能譜(AES)對(duì)其內(nèi)部鐵紋石和鎳紋石的取向分布進(jìn)行了分析，如圖6.圖6(a)中是另一種類型的梳狀合紋石，圖6(d)是對(duì)這塊區(qū)域Ni元素的面掃描分析，在鎳紋石中邊界的Ni含量最高，內(nèi)部Ni含量偏低，鐵紋石區(qū)域中Ni含量都維持很低的水平.結(jié)合圖6(b)、(c)來看，其中數(shù)字組合1 1 1、0 0 1、1 0 1代表反極圖中的晶向指數(shù)，鐵紋石區(qū)域的取向都一致，鎳紋石邊緣有一層5μm寬度的薄帶，圖6(c)中白色線條代表著符合K-S位相關(guān)系界面，說明這部分鎳紋石薄帶的取向和鐵紋石區(qū)域的取向遵循K-S位向關(guān)系.鎳紋石內(nèi)部有不同位向的顆粒狀的BCC相和FCC相，一部分FCC相顆粒和原γ相取向一致，應(yīng)該是殘余γ相，而那些不同取向的FCC相則應(yīng)是不同相變機(jī)制所導(dǎo)致，推測(cè)是文獻(xiàn)中報(bào)道的在冷卻過程發(fā)生了馬氏體相變?nèi)缓笤俜纸鈱?dǎo)致，詳細(xì)討論如下[21].

3.3.2 合紋石的形成機(jī)制

合紋石是由體心立方結(jié)構(gòu)的鐵紋石相和面心立方結(jié)構(gòu)的鎳紋石相混合共生而成，不同的鎳含量和不同形狀的鎳紋石相共生行成多種不同的合紋石，合紋石復(fù)雜多樣并且形成機(jī)制也不同[22-23].

一定成分的鐵隕石在高溫下為FCC結(jié)構(gòu)，冷卻到相變溫度點(diǎn)約695°C開始發(fā)生鎳紋石向鐵紋石的相變，隨著溫度降低鐵紋石不斷長(zhǎng)大，鎳紋石中Ni含量形成“M”型溶度梯度.當(dāng)冷卻到更低溫度時(shí)，鎳紋石區(qū)域內(nèi)Ni含量≤25%的區(qū)域會(huì)在MS溫度相變轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體(見圖7的Fe-Ni相圖[13])，其Ni含量保持不變，發(fā)生如下相變?chǔ)谩?+γ;Ni≥25%的區(qū)域則不發(fā)生馬氏體相變，而作為殘留FCC相圍繞著形成的馬氏體，如圖6(b)所示，包含不同取向的鎳紋石帶周邊有一層取向一致的薄帶.隨著冷卻過程的進(jìn)行，馬氏體發(fā)生如下相變?chǔ)?→α+γ，越來越多的馬氏體轉(zhuǎn)化成BCC的鐵紋石相(α相)，α相也繼承了馬氏體的取向關(guān)系，如圖6(c)中有很多符合K-S位相關(guān)系的晶界，并且鐵紋石相保持著一致的取向，此時(shí)γ相中Ni含量不斷升高.α2邊界的FCC鎳紋石相中的Ni含量跟隨著Fe-Ni相圖的γ/(α+γ)相界，BCC鐵紋石相中的Ni含量跟隨著Fe-Ni相圖的α/(α+γ)相界(圖7)[13].低于400°C的時(shí)候，馬氏體邊界處的FCC鎳紋石相中的Ni含量將會(huì)達(dá)到50%左右，形成FeNi相即γ′′相.而馬氏體內(nèi)部的Ni擴(kuò)散特別慢，以至于馬氏體內(nèi)部的Ni達(dá)到過飽和狀態(tài)，如果過飽和狀態(tài)發(fā)生，γ相會(huì)在馬氏體內(nèi)部析出，這就是圖6(b)鎳紋石區(qū)域內(nèi)有多種不同取向關(guān)系的原因.所以此梳狀合紋石的形成機(jī)理應(yīng)是包括了馬氏體相變和分解的過程，完整的相變是γ→α2+γ→α+γ.

圖6 由EBSD和AES測(cè)得的梳狀合紋石中BCC和FCC的取向分布、相分布和Ni含量分布.圖(a)是SEM圖像;圖(b)、(c)、(d)分別對(duì)應(yīng)圖(a)中由EBSD測(cè)得的晶粒取向分布、相分布和AES測(cè)得的Ni含量分布.Fig.6 Grain orientation，phase and compositional mapping of Ni concentration of BCC and FCC in the comb plessite，measured by EBSD and AES resp ectively.Panel(a)is the SEM image;panels(b)，(c)and(d)are the corresp onding orientation and phase mapping measured by EBSD and Ni content distribution measured by AES.

圖7 Fe-Ni二元相圖[13].α、γ和γ′′分別是BCC相、FCC相和有序的FeNi-四方鎳紋石相，TγC代表γ相的居里溫度.Fig.7 An Fe-Ni binary phase diagram[13].α，γandγ′′are BCC，F(xiàn)CC and ordered FeNi-tetrataenite phase，resp ectively，TγC is the Curie temperature ofγphase.

3.4 CZ的形成機(jī)理

由CZ實(shí)測(cè)的Ni含量和富Ni顆粒尺寸可計(jì)算出鐵隕石在更低溫度下的冷卻速率，如圖8.圖8(a)、(b)所示的CZ是由納米尺度的富Ni的鎳紋石顆粒和富Fe基體組成，它記錄著鐵隕石在冷卻過程中的熱歷史和磁性歷史[24-25].在溫度低于450°C時(shí)，鐵、鎳紋石邊界處的富Ni區(qū)域發(fā)生失穩(wěn)分解而形成CZ[26-28].富Ni的鎳紋石顆粒以及基體的成分跟隨著圖7中虛線部分失穩(wěn)分解反應(yīng)的相界.對(duì)鐵隕石中CZ仔細(xì)觀察，其形貌和成分變化見圖8(a)和(b)，每間隔600 nm對(duì)CZ的鎳紋石顆粒進(jìn)行統(tǒng)計(jì).當(dāng)Ni的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)XNi從41%降低35%，鎳紋石顆粒直徑由125 nm降低到30 nm.根據(jù)Maurel等人2019年建立的CZ顆粒直徑(包括其局部Ni含量)與低于350°C時(shí)冷卻速率的關(guān)系(圖8(c))[29]，將所測(cè)的該鐵隕石CZ鎳紋石顆粒直徑及該區(qū)域Ni含量也繪于圖8(c)，可以得出該鐵隕石在350°C以下冷卻速率在7°C/Myr左右.

圖8 由實(shí)測(cè)的云狀區(qū)Ni含量和富Ni顆粒尺寸計(jì)算出鐵隕石在350°-200°C間的冷卻速率.圖(a)、(b)為粗大鎳紋石帶內(nèi)的組織形貌及Ni含量隨距相界距離的變化;圖(c)為計(jì)算得到的云狀區(qū)富Ni顆粒不同Ni含量下的尺寸與冷卻速率的關(guān)系[29]與實(shí)測(cè)的尺寸和Ni含量(數(shù)據(jù)點(diǎn))的對(duì)比，其中Tt代表正方鎳紋石.Fig.8 The cooling rate of studied meteorite between 350°C and 200°C is estimated from both Ni contents and size of Ni-rich particles in the cloudy zone.Panels(a)and(b)are the microstructural morphology inside the coarse taenite lamella and the Ni content varying with the distance to the phaseinterface，resp ectively;in panel(c)the calculated relationship of Ni-rich particle size in CZ and the cooling rate[29]in case of different Ni contents，is compared with the measured size and Ni content(data points)，in which Tt represents tetrataenite.

3.5 鐵隕石的冷卻過程與相變

圖9 總結(jié)了所研究的烏希里克鐵隕石從695°C-200°C的冷卻過程所發(fā)生的相變與形成的對(duì)應(yīng)組織結(jié)構(gòu).該鐵隕

圖9 烏希里克鐵隕石從695°C冷卻至200°C時(shí)所發(fā)生的相變和相對(duì)應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)演變示意圖Fig.9 Schematic diagram of phase transformations and the corresp onding microstructure evolution in Wuxilike iron meteorite when it is cooled from 695°C to 200°C

石在695°C開始發(fā)生由全FCC結(jié)構(gòu)(γ)的鎳紋石相向BCC結(jié)構(gòu)(α)鐵紋石的相變，鐵紋石開始形核長(zhǎng)大，隨著鐵紋石不斷長(zhǎng)大，鎳紋石帶不斷變薄.當(dāng)溫度下降到MS點(diǎn)(約520°C)時(shí)，由粗大鐵紋石片層交割而形成Ni濃度不等的殘余的奧氏體(γ)轉(zhuǎn)化成馬氏體(α2)，然后馬氏體在冷卻時(shí)進(jìn)一步相變?yōu)楹霞y石(鐵紋石和鎳紋石混合共生)，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為γ→α2+γ→α+γ.合紋石的種類和結(jié)構(gòu)特征很大程度上取決于所形成合紋石的母相中鎳紋石的Ni含量，可形成不同形貌的梳狀合紋石和球化合紋石.在溫度達(dá)到400°C左右時(shí)，鐵紋石基本停止生長(zhǎng)，而鐵紋石中排出的Ni在鎳紋石邊界區(qū)域富集達(dá)到50%，濃度過高以致發(fā)生失穩(wěn)分解反應(yīng)，在相界附近1μm范圍內(nèi)形成富Ni的γ′′相[13];溫度低于350°C時(shí)，在距離相界更遠(yuǎn)的鎳紋石帶里，Ni濃度相對(duì)較低，失穩(wěn)分解為顆粒狀富Ni的鎳紋石與富Fe的鐵紋石基體反應(yīng)，導(dǎo)致CZ形成.隨著溫度降低，分解形成的顆粒直徑不斷減小.溫度到達(dá)200°C時(shí)，由于Ni的擴(kuò)散特別慢，CZ中鎳紋石顆粒停止長(zhǎng)大.而這些鎳紋石帶中心區(qū)域(Ni含量在25%以下)冷卻至MS點(diǎn)以下時(shí)發(fā)生馬氏體相變，然后馬氏體隨著溫降進(jìn)一步分解成顆粒狀的鎳紋石(尺寸在1-5μm)和鐵紋石.

4 結(jié)論

根據(jù)對(duì)烏希里克鐵隕石各類組織結(jié)構(gòu)中鎳紋石、鐵紋石尺寸、成分和取向等實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，并結(jié)合冷卻過程的鎳紋石鐵紋石相變動(dòng)力學(xué)模型，推測(cè)該鐵隕石冷卻過程中各類組織結(jié)構(gòu)形成過程如下:

該鐵隕石母體在冷卻至695°C左右時(shí)開始形成粗大的鐵紋石片層，以平均速率49°C/Myr降低到400°C并不斷長(zhǎng)大至厚度約300μm左右;除此之外，由于所形成的粗大鐵紋石片層交割形成尺寸和Ni濃度不等的殘余鎳紋石區(qū)域，其中Ni濃度較低時(shí)(10.5%-11.8%)轉(zhuǎn)變?yōu)楹墟嚰y石厚度在2-20μm的梳狀合紋石;Ni濃度較高時(shí)(14.8%-16.1%)轉(zhuǎn)變?yōu)楹谐叽缭?-10μm島狀鎳紋石的球化合紋石;合紋石中Ni含量在25%以下區(qū)域(如在尺寸大于10μm的鎳紋石中心區(qū)域)冷卻至MS點(diǎn)以下時(shí)發(fā)生馬氏體相變，然后馬氏體隨著溫降進(jìn)一步分解成顆粒狀的鎳紋石(尺寸在1-5μm)和鐵紋石，即γ→α2+γ→α+γ.

隨后鐵隕石以7°C/Myr進(jìn)一步降溫到200°C，此時(shí)在形成的鎳紋石片層中邊緣處Ni含量超過50%的區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)棣谩洹洌鴥?nèi)部Ni含量較低區(qū)域則轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀γ′′和鐵紋石，即通過γ→γ′′+α相變形成云狀區(qū)，其中γ′′顆粒的尺寸隨著距相界的距離增大，由125 nm逐漸降低到30 nm左右.

上述將鐵隕石各類組織結(jié)構(gòu)成分、尺寸和取向分析結(jié)果與所建立的相變動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合，可用于各種類型鐵隕石的冷卻歷史分析，進(jìn)而推知鐵隕石的準(zhǔn)確冷卻歷史和形成各類形貌不同的結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的相變機(jī)制和冷卻速率.