我國在南極格羅夫山發(fā)現(xiàn)的首塊古銅鈣長無球粒隕石(GRV 150277)及其外源碎屑研究*

張川統(tǒng) 王瀟銳 繆秉魁** 夏志鵬 陳國柱

1. 桂林理工大學(xué)，行星地質(zhì)演化廣西高校重點實驗室，隕石與行星物質(zhì)研究中心，桂林 541006 2. 桂林理工大學(xué)，廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點實驗室，桂林 541006

作為太陽系最早經(jīng)歷巖漿演化且小行星帶現(xiàn)存最大的石質(zhì)分異型小行星——灶神星是當前國際深空探測的熱點研究對象(Roig and Nesvorny, 2020; Marchi, 2021; Parekhetal., 2021; Zainetal., 2021; Schenketal., 2022)，它也是唯一一顆具有特定類型隕石對應(yīng)的小行星(McCoyetal., 2015; Thangjametal., 2016; Zhangetal., 2019)。反射光譜研究表明Howardite-Eucrite-Diogenite(HED)族隕石——收集數(shù)量最多的石質(zhì)分異型隕石，極有可能來自灶神星(Reddyetal., 2012a; Burattietal., 2013; McSweenetal., 2013; Giebneretal., 2016)。因此，HED族隕石是了解和探索灶神星，乃至類地行星與太陽系早期分異和演化歷史的重要研究對象(郭壯等, 2019; Boujibaretal., 2020; Jourdanetal., 2020; Liuetal., 2020; Patzeketal., 2020; Zhangetal., 2020, 2021;張川統(tǒng)等, 2021a, b)。

灶神星具有較大的面容比(表面積/體積)及較低的放射性元素濃度，因而在早期分異過程后快速冷卻，其巖漿活動在太陽系形成后約100Myr內(nèi)即已停止(Wadhwaetal., 2006; Jourdanetal., 2020)，而后撞擊作用便主導(dǎo)了灶神星的地質(zhì)形貌及演化進程(Osinski and Pierazzo, 2012)。2012年美國NASA發(fā)射的“黎明號”探測器，對灶神星進行了迄今最為全面和系統(tǒng)的遙感觀測，并發(fā)現(xiàn)其表面覆蓋了一層約數(shù)百米厚的疏松物質(zhì)層，它們是數(shù)十億年來灶神星經(jīng)歷的各種撞擊的產(chǎn)物(McCordetal., 2012)。至此，灶神星表面物質(zhì)組成與演化便一直是國際灶神星研究的熱點與前沿(Warrenetal., 2009; Cartwrightetal., 2013; Lunningetal., 2016; Gregoryetal., 2017)。然而，目前對灶神星表土層的研究仍存在嚴重不足與爭議：(1)灶神星表面分布有大量的暗色區(qū)域，但對其物質(zhì)組成與成因有三種不同的解釋(Jaumannetal., 2014)；(2)灶神星表層經(jīng)歷了復(fù)雜的巖漿作用、熱變質(zhì)與撞擊過程，這使得對其演化歷史的解讀存在多解性(Iizukaetal., 2015; Roszjaretal., 2016; Liao and Hsu, 2017)。因此，弄清灶神星表土層物質(zhì)組成與演化歷史是亟待解決的重大科學(xué)問題。

步入21世紀以來，我國行星科學(xué)領(lǐng)域取得了重要進展，這與中國南極格羅夫山隕石的大量回收息息相關(guān)(琚宜太等, 2000; 陳晶等, 2001; 繆秉魁等, 2002, 2021; 林楊挺等, 2013)。自1998年以來，中國南極科考隊已在格羅夫山收集隕石一萬余塊，使我國一躍成為僅次于美國及日本的南極隕石大國。然而，我國在HED族隕石收集數(shù)量及類型上卻遠不及美日兩國豐富(Miaoetal., 2018; 夏志鵬等, 2018)。由鈣長輝長無球粒隕石(Eucrite)、奧長古銅無球粒隕石(Diogenite)和古銅鈣長無球粒隕石(Howardite)構(gòu)成的HED族隕石是探究太陽系及行星/小行星演化歷史的主要對象(McSweenetal., 2014; Mittlefehldt, 2015)。這其中，Eucrite隕石為玄武質(zhì)噴出巖或淺層侵入巖，Diogenite隕石為深層火成巖；而與這兩種隕石不同，Howardite隕石是前兩者在灶神星表層遭受復(fù)雜的撞擊混合作用而形成的，故而是研究灶神星表層演化的重要對象(Warrenetal., 2009; Cartwrightetal., 2013, 2014)。國際上通過對南極HED族隕石的研究已經(jīng)構(gòu)建了灶神星形成和演化方面的基本理論模型，并在解析太陽系早期演化、行星分異過程、巖漿作用和撞擊歷史等方面取得了極為重要和豐富的研究成果(Jourdanetal., 2020; Liuetal., 2020; Kumler and Day, 2021; McCubbinetal., 2021; Mittlefehldtetal., 2022)。與之對比，中國目前僅確認收集了3塊格羅夫山Eucrite隕石，也即GRV 99018 (Linetal., 2004)、GRV 051523 (Liuetal., 2009)與GRV 13001 (Zhangetal., 2021)，這限制了我國在南極HED族隕石研究領(lǐng)域的影響力。特別是由于缺少南極Howardite隕石的研究成果，嚴重影響了我們對于灶神星表土層物質(zhì)組成與演化這一國際熱點科學(xué)問題的解讀與貢獻。

GRV 150277是我國南極科考隊在2016年搜集到的一塊格羅夫山隕石，本次研究確認其由近乎等比例的Diogenite和Eucrite隕石碎屑組成，從而確定該隕石為中國南極首塊Howardite隕石。這一發(fā)現(xiàn)為我們提供了研究灶神星表面物質(zhì)組成與演化歷史的極佳對象。在該隕石內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的鐵隕石及CM型隕石碎屑，對于理解灶神星復(fù)雜的表層過程具有重要的啟示作用，相關(guān)數(shù)據(jù)也為我國未來小行星探測任務(wù)提供了必要的信息支持。

1 樣品處理及分析流程

本次工作光薄片制作、巖石學(xué)觀察及化學(xué)成分分析在桂林理工大學(xué)隕石與行星物質(zhì)研究中心完成。用尼康(NIKON ECLIPSE)100POL高級光學(xué)顯微鏡觀察隕石結(jié)構(gòu)及礦物組成等，通過JEOL JXA-8230電子探針測定礦物化學(xué)成分。電子探針工作電壓15kV，電子束20nA，束斑直徑3μm，測試時間4min。定量分析采用中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所所制國家標準樣品，其硅酸鹽礦物和氧化物為天然礦物標樣，分析結(jié)果用ZAF方法(原子序數(shù)、吸收效應(yīng)及熒光效應(yīng))校正。電子探針測試標樣元素的檢測限如下：Si、Mg和Fe元素的標樣為橄欖石，檢測限分別為130×10-6、119×10-6和154×10-6；Na和Al元素的標樣為鈉長石，檢測限分別為63×10-6和47×10-6；Ca元素標樣為硅灰石，檢測限為91×10-6；Cr元素標樣為氧化鉻，檢測限為259×10-6；V元素標樣為釩酸鈣，檢測限為281×10-6；Ti元素為金紅石，檢測限為294×10-6；K元素標樣為金云母，檢測限為31×10-6；Mn元素標樣為氧化錳，檢測限為104×10-6。此外，將GRV 150277隕石光薄片送至中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所月球與行星科學(xué)研究中心，利用FEI Scios雙束掃描電子顯微鏡，完成了1000倍高分辨率背散射全拼圖自動拼合工作，同時進行了礦物定性分析。

2 巖石學(xué)及礦物學(xué)特征

GRV 150277隕石由中國第32次南極科學(xué)考察隊隊員李金雁于2016年1月1日在格羅夫山二號碎石帶藍冰區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)，搜集處精確的經(jīng)緯度坐標為72°56′7″S、75°17′5″E，樣品野外編號為LJY001，原石重約3.04g。該隕石手標本粒徑約1.6×0.7×1.2cm，內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，破碎面明顯可見角礫結(jié)構(gòu)，且約占樣品表面10%的區(qū)域殘留有黑色熔殼(圖1)。此外，隕石原石靠近手持磁棒時，少數(shù)區(qū)域顯示出有極其微弱的磁性存在。

圖1 GRV 150277隕石手標本左側(cè)黑色立方塊邊長為1cmFig.1 Hand specimen of GRV 150277 meteoriteThe black cube at the left is 1cm in length

利用電子探針及掃描電鏡對GRV 150277隕石進行高分辨率顯微觀察，可發(fā)現(xiàn)隕石整體呈現(xiàn)明顯的角礫結(jié)構(gòu)，不同粒徑的角礫或碎屑充填在細粒基質(zhì)中(圖2)。光薄片兩側(cè)邊緣局部可見熔殼存在(圖3a, b)，其內(nèi)富含大小不一的球形氣泡存在(圖3c, d)。隕石內(nèi)礦物顆粒表面明顯破碎，部分角礫還存在著熔融結(jié)構(gòu)，這些特征表明該隕石經(jīng)歷了強烈的撞擊作用。此外，GRV 150277中未發(fā)現(xiàn)有顯著的風(fēng)化浸染現(xiàn)象，表明該隕石僅遭受了微弱的地球風(fēng)化作用影響。GRV 150277主要由低鈣輝石構(gòu)成，輝石顆粒表面普遍可見有裂隙分布，局部輝石內(nèi)部還包裹有不規(guī)則或粒狀斜長石，熔融結(jié)構(gòu)內(nèi)輝石顆粒邊緣圓化，顯示出明顯的消融現(xiàn)象。GRV 150277次要礦物為斜長石、高鈣輝石和SiO2相礦物。斜長石呈現(xiàn)半自形-自形外形，高鈣輝石主要以出溶片晶的形式賦存于低鈣輝石內(nèi)部，SiO2相礦物主要以粒狀或不規(guī)則外形存在于輝石及斜長石內(nèi)部或間隙。此外，部分角礫內(nèi)也發(fā)現(xiàn)有少量鉻鐵礦、鈦鐵礦等不透明礦物存在，甚至極少數(shù)疑似外源角礫內(nèi)還存在著較大粒徑的Fe-Ni金屬以及隕硫鐵(詳情見下文及章節(jié)3.2討論)。

圖2 GRV 150277隕石背散射全景圖Fig.2 The backscattered electron (BSE) panoramic images of GRV 150277 meteorite

圖3 GRV 150277隕石熔殼結(jié)構(gòu)(a)隕石光薄片左側(cè)殘余熔殼；(b)光薄片右側(cè)較完整熔殼結(jié)構(gòu)；(c)和(d)分別為(b)圖中虛線框及點陣框放大圖. 白色虛線為熔殼界線Fig.3 The fusion crust of GRV 150277 meteorite(a) residual fusion crust on the left side of the meteorite section; (b) the relatively complete fusion crust texture on the right side of the section; (c) and (d) are the enlarged images of the dotted box and lattice frame in (b), respectively. The white dotted lines are the boundary of fusion crust

GRV 150277隕石中富含各種類型的角礫或碎屑，但主要可分為六類：

(1)由大粒徑(可達厘米級)的低鈣輝石組成的角礫(圖4a)。這些角礫礦物組合較為單一，除低鈣輝石外，僅存在極少量的微米級高鈣輝石等礦物，且低鈣輝石顯著富鎂，具有較大的Mg#值(可達65以上)。

圖4 GRV 150277隕石中不同類型HED族隕石角礫(a) diogenite隕石角礫；(b) cumulate eucrite隕石角礫；(c) basaltic eucrite隕石角礫. Low Py-低鈣輝石; High Py-高鈣輝石;Pl-斜長石Fig.4 Different types of HED clasts in GRV 150277 meteorite(a) diogenitic clast; (b) cumulate eucritic clast; (c) basaltic eucritic clast. Low Py-low-calcium pyroxene; High Py-high-calcium pyroxene; Pl-plagioclase

(2)主要由中等粒徑(毫米級)低鈣輝石組成的角礫。角礫內(nèi)部亦可見較寬的高鈣輝石出溶片晶存在(圖4b)，斜長石也是其常見的組成礦物。但這些角礫中低鈣輝石富鎂程度明顯低于前一種角礫，具有中等范圍的Mg#值(一般低于60)。

(3)由較小粒徑(數(shù)十至數(shù)百微米)礦物組成的角礫。這些角礫主要組成礦物為低鈣輝石、斜長石、高鈣輝石及SiO2相(圖4c)，且高鈣輝石出溶片晶寬度顯著偏窄。與前兩種角礫相比，這些碎屑內(nèi)低鈣輝石較為富鐵，具有較小的Mg#值(常小于45)。

(4)富Fe-Ni金屬角礫。這些角礫除了含有輝石、斜長石和SiO2相等礦物外，亦可見大粒徑的Fe-Ni金屬及隕硫鐵存在(圖5a)。

圖5 GRV 150277隕石含金屬顆粒角礫(a)含F(xiàn)e-Ni金屬角礫；(b)熔融重結(jié)晶角礫；(c)為(b)圖中虛線框放大圖. Ka-鐵紋石; Tr-隕硫鐵Fig.5 The metal-bearing clasts in GRV 150277 meteorite(a) Fe-Ni metal-bearing clast; (b) melting-recrystallized clast; (c) is the enlarged images of the dotted box in (b). Ka-kamacite; Tr-troilite

(5)熔融重結(jié)晶角礫。主要由小粒徑(數(shù)十微米以下)重結(jié)晶基質(zhì)構(gòu)成，并分散分布有未完全熔融的硅酸鹽礦物和金屬顆粒，前者主要為低鈣輝石，后者為Fe-Ni金屬及隕硫鐵(圖5b, c)。

(6)蝕變角礫。這些角礫主要由羥鎂硫鐵礦-綠錐石集合體(TCI)及層狀硅酸鹽等組成，顯示出較為顯著的含水蝕變現(xiàn)象，與周圍輝石、斜長石等主要硅酸鹽礦物相比，其明顯富集Fe、Ni及S等元素(圖6)，可能與硫化物(磁黃鐵礦及鎳黃鐵礦)有關(guān)。

圖6 GRV 150277隕石蝕變角礫除背散射圖像外，對此角礫進行了Si、P、Fe、Ni、S、Mg、Na和Ca成分面掃描分析. 圖中越亮區(qū)域表示其越富集對應(yīng)元素，黑色區(qū)域表示其幾乎不含相應(yīng)元素Fig.6 The altered clast in GRV 150277 meteoriteIn addition to the backscattered images, the Si, P, Fe, Ni, S, Mg, Na and Ca compositional mapping analysis were performed on this clast. The brighter area in the figure indicates that the corresponding element is more enriched, and the black area indicates that it contains almost no corresponding element

圖7 GRV 150277隕石與地球火成巖及太陽系主要巖漿巖輝石Fe/Mn比值與長石An值對比Earth-地球火成巖；Moon-月球返回樣品及月球隕石；Mars-火星隕石；Angrite-鈦輝無球粒隕石；數(shù)據(jù)來自Papike et al. (2003)Fig.7 Fe/Mn of pyroxene and An values of feldspars in the terrestrial rocks (Earth), lunar sample (Moon), Martian meteorite (Mars), HEDs, angrite (Angrite) and GRV 150277 (data from Papike et al., 2003)

最后，在綜合考慮實驗成本與樣品代表性角度出發(fā)，本次工作從GRV 150277隕石光薄片中選取了22個代表性角礫或碎屑進行礦物化學(xué)成分分析(表1)，同時也一并測試了該隕石熔殼及特殊角礫的化學(xué)組成。測試結(jié)果表明這些角礫或碎屑中低鈣輝石具有均勻的Fe/Mn比值，約為26.1～31.7，但Mg#值范圍極大，從富鐵的34.1變化至富鎂的82.1。根據(jù)輝石成分分類體系，這些角礫內(nèi)輝石主要為斜頑輝石、斜紫蘇輝石和易變輝石。此外，GRV 150277隕石斜長石礦物成分較為均勻，其化學(xué)組成為An90.3±3.7Or0.4±0.3Ab9.3±3.5。

3 討論

3.1 隕石類型劃定

GRV 150277隕石具有殘余熔殼和典型的角礫結(jié)構(gòu)，主要由輝石、斜長石和SiO2相組成，這些特征表明其是一塊典型的火成分異型隕石。目前太陽系已發(fā)現(xiàn)的巖漿巖主要有火星隕石、月球樣品、HED族隕石、鈦輝無球粒隕石和地球火成巖(Hutchison, 2004; Weisbergetal., 2006)。由于這些巖石在不同的結(jié)晶環(huán)境下形成，其經(jīng)歷的溫度、壓力和氧逸度等具有差異，因此其主要結(jié)晶礦物(如輝石和長石)具有可分辨的化學(xué)組成特征，根據(jù)這些特征可區(qū)分出不同類別的火成分異型隕石或巖石(Papike, 1998a; Papikeetal., 2003)。GRV 150277隕石薄片中輝石平均Fe/Mn比值為28.8±1.6，斜長石An值為90.3±3.7，完全落在HED族隕石輝石Fe/Mn值(30±4)和斜長石An值(87±4)范圍之內(nèi)(圖7)。

另一方面，由于太陽星云分餾或初始吸積物質(zhì)的不同，使得小行星或行星形成后具有不同的鐵錳組成。Fe和Mn是相鄰元素，因此二價Fe和Mn陽離子具有相一致的離子半徑，因而在超鐵鎂質(zhì)-鐵鎂質(zhì)巖漿演化體系中幾乎不發(fā)生分餾，也即在行星分異過程中不同星體的硅酸鹽體系保留了特定的Fe/Mn比值，因此同一母體隕石的鐵鎂礦物的Fe/Mn比值應(yīng)相同(Papike, 1998a; Papikeetal., 2003; Mittlefehldt, 2005)。GRV 150277隕石輝石Fe/Mn數(shù)據(jù)點幾乎均沿著HED族隕石趨勢線分布(圖8a)。此外，GRV 150277隕石輝石MnO-(FeO/MnO)成分也完全落在HED族隕石范圍之內(nèi)(圖8b)。

圖8 GRV 150277隕石與太陽系主要巖漿巖礦物成分對比(a)輝石Fe與Mn元素含量對比；(b)輝石MnO含量-FeO/MnO. 地球火成巖(Earth)、月球樣品(Moon)、火星隕石(Mars)、鈦輝無球粒隕石(Angrite)和HED族隕石的輝石(pyroxene)和長石(feldspars)成分來自Basaltic Volcanism Study Group (1981)、Mittlefehldt (2015)、Papike (1998a)和 Papike et al. (2003). M Clast 1-富Fe-Ni金屬角礫; M Clast 2-熔融重結(jié)晶角礫; M Clast 3-蝕變角礫(后圖同)Fig.8 Comparison of the minerals chemical compositions of terrestrial rocks (Earth), lunar sample (Moon), Martian meteorite (Mars), HEDs, angrite (Angrite) and GRV 150277(a) Fe vs. Mn of pyroxene; (b) FeO/MnO vs. MnO of pyroxene. Literature data of pyroxene and feldspars from Basaltic Volcanism Study Group (1981), Mittlefehldt (2015), Papike (1998a) and Papike et al. (2003). M Clast 1: Fe-Ni metal-bearing clast; M Clast 2: melting-recrystallized clast; M Clast 3: altered clast (the same in the following figures)

HED族隕石包括Eucrite、Diogenite和由前兩者撞擊形成的混合產(chǎn)物Howardite。Diogenite隕石在巖漿演化早期結(jié)晶(富鎂)，位于母體小行星幔部；Eucirte隕石是巖漿晚期結(jié)晶的產(chǎn)物(富鐵)，位于母體小行星殼部，又可進一步細分為深成堆晶型(Cumulate)Eucrite以及淺成/噴出玄武質(zhì)(Basaltic)Eucrite (McSweenetal., 2014; Mittlefehldt, 2015)。由于結(jié)晶條件的不同，使得從Diogenite到Cumulate Eucrite最后到Basaltic Eucrite，其鐵鎂質(zhì)礦物(如低鈣輝石)成分逐漸從富鎂端元過度至富鐵端元。Mg#值很好地反映了低鈣輝石成分變化，其從Diogenite的68～82過渡到Cumulate Eucrite的50～65，最終降低至Basaltic Eucrite的32～45 (Mittlefehldt, 2015)。在輝石成分四元圖中，GRV150277隕石數(shù)據(jù)點散落在Diogenite、Cumulate Eucrite和Basaltic Eucrite三類隕石區(qū)域之內(nèi)(圖9)。同時，GRV 150277隕石低鈣輝石Mg#值為34～82，亦散落在Diogenite、Cumulate Eucrite和Basaltic Eucrite隕石區(qū)域中(圖10)，且這三種角礫的數(shù)量比例大約為50:14:36。

圖9 GRV 150277隕石與HED族隕石輝石Fe-Mg-Ca成分四元圖對比HED族隕石數(shù)據(jù)來自Mittlefehldt (2015)；HED族隕石中CM隕石角礫數(shù)據(jù)來自Patzek et al. (2018)Fig.9 Comparison of Fe-Mg-Ca chemical compositions of low-Ca pyroxene in HED meteorites and GRV 150277The compositions of HED meteorites and CM chondritic clasts in HEDs from Mittlefehldt (2015) and Patzek et al. (2018)

圖10 GRV 150277隕石與HED族隕石低鈣輝石Mg#值頻率分布直方圖HED族隕石數(shù)據(jù)來自Mittlefehldt (2015)Fig.10 Histograms of low-Ca pyroxene Mg# in HED meteorites and GRV 150277The compositions of HEDs from Mittlefehldt (2015)

復(fù)礦碎屑角礫巖HED族隕石和Howardite隕石均是Eucrite隕石和Diogenite隕石的混合產(chǎn)物，但它們的混合比例不同(Mittlefehldt, 2015)。以10vol%和90vol%為分界線，分為3類：(1)主要由不同Diogenite隕石碎屑(>90vol%)組成的角礫巖為復(fù)礦碎屑Diogenite隕石；(2)主要由不同Eucrite隕石碎屑(>90vol%)組成的角礫巖為復(fù)礦碎屑Eucirte隕石；(3)由中間比例(10vol%～90vol%)的Diogenite隕石碎屑和Eucrite隕石碎屑組成的復(fù)礦碎屑角礫巖為Howardite隕石。GRV 150277隕石中Diogenite隕石碎屑和Eucrite隕石碎屑近似等比例存在，因此確定其為我國南極格羅夫山第一塊Howardite隕石。

3.2 外源碎屑物質(zhì)

雖然GRV 150277隕石中絕大部分角礫為各種類型的Diogenite、Cumulate Eucrite和Basaltic Eucrite隕石碎屑或物質(zhì)(圖2、圖4)，但富Fe-Ni金屬角礫(圖5a)、熔融重結(jié)晶角礫(圖5b, c)和蝕變角礫(圖6)的礦物組成和化學(xué)成分明顯與正常的HED族隕石不同，下面將討論這些角礫是否為外源非HED族隕石物質(zhì)，并判斷其可能來源。

3.2.1 富Fe-Ni金屬角礫(鐵隕石碎屑)

富Fe-Ni金屬角礫(以M Clast 1為例)除了含有輝石、斜長石和SiO2相礦物等正常HED族隕石所構(gòu)成的礦物外，還含有較大粒徑的Fe-Ni金屬及隕硫鐵，其中Fe-Ni金屬主要為鐵紋石(圖5a)。HED族隕石為巖漿分異結(jié)晶的產(chǎn)物，故基本不含親鐵元素如Ni等，雖然少數(shù)非角礫巖化Eucrite隕石也含有大粒徑的單質(zhì)Fe，但這些金屬Ni含量極低(近乎為0)，不可能為鐵紋石(Mayneetal., 2009)。因而，M Clast 1中Fe-Ni金屬應(yīng)該是外來物質(zhì)撞擊灶神星帶來的，也即這些角礫應(yīng)該為外源非HED族隕石物質(zhì)，下面將討論其可能來源。

3.2.1.1 普通球粒隕石碎屑？

考慮到鐵紋石是普通球粒隕石常見礦物，我們首先探討M Clast 1母源物質(zhì)是否為普通球粒隕石。然而，M Clast 1低鈣輝石Fs值約為46～54(表1)，顯著偏離了普通球粒隕石約15.7～25.7的范圍(Rubin, 1990; Brearley and Jones, 1998)。此外，M Clast 1中硅酸鹽礦物明顯經(jīng)歷了巖漿分異，而普通球粒隕石為未分異型隕石。因此，M Clast 1母源物質(zhì)不可能是普通球粒隕石。

圖11 GRV 150277隕石與HED族隕石低鈣輝石Fe/Mn-Fe/Mg比值對比(b)圖為(a)圖中虛線框的區(qū)域放大圖. HED族隕石數(shù)據(jù)來自Mittlefehldt (2015)；中鐵隕石數(shù)據(jù)來自Papike (1998b)；HED族隕石中CM隕石角礫數(shù)據(jù)來自Patzek et al. (2018)Fig.11 Comparison of Fe/Mn vs. Fe/Mg of low-Ca pyroxene in HED meteorites and GRV 150277(b) as the enlarged images of the dotted line box in (a). The data of HEDs, Mesosiderite and CM chondritic clast in HED from Mittlefehldt (2015), Papike (1998b) and Patzek et al. (2018), respectively

3.2.1.2 中鐵隕石碎屑？

M Clast 1含有Fe-Ni金屬及火成硅酸鹽，且輝石Fe-Mn比值以及MnO-FeO/MnO含量比等與HED族隕石一致(圖8、圖9)，這恰好與中鐵隕石礦物組成相符(Hutchison, 2004; Weisbergetal., 2006)。但中鐵隕石與HED族隕石的輝石Fe/Mn-Fe/Mg比值分布區(qū)域不同(圖11)，故而可以根據(jù)低鈣輝石Fe/Mn與Fe/Mg比值來區(qū)分這兩類隕石(Yamaguchietal., 2017)。圖中M Clast 1低鈣輝石完全落在HED族隕石區(qū)域內(nèi)，明顯偏離了中鐵隕石范圍，表明M Clast 1角礫中硅酸鹽礦物不太可能來自中鐵隕石，也即其母源物質(zhì)不是中鐵隕石。

3.2.1.3 鐵隕石碎屑？

排除了普通球粒隕石和中鐵隕石的可能性后，M Clast 1最可能的母源物質(zhì)為鐵隕石，其內(nèi)含硅酸鹽為鐵隕石物質(zhì)熔融流動過程中混入的HED族隕石碎屑，M Clast 1中部分硅酸鹽顯示出明顯的熔融燒蝕特征也支持此觀點。實際上，前人的確在少數(shù)Eucrite隕石中發(fā)現(xiàn)有鐵隕石混入并熔融的現(xiàn)象，如EET 92023隕石，其亦含有Fe-Ni金屬和隕硫鐵，且硅酸鹽礦物成分與HED族隕石完全一致(Yamaguchietal., 2017)。當然，未來我們也將進一步對Fe-Ni金屬開展親鐵元素分析，從而精確確定鐵隕石類型。

3.2.2 蝕變角礫(CM型隕石碎屑)

蝕變角礫(以M Clast 3為例)存在羥鎂硫鐵礦-綠錐石集合體(TCI)，且明顯富集Fe、Ni及S等元素(圖6)，表現(xiàn)出較為顯著的水蝕變現(xiàn)象。此外，M Clast 3中輝石成分明顯偏離了HED族隕石范圍(圖8、圖9)，因而其很有可能是外源非HED族隕石物質(zhì)。

實際上，研究者的確已發(fā)現(xiàn)部分Howardite隕石中含有碳質(zhì)球粒隕石碎屑(Yesiltasetal., 2019; Liuetal., 2020; Patzeketal., 2020)，反射光譜研究也觀察到灶神星表面存在大面積的暗色物質(zhì)區(qū)域，其可能與CM等碳質(zhì)球粒隕石有關(guān)(McCordetal., 2012; Cartwrightetal., 2013)。對比M Clast 3與Howardite隕石已知CM角礫的低鈣輝石化學(xué)組成，可發(fā)現(xiàn)兩者非常接近(圖9、圖11)。此外，M Clast 3中存在的羥鎂硫鐵礦-綠錐石集合體(TCI)是Howardite隕石中CM角礫的標志性礦物，而Cl碎屑主要由層狀硅酸鹽、磁鐵礦、硫化物以及少量碳酸鹽、磷酸鹽和鉻鐵礦組成(Patzeketal., 2020; Lentfortetal., 2021)。因此，M Clast 3母源物質(zhì)很有可能為CM碳質(zhì)球粒隕石。

3.2.3 熔融重結(jié)晶角礫

熔融重結(jié)晶角礫(以M Clast 2為例)主要由小粒徑重結(jié)晶基質(zhì)構(gòu)成，未完全熔融的硅酸鹽礦物和金屬顆粒隨機分散在基質(zhì)中，硅酸鹽礦物為低鈣輝石，金屬為Fe-Ni金屬及隕硫鐵(圖5b, c)。此外，雖然M Clast 2中絕大部分低鈣輝石落在HED族隕石范圍之內(nèi)，但部分礦物顆粒與Howardite隕石已知CM角礫的低鈣輝石化學(xué)成分相似(圖9、圖11)。因此，M Clast 2很有可能是CM碳質(zhì)球粒隕石及鐵隕石等外源物質(zhì)，在后期撞擊混入過程中，與撞擊區(qū)域周圍HED族隕石物質(zhì)混合熔融后局部重結(jié)晶形成的。

3.3 外源巖屑對灶神星表土層物質(zhì)組成及演化的啟示與展望

自Wilkening (1973)在howardite隕石Kapoeta中首次發(fā)現(xiàn)外源碎屑以來，來自灶神星表面的howardite隕石便已成為了研究HED族隕石及灶神星物質(zhì)組成與演化歷史的重要載體(Mittlefehldt, 2015)。隨后研究也的確在howardite隕石中發(fā)現(xiàn)了多種類型的外源碎屑，其主要為碳質(zhì)球粒隕石如CM隕石、Cl隕石及CV隕石碎屑(Zolenskyetal., 1992, 1996；Buchananetal., 1993)，但亦有普通球粒隕石、中鐵隕石和橄欖隕鐵碎屑等零星存在(Lorenzetal., 2007；Becketal., 2012)。2012年美國“黎明號”探測器觀測到灶神星表面存在大面積的暗色物質(zhì)區(qū)域，并證實其可能與外來隕石撞擊密切相關(guān)(Prettymanetal., 2012; Reddyetal., 2012b, c)。依據(jù)外源碎屑研究，目前已經(jīng)在灶神星原始物質(zhì)組成(Toplisetal., 2013)、氧同位素異常解析(Greenwoodetal., 2017; Zhangetal., 2019)、巖漿巖模型模擬(Righter and Drake, 1996, 1997；Mandler and Elkins-Tanton, 2013)、撞擊體溯源與運行狀態(tài)分析(Gounelleetal., 2003; McCordetal., 2012; Liuetal., 2020)等多個領(lǐng)域取得了重要成果。

作為我國南極格羅夫山首塊howardite隕石，本次研究發(fā)現(xiàn)GRV 150277隕石同時存在碳質(zhì)球粒隕石與鐵隕石碎屑，而常見含外源碎屑howardite隕石基本僅含有碳質(zhì)球粒隕石碎屑(Yesiltasetal., 2019; Patzeketal., 2020; Lentfortetal., 2021)，少數(shù)隕石也發(fā)現(xiàn)有普通球粒隕石等其它單類型隕石碎屑存在(Lorenzetal., 2007; Janotsetal., 2012; Yamaguchietal., 2017)。GRV 150277隕石同時存在多種類型的外源碎屑，表明灶神星經(jīng)歷的撞擊過程和表土層演化歷史更為復(fù)雜，至少在毫米區(qū)域內(nèi)便可以經(jīng)歷多次外來體撞擊與外源非灶神星物質(zhì)的混入，因而需要進一步的深入研究。未來將對GRV 150277隕石中的Fe-Ni金屬開展親鐵元素分析，并測定碳質(zhì)球粒隕石角礫的揮發(fā)分組成，從而獲得有關(guān)灶神星表土層物質(zhì)組成特征與演化歷史的原創(chuàng)性成果。

4 結(jié)論

(1)GRV 150277隕石可見熔殼存在，整體呈典型角礫結(jié)構(gòu)，其主要由Diogenite角礫、Cumulate Eucrite角礫和Basaltic Eucrite角礫組成，且Diogenite隕石碎屑和Eucrite隕石碎屑近似等比例存在，因此是我國在南極格羅夫山發(fā)現(xiàn)的首塊Howardite隕石。

(2)GRV 150277隕石含有的富Fe-Ni金屬角礫、蝕變角礫及熔融重結(jié)晶角礫與外源非HED族隕石物質(zhì)有關(guān)，其很有可能是鐵隕石及CM碳質(zhì)球粒隕石等外源物質(zhì)，在后期撞擊混入期間，與撞擊區(qū)域周圍HED族隕石物質(zhì)混合形成的。此外，多種類型的外源非HED族碎屑的發(fā)現(xiàn)表明，灶神星表土層經(jīng)歷的撞擊過程和熱活動更為復(fù)雜，其遭受了多種小行星撞擊，需要進一步的深入研究。

致謝本次所研究樣品由中國極地研究中心提供；中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所李陽研究員以及桂林理工大學(xué)謝蘭芳實驗師在樣品分析中提供了幫助；兩位匿名審稿人和編輯提出了建設(shè)性的修改意見；在此一并表示感謝。