岫巖隕石坑撞擊角礫巖的巖相學和沖擊變質特征*

尹鋒 陳鳴

1.湖南科技大學地球科學與空間信息工程學院，湘潭 411201 2.中國科學院廣州地球化學研究所，同位素地球化學國家重點實驗室，廣州 510640

撞擊角礫巖是隕石撞擊地表產(chǎn)生的礦物巖石碎屑和熔融物經(jīng)過壓實固結作用形成的巖石。撞擊角礫巖是隕石坑特有的巖石類型和主要組成物質，分布在隕石坑內及周圍。撞擊角礫巖是隕石坑研究的主要對象，具有重要的科學價值，能為模擬撞擊過程(Artemievaetal., 2013)、探索礦物在高溫高壓下的變質行為(Pittarelloetal., 2020)、發(fā)現(xiàn)新高壓礦物(Chenetal., 2019)、確定撞擊年齡(Kennyetal., 2019)、追蹤玻璃隕石來源(Brachaniecetal., 2014)、分辨隕石撞擊體類型(Misraetal., 2009)等提供必不可少的依據(jù)。按照國際地科聯(lián)變質巖分類委員會的方案(St?ffler and Grieve, 2007)，撞擊角礫巖分為單成分角礫巖和復成分角礫巖，前者由同一種巖性的巖屑組成，后者由多種巖性的巖屑組成。再根據(jù)角礫巖中是否含有熔體組分，可進一步分為巖屑角礫巖和含熔體角礫巖(St?ffler and Grieve, 2007)。單成分角礫巖一般分布在隕石坑底部和坑內壁，與未沖擊變質的原巖之間呈漸變關系，代表了隕石坑的邊界(Ferriereetal., 2008; Riisetal., 2011)。復成分角礫巖是隕石坑中最常見的巖石類型，由撞擊區(qū)各種原巖混合形成。在簡單隕石坑內，復成分角礫巖常以透鏡體狀產(chǎn)出在單成分角礫巖之上，中心厚度從幾十米到幾百米不等(Howard and Haines, 2007)。而在隕石坑外，復成分角礫巖以層狀產(chǎn)出在地表，厚度從幾厘米到數(shù)米不等，且從隕石坑邊緣往外漸次變薄(Kallesonetal., 2010; St?ffleretal., 2013)。

迄今為止，地球上已發(fā)現(xiàn)了200余個隕石坑，其中有兩個位于中國境內，即遼寧岫巖隕石坑(Chenetal., 2010b)和黑龍江依蘭隕石坑(陳鳴等, 2020)。岫巖隕石坑是國內首個被證實和進行科學鉆探的隕石坑，前人對該坑進行了諸多研究，包括礦物沖擊變質(Chenetal., 2010a, 2011, 2013a, b, 2018, 2019; Yin and Chen, 2014; Yin and Dai, 2020)、沉積物年齡(Liuetal., 2013)、地球物理結構(樊計昌等, 2010; 趙成彬等, 2011)、形貌特征和形成過程(王心源等, 2014)、撞擊過程模擬(Yue and Di, 2017)等。尤其需要指出的是，先前的礦物沖擊變質研究工作均在含熔體角礫巖中展開，發(fā)現(xiàn)了石英面狀變形頁理(Planar deformation features, PDFs)(Chenetal., 2011)，石英和長石的擊變和熔融玻璃(Chenetal., 2010a; Yin and Dai, 2020)，以及柯石英(Chenetal., 2010a; Yinetal., 2021)、熔長石(Yin and Dai, 2020)、TiO2-Ⅱ(Chenetal., 2013a)、萊氏石(Chenetal., 2013b)、毛河光礦(Chenetal., 2019)、金剛石(Chenetal., 2018)等高壓礦物(相)，并對它們的微結構特征和形成過程進行了細致分析。除了含熔體角礫巖，岫巖坑的鉆孔巖芯中還有玄武質角礫巖和復成分巖屑角礫巖，兩者尚未開展相關研究。鑒于此，本文對這三種撞擊角礫巖的巖相學、沖擊變質特征、地球化學進行了對比研究，并由此探討了沖擊壓力、撞擊角礫巖的形成過程、以及隕石坑的形貌特征。

1 岫巖隕石坑地質特征

岫巖隕石坑坐落于遼寧省岫巖滿族自治縣蘇子溝鎮(zhèn)，離縣城東北方向直線約16km，坑區(qū)地貌為低山丘陵。隕石坑區(qū)域的基巖為下元古界變質巖，主要由片麻巖、角閃巖、變粒巖、淺粒巖等組成(圖1)。隕石坑東邊約2km區(qū)域，有侏羅系玄武巖出露；而在隕石坑西邊約2km區(qū)域，有三疊紀閃長巖和花崗巖出露(圖1)。

圖1 岫巖隕石坑區(qū)域地質簡圖

岫巖隕石坑是一個簡單隕石坑；剖面呈碗形，坑緣最高點到當前坑底的高差約200m；平面呈圓形，直徑約1800m(圖2a)。隕石坑坑底被沉積物覆蓋，無基巖出露，坑壁和坑緣有基巖出露。該坑已于2009年進行科學鉆探，鉆探結果表明(圖2b)：坑內的沉積物厚度為107m，底部沉積物的年齡約為50ka(Liuetal., 2013)，屬于第四系湖泊沉積物；在湖泊沉積物之下，是一套厚188m的角礫巖單元，由各種類型的巖石碎屑松散堆積組成，粒徑從<1cm到>15cm不等(圖2c)?？泳壍浇堑[巖單元底部的高差，即隕石坑真實深度為495m。根據(jù)巖屑的巖性差別，將角礫巖單元分為四個部分(圖2b)：107～149m，由片麻巖、變粒巖、角閃巖、玄武巖巖屑組成；149～204m，由角閃巖巖屑組成；204～260m，由片麻巖、角閃巖、變粒巖巖屑組成；260～295m，由含熔體角礫巖組成。

圖2 岫巖隕石坑剖面示意圖

在岫巖隕石坑的東北方向，有一條底部寬約50m的峽谷切穿隕石坑邊緣。鄰近隕石坑內壁坡腳的峽谷底部有撞擊角礫巖和基巖出露(圖2d)。撞擊角礫巖已嚴重風化，但仍能分辨出流動構造；基巖巖性為片麻巖，節(jié)理發(fā)育；兩者之間的分界線的傾角約為40o，傾向南西方向。早期的野外調查過程中，發(fā)現(xiàn)于此露頭的震裂錐和石英PDFs為探索該坑的成因提供了初始證據(jù)(Chen, 2008)。

2 樣品及分析技術

本研究的樣品均來自鉆孔巖芯。我們僅采集到三塊固結成巖的撞擊角礫巖樣品，分別是復成分巖屑角礫巖(BR-1，鉆孔巖芯135m處)，玄武質角礫巖(BR-2，鉆孔巖芯140m處)，含熔體角礫巖(BR-5，鉆孔巖芯260～295m區(qū)間)。

樣品首先被磨制成34個薄片，分別是復成分巖屑角礫巖14個，玄武質角礫巖8個，含熔體角礫巖12個；然后利用偏光顯微鏡觀察其巖相學和礦物沖擊變質特征。石英PDFs也是通過偏光顯微鏡觀察并統(tǒng)計數(shù)量，然后利用安裝在偏光顯微鏡上的四軸旋轉費氏臺測定每組PDFs方位?；静襟E是：首先測量石英的光軸(C軸)方位，然后測出PDFs的法線方位，最后將測量結果投影到吳氏網(wǎng)上，并與標準石英PDFs模板對照，得出PDFs的結晶學方位。

單礦物化學成分通過電子探針(EPMA)分析獲得，儀器型號為JEOL JXA-8100；加速電壓15kV，束流10nA，束斑直徑1～10μm，定量分析檢出限≤100×10-6；背散射電子像(BSE)分辨率20nm，放大倍數(shù)40～300000倍。全巖主量元素采用熔片法在Rigaku100e型X射線熒光光譜儀(XRF)上分析獲得，分析誤差小于5%。鉑族元素(PGEs)分析在Thermo X Series 2型電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)上完成，具體方法參見Sunetal.(2009)，該方法對Os、Ir、Ru、Rh、Pt、Pd的檢出限分別為0.7×10-9、1×10-9、2×10-9、1.5×10-9、6×10-9、25×10-9，分析精度優(yōu)于10%。上述分析測試均在中國科學院廣州地球化學研究所完成。

3 撞擊角礫巖特征

3.1 巖相學和沖擊變質特征

3.1.1 復成分巖屑角礫巖

復成分巖屑角礫巖由基質和角礫兩部分組成。在手標本上，肉眼即可分辨角礫由多種不同類型的巖石碎屑組成(圖3a)，屬于復成分角礫巖。巖屑呈棱角狀到次棱角狀，分選差，粒徑1～7mm不等，成分包括玄武巖(～30%)、角閃巖(<10%)、片麻巖(～20%)等(圖3b)?；|部分約占全巖體積40%，主要由石英、長石、輝石以及黃褐色的微晶物組成(圖3b)；石英、長石、輝石的粒徑從數(shù)微米到300μm不等，而微晶物的礦物成分在顯微鏡下難以辨別。

圖3 復成分巖屑角礫巖的巖相學和沖擊變質特征

3.1.2 玄武質角礫巖

圖4 玄武質角礫巖的巖相學和沖擊變質特征

3.1.3 含熔體角礫巖

除石英PDFs外，含熔體角礫巖還發(fā)育了多種其它沖擊變質特征。部分石英顆粒整體轉變?yōu)椴ＡВ疫€有球粒狀和脈狀柯石英集合體產(chǎn)出在其中，球粒狀柯石英集合體的粒徑可達30μm(圖6a, b)。部分長石顆粒的一組雙晶發(fā)生非晶化，轉變成為擊變玻璃(圖6c, d)。有些方解石發(fā)生了熔融重結晶，以球狀或橢球狀產(chǎn)出，但沒有與硅酸鹽熔體發(fā)生混溶，兩者具有清晰的界線(圖6e)。部分鋯石也發(fā)生了變質，局部轉變成頁理狀萊氏石，頁理寬度<3μm(圖6f)。

圖6 含熔體角礫巖的礦物沖擊變質特征

3.2 地球化學特征

對鉆孔巖芯主要巖屑的主量元素分析結果顯示(表1)：片麻巖主要成分為65.16% SiO2、14.86% Al2O3、5.62% Fe2O3、5.47% Na2O、3.04% K2O、2.95% MgO；玄武巖的主要成分為46.67% SiO2、14.21% Al2O3、12.82% Fe2O3、8.25% CaO、7.74% MgO、3.18% Na2O；變粒巖的主要成分為75.46% SiO2、11.97% Al2O3、6.5% Na2O、4.11% Fe2O3，符合其以長石、石英為主，含少量磁鐵礦的礦物組成特點；角閃巖的主要成分為49.68% SiO2、13.84% Al2O3、12.21% Fe2O3、9.42% CaO、8.22% MgO。

表1 主要巖屑和角礫巖的主量元素含量(wt%)

角礫巖的化學成分與其巖屑和基質的組成有關(表1)：復成分巖屑角礫巖主要由玄武巖、角閃巖、變粒巖組成，其成分體現(xiàn)了這三種巖石混合的特點；玄武質角礫巖的CaO含量偏高，與其含有方解石脈有關；含熔體角礫巖的主要成分為65.1% SiO2、13.32% Al2O3、4.22% CaO、4.16% Na2O、3.69% Fe2O3，與任何一種巖石成分都不一致，符合其由多種礦物和巖石碎屑組成，以長英質巖屑為主的特征。本研究還分析了主要巖屑和角礫巖的PGEs豐度。分析結果表明(表2)，所有樣品的PGEs含量均沒有出現(xiàn)異常，屬于正常的地殼巖石PGEs豐度范圍。

表2 主要巖屑和角礫巖的PGEs豐度(×10-9)

4 討論

4.1 沖擊壓力估算

礦物中不同沖擊變質特征的形成壓力不同，據(jù)此可以估算撞擊過程的壓力。前人的研究已經(jīng)建立了較為完善的常見造巖礦物(石英、長石、橄欖石、輝石)沖擊變質特征與沖擊壓力的對應關系(St?ffleretal., 2018)，并已經(jīng)在沖擊變質隕石和部分隕石坑中得到良好應用。在本研究中，石英面狀變形特征在三種角礫巖均有出現(xiàn)，為對比它們的形成壓力提供了便利。石英PFs和PDFs的形成壓力相差較大，前者為5～10GPa，后者10～35GPa(St?ffler and Langenhors, 1994; Grieveetal., 1996)。在岫巖隕石坑的撞擊角礫巖里，石英PFs僅在復成分巖屑角礫巖和玄武質角礫巖少量出現(xiàn)，指示這些石英顆粒經(jīng)歷的沖擊壓力較低；石英PDFs雖然在三塊角礫巖均有出現(xiàn)，但具有明顯的差異。

此外，含熔體角礫巖中還有二氧化硅玻璃、柯石英、長石擊變玻璃、球狀方解石、萊氏石等沖擊變質特征。球粒狀和樹枝狀柯石英出現(xiàn)在二氧化硅玻璃中，說明這些二氧化硅玻璃經(jīng)歷了熔融淬火過程(Chenetal., 2010a; Yinetal., 2021)，熔融SiO2玻璃指示的沖擊壓力>50GPa。長石擊變玻璃(Yin and Dai, 2020)和鋯石-萊氏石相變(Chenetal., 2013b)都指示了沖擊壓力>30GPa。

上述可見，不管是石英還是其它礦物的沖擊變質特征，都說明組成含熔體角礫巖的礦物碎屑受到的沖擊程度普遍高于復成分巖屑角礫巖和玄武質角礫巖中的礦物碎屑。由此可知，從復成分巖屑角礫巖到含熔體角礫巖，隨著深度的增加，沖擊壓力增高。

4.2 撞擊角礫巖形成過程

隕石撞擊成坑過程分為三個階段，按先后順序分別為壓縮、挖掘、改造，撞擊熔融物形成于前兩個階段(Melosh, 1989)。撞擊中心的巖石受到>50GPa的壓力，發(fā)生熔融甚至氣化，部分熔融物濺射出坑外，部分熔融物以層狀分布于瞬時坑的內壁和底部，其規(guī)模和沖擊強度成正比(Grieveetal., 1977)。由于瞬時坑內壁較陡，內壁上的強烈沖擊變質物質會在重力作用下向坑底垮塌。這些垮塌物質與坑底物質混合后，在坑底附近形成含強烈沖擊變質物質的含熔體角礫巖。岫巖隕石坑的含熔體角礫巖位于鉆孔巖芯260～295m區(qū)間，也就是坑底附近，類似現(xiàn)象在Lonar、Barringer、West Hawk Lake、Brent等簡單隕石坑也有出現(xiàn)(Denceetal., 1977; Dence, 2004; Short, 1970)。除了岫巖隕石坑的真實底部，在坑內壁的目前底部位置也有少量含熔體角礫巖出露(圖2)，兩者高差約320m。這說明含熔體角礫巖沿著坑底層狀分布，以真實坑底為下界線，目前坑底為上界線，最大厚度30m，往兩邊延伸變薄。這個推測也和實驗模擬結果一致(Yue and Di, 2017)。岫巖隕石坑的含熔體角礫巖應該是準原位產(chǎn)出，而不是撞擊濺射物回落到坑內。一是因為撞擊濺射物大部分都落到坑外，回落到坑內的極少(Artemievaetal., 2013)；二是因為熔融濺射物在空中淬火會形成特殊的空氣動力學外形。此外，岫巖隕石坑含熔體角礫巖的巖屑比例較低(<50%)且粒徑大都小于0.5cm，礦物沖擊變質程度高，以及巖性多樣性(片麻巖、角閃巖、斜長角閃巖、變粒巖、碳酸鹽巖等)，反應了成巖物質的廣泛來源和強烈沖擊變質歷史。而發(fā)現(xiàn)于撞擊角礫巖單元上部位置的玄武質角礫巖和復成分巖屑角礫巖，則主要是沖擊程度弱一些的坑緣物質垮塌形成，瞬時坑坑緣向坑內的垮塌也使得隕石坑的直徑增大，坑緣高度降低。玄武質角礫巖和復成分巖屑角礫巖發(fā)現(xiàn)于鉆孔巖芯135m和140m處，說明形成兩者的巖屑來源于距離坑底約150m以上的位置。

此外，從岫巖隕石坑的鉆孔柱狀圖可以看出(圖2)，上部分角礫巖由玄武巖、角閃巖、片麻巖等組成，而下部分角礫巖主要由長英質巖類組成。在隕石撞擊成坑過程的挖掘階段，瞬時坑上部物質被拋射到坑外，下部物質無法被拋射到坑外，只能在坑內混合(French, 1998)。岫巖隕石坑角礫巖單元上下部分的差異，可能體現(xiàn)了該區(qū)域地表下不同深度的巖性差異。這也解釋了組成含熔體角礫巖和復成分巖屑角礫巖的地球化學和巖相學差異，即前者富SiO2和Al2O3(表1)，巖屑以長英質巖類(片麻巖、變粒巖、淺粒巖等)為主(圖5a)，而后者富Fe2O3和MgO(表1)，巖屑是玄武巖、角閃巖、片麻巖等(圖3a)。

4.3 與其它簡單隕石坑的對比

地球上簡單隕石坑的直徑一般小于4km(Dence, 2004)，形態(tài)為碗狀，坑內堆積有撞擊角礫巖，部分隕石坑還有湖泊沉積物覆蓋在角礫巖上。整個坑內撞擊角礫巖單元一般呈透鏡體狀，中心厚，往邊緣逐漸變薄。根據(jù)地球撞擊坑數(shù)據(jù)庫結果(http://www.passc.net/EarthImpactDatabase/index.html)，目前已發(fā)現(xiàn)的直徑小于4km的隕石坑有64個，其中出露地表且被鉆探的有18個，再排除被強烈風化侵蝕的隕石坑，僅剩6個隕石坑有較為可靠的直徑(D)、真實深度(d，即坑緣最高點到角礫巖單元底部的高差)、角礫巖厚度(B，即角礫巖單元的中心厚度)等數(shù)據(jù)作對比研究(表3和圖7)。

表3 六個典型簡單坑的尺寸比較

圖7 真實深度與直徑關系圖(a)及角礫巖厚度與直徑關系圖(b)

從表3中可以看出，簡單坑的真實深度是其直徑的0.248～0.356倍。投圖擬合后，兩者具有良好的線性關系：d真實深度=0.272D直徑，相關系數(shù)平方(R2)達0.987(圖7a)。隕石撞擊成坑過程，本質上是高速運動(～15km/s)的隕石瞬間釋放其動能(即1/2mv2)(Melosh, 1989)，因此隕石坑的直徑和深度差異，反應的就是隕石撞擊體的速度和質量差異。當然，撞擊區(qū)靶巖對深度也有影響，靶巖為結晶巖的隕石坑，其真實深度略小于沉積巖為靶巖的隕石坑，前者真實深度是直徑的平均約0.28倍，后者真實深度平均約0.3倍直徑(表3)。岫巖隕石坑的基巖是片麻巖、角閃巖、麻粒巖等變質巖(圖1)，屬于結晶巖，其真實深度是直徑的0.275倍，與上述結果吻合。Kalkkop隕石坑的深度較小，原因是其地貌為一片平坦地形，坑緣已被侵蝕破壞(Reimoldetal., 1998)。從表3也可以看出風化侵蝕對真實深度的影響，Kalkkop、Saltpan、Lonar的形成年齡顯著大于Kamil、Barringer、Xiuyan，造成前三者的d/D為0.248～0.279，而后三者的d/D為0.275～0.356。也就是說，年輕隕石坑受到的侵蝕更小，坑緣更高，因而具有更大的真實深度。

隕石坑內的撞擊角礫巖單元主要由瞬時坑的坑壁和坑緣向坑中心垮塌堆積形成。對于簡單隕石坑，坑內撞擊角礫巖的厚度是直徑的0.094～0.133倍(表3)。不同隕石坑的角礫巖厚度差距較大，角礫巖厚度與直徑的R2為0.937，兩者關系式為B角礫巖厚度=0.117D直徑(圖7b)。岫巖隕石坑的撞擊角礫巖厚度是188m(0.104倍直徑)，而與之類似的印度Lonar隕石坑的撞擊角礫巖厚度是235m(0.128倍直徑)。兩個隕石坑的真實深度相似，但角礫巖厚度差別較大。我們認為，造成角礫巖厚度差距的原因是岫巖坑形成在丘陵區(qū)域，瞬時坑的濺射物無法大量堆積在坑緣附近，從而造成改造階段從坑壁和坑緣垮塌到坑底的物質較少。此外，Saltpan隕石坑的角礫巖厚度也比較薄。Reimoldetal.(1992)認為，Saltpan隕石坑尺寸小，而且形成在花崗巖區(qū)域，是造成其撞擊角礫巖較少的主要原因。從上述可見，影響角礫巖厚度的因素比真實深度多，因此角礫巖厚度與直徑的相關性(R2=0.937)小于真實深度與直徑的相關性(R2=0.987)。

5 結論

(1)岫巖隕石坑是一個簡單隕石坑，其直徑1800m，真實深度495m，真實深度與直徑的比值為0.275，符合簡單隕石坑的尺寸特征。

(2)隕石坑內堆積了大量松散的撞擊成因角礫，整個撞擊角礫巖單元呈透鏡體狀，中心厚度為188m。撞擊角礫巖厚度與直徑之比為0.104，略低于其它簡單坑，可能是受丘陵地形影響導致改造階段垮塌到坑內的巖石角礫偏少。

致謝感謝兩位審稿人及本刊俞良軍編輯對本文的審閱，并提出寶貴的修改意見，作者從中獲益匪淺。