南極GRV 022888和GRV 052408橄輝無球粒隕石的巖石礦物學特征及成因探討

黃婉 何琦 肖龍

（1中國地質大學（武漢）行星科學研究所，湖北 武漢430074；2湖北省鄂東南地質大隊，湖北大冶435100）

0 引言

橄輝無球粒隕石是迄今為止全世界回收量僅次于灶神星HED群的第二大類無球粒隕石，屬于超鎂鐵巖石組成，其礦物組成主要包括：橄欖石、輝石以及不透明的富碳填隙物。根據所含有的輝石種類可分為：橄欖石-易變輝石組合橄輝無球粒隕石、橄欖石-斜方輝石組合橄輝無球粒隕石和含普通輝石的橄輝無球粒隕石［1］，其中最常見的是橄欖石-易變輝石組合。橄輝無球粒隕石作為一種無球粒隕石，它的特殊性主要體現在其既具有高度分異特征同時又顯示原始性。粗粒的超鎂鐵質巖石結構、Sm-Nd同位素特征，全巖的親石元素特征［2-3］以及“V”型稀土元素分布模式［2，4］等特征暗示橄輝無球粒隕石母體極有可能經歷了廣泛的熔融過程［1］。然而其不均一的氧同位素組成、高含量的碳質以及行星型稀有氣體組成特征［5-6］在高度演化的行星體內很難保存，顯示其原始性［7］。作為兼具“原始”和“分異”兩種特性的橄輝無球粒隕石可能就是分異隕石和球粒隕石之間的過渡型［8］，因此它的形成和演化過程可能更具有獨特性。

因為其復雜的特征，所以對其成因模式有多種的解釋，主要包括有：多階段火成堆積模式［9］、熔融-沖擊熔融模式［10-11］、火山爆發成因模式［12］和星子碰撞成因模式［13］等，但是這些模型都只能合理地解釋部分特征，并沒有完滿地解決其成因問題。這些不同成因解釋和爭論的焦點主要集中在三方面［14］：母體的初始物質；巖漿堆晶作用形成還是部分熔融形成；金剛石的形成原因。這些用于成因解釋的模型可分為原始模型和火成模型兩類［15］。原始模型的代表為Takeda［13］提出的，橄輝無球粒隕石的母體物質由星云凝聚形成，然后在星子碰撞的早期通過高溫重結晶形成橄輝無球粒隕石。這個模型的有力支持來源于橄輝無球粒隕石中金剛石的氣相生長成因［16-17］，而氣相生長極有可能就是在星云凝聚過程中產生的［18］。同時橄輝無球粒隕石的氧同位素特征，也顯示出了與星云過程的密切關系。橄輝無球粒隕石的氧同位素組成落于碳質球粒隕石中富鈣鋁包體（CAI）線上［19］，這條線代表了太陽系與外太陽系物質的混合［19-21］。火成模型的代表是 Goodrich等［9］根據礦物化學和結構提出的多階段堆積模式。在這個模式中，橄輝無球粒隕石是從具有高于球粒隕石Ca／Al比值、缺乏長石的源區，經歷部分熔融（部分熔融程度＜10%）所形成的巖漿中結晶形成的。這個模型的問題在于，它暗示著橄輝無球粒隕石應該只是其原始物質中的一小部分，作為無球粒隕石的第二大類，與橄輝無球粒隕石成分互補的巖石種類卻沒有發現。火成模型中的另一種代表模式是將橄輝無球粒隕石直接作為部分熔融殘余物，是巖石直接經歷了約15%—25%的部分熔融形成［2，10，22-23］，這個模式可以更好地解釋“原始”和“分異”特征共存的現象，并且可以合理地解釋橄輝無球粒隕石的數量以及互補成分缺失的問題，但是從礦物組合（主體為粗粒的橄欖石和輝石）以及在粗粒的硅酸鹽礦物中存在面理和線理結構［12，24］等方面來看可能堆積模式更為符合。因此，橄輝無球粒隕石的成因仍需要更深入的研究。

本文對中國南極科考所收集到的2塊橄輝無球粒隕石（GRV 022888和GRV 052408）進行系統的礦物學、巖石學和地球化學研究，期望對橄輝無球粒隕石的起源和演化提供新的信息。

1 樣品與實驗方法

樣品GRV 022888和GRV 052408由國家海洋局中國極地研究中心提供。隕石巖相學鑒定是利用光學顯微鏡的反透射光進行初步的觀察，然后利用帶能譜的掃描電鏡進行顯微結構的觀察和礦物的初步判斷；礦物化學成分通過JEOL-JXA-8100電子探針進行測試，測試條件為：加速電壓15 kV、束流20 nA、電子束直徑1μm。分析標準為硅酸鹽礦物，測試數據采用ZAF法校正。上述分析測試工作都是在中國地質大學（武漢）地質過程與礦產資源國家重點實驗室完成的。

2 巖相學特征

隕石 GRV 022888，薄片大小約為 11 mm×10 mm，主要礦物為橄欖石（～98 vol%），富碳質不透明物質（～2 vol%），極少量輝石和金屬（圖1）。粗粒結構。橄欖石顆粒粗大，粒徑范圍在0.5—2 mm之間，以半自形為主，核部不規則裂紋極為發育（圖2），顆粒間裂隙發育，主要以富碳質填隙物和金屬氧化物充填。易變輝石極少，分布在樣品的邊部。橄欖石顆粒不見波狀消光，說明其沖擊程度很低。橄欖石顆粒間可見三聯點接觸（120°接觸角）（圖3）。橄欖石的還原邊結構極為明顯，背散射圖中中間核部呈現灰白色，邊部顏色較深為灰黑色（圖4），核部富鐵向外出現明顯的富鎂還原邊，還原邊內部有微細的金屬鐵顆粒分布，邊部金屬含量相較于核部明顯增加，還原邊的寬度可達1 mm及以上（圖1）。富碳質黑色區域大部分呈不規則形狀分布，與周圍的硅酸鹽礦物呈接觸關系，其余的則沿著礦物顆粒充填在裂隙中或者沿著裂隙進入礦物內。金屬沿著硅酸鹽邊界以脈狀出現，部分區域金屬或者金屬硫化物風化形成褐鐵礦。

圖1 GRV 022888全貌圖（BSE）Fig.1.Themosaic photograph of the BSE images of GRV 022888

圖2 GRV 022888橄欖石中極發育不規則裂紋（PPL）Fig.2.The irregular cracks in olivine of GRV 022888（PPL）

圖3 GRV 022888中橄欖石顆粒之間的平衡結構（BSE）Fig.3.120°junction between olivine grains，in GRV 022888（BSE）

圖4 GRV 022888橄欖石還原邊結構（BSE）Fig.4.The reduction rim in olivine of GRV 022888（BSE）

隕石 GRV 052408，薄片大小約為10 mm×8 mm，主要礦物組成包括：橄欖石（～60 vol%），輝石（～35 vol%），富碳質物質（～5 vol%）以及少量金屬（圖5）。粗粒結構，顆粒間有鐵的氧化物呈細脈分布，橄欖石以半自形-它形為主，輝石為它形，粒徑主要在0.5—1 mm之間，粒間接觸面較為彎曲，部分輝石中金屬含量較高（圖6）。根據橄欖石的還原邊所占顆粒大小百分比判斷隕石的還原程度，該隕石中橄欖石的還原程度與GRV 022888相似，還原邊較寬，說明兩者還原程度很高。背散射圖中核部與邊部的顏色區別明顯，核部顏色較淺呈現灰白色，邊部則加深呈現灰黑色。在輝石顆粒中不見這種環帶現象。富碳質填隙物主要呈不規則形狀分布，其余充填在橄欖石和輝石顆粒間或沿裂隙進入顆粒內。

圖5 GRV 052408全貌圖（BSE）Fig.5.Themosaic photograph of the BSE images of GRV 052408

圖6 GRV 052408它形輝石顆粒比橄欖石顆粒中金屬含量高（BSE）Fig.6.The contentofmetal in allotriomorphic pyroxene is higher than that in olivine，in GRV 052408（BSE）

這兩塊隕石中的金屬分布特征顯示一定的規律：在原粗粒橄欖石核部，金屬含量相對較少，顆粒也相對較小，而橄欖石邊部金屬含量則增加，顆粒也較大。輝石中均沒有出現出溶現象，意味著它經歷了快速的冷卻過程。

3 礦物化學

GRV 022888和GRV 052408中的橄欖石和輝石主要礦物化學成分電子探針數據分析結果見表1、表2以及表3。由表1可見，橄欖石成分變化范圍大，其中GRV 022888中橄欖石的SiO2含量為38.2 wt%—43.6 wt%，FeO含量為 1.1 wt%—20.5 wt%，MgO含量為39.3 wt%—55.1 wt%，Fa值變化范圍 Fa22.5—Fa1.1。表 2中，GRV 052408中橄欖石的SiO2含量為37.9 wt%—42.4 wt%，FeO含量為1.9 wt%—20.4 wt%，MgO含量為 39.4 wt%—54.9 wt%，Fa值變化范圍 Fa22.5—Fa1.9，整體上來看核部Fa的平均值普遍高于邊部，呈現反環帶結構。還原邊的最大Fo值分別達到98.9和98.1，相較于其他的橄輝無球粒隕石中最大的Fo值偏高。整體來看，這兩塊隕石中橄欖石核部的化學成分組成基本一致。從表3和表1中可見輝石成分變化不明顯，GRV 022888中測得輝石 Wo9.1En70.3Fs16.5，GRV 052408中輝石為 Wo5.8－9.3En65.8－70.4Fs16.8－20.6。GRV 022888和GRV 052408中輝石的其他元素中MnO、CaO、Cr2O3含量較高，GRV 052408中Cr2O3含量最高可達1.2 wt%，CaO含量最高達5.2 wt%，MnO含量最高約為0.4 wt%。GRV 022888中Cr2O3含量約為1.2 wt%，CaO含量約為11 wt%，MnO含量平均為0.4 wt%。

從橄欖石和輝石的 Mg＃-MnO，Mg＃-CaO、Mg＃-Cr2O3以及Mg＃-FeO*的相關性圖（圖7）中可以看出，輝石和橄欖石核部成分整體較為均一，Mg＃范圍基本一致，MnO含量基本相似，但是輝石的Cr2O3含量相對較高。同時，在GRV 022888的橄欖石數據中可看出，其核部數據相對集中，變化范圍較小，還原邊中當Mg＃約從90之后，MnO、CaO以及Cr2O3含量會明顯增加，在Mg＃達到95之后會出現較為復雜的變化，MnO和Cr2O3的含量會先降低然后升高，CaO的變化規律不明顯，但是這三者整體含量變化范圍增大。

表1 GRV 022888橄欖石和輝石電子探針分析結果Table 1.Electronicmicroprobe analysis of olivine and pyroxene of GRV 022888

表2 GRV 052408橄欖石探針分析結果Table 2.Electronic microprobe analysis of olivine of GRV 052408

表3 GRV 052408輝石探針分析結果Table 3. Electronic microprobe analysis of pyroxene of GRV 052408

圖7 GRV 022888和 GRV 052408中硅酸鹽礦物的 Mg＃-MnO，Mg＃-CaO、Mg＃-Cr2 O3以及 Mg＃-FeO*圖Fig.7.The Mg＃-MnO，Mg＃-CaO、Mg＃-Cr2 O3以及 Mg＃-FeO*of silicateminerals in GRV 022888 and GRV 052408

4 類型劃分

GRV 022888和GRV 052408這兩塊隕石均表現出典型的橄輝無球粒隕石的結構特征，主要包括：由粗粒橄欖石和易變輝石組成，顆粒間為富碳質的填隙物。作為典型橄輝無球粒隕石結構中常見的顆粒之間120°的平衡結構，在這兩塊隕石中相對較為少見，可能和其中較為強烈的還原作用有關。橄欖石均表現出明顯的反環帶結構，邊部相對富鎂而核部鐵含量較高。輝石成分較為均一，無明顯變化。在化學組成上，兩塊隕石中橄欖石的 MnO、CaO、Cr2O3含量相對較高。Berkley等［25］根據橄欖石核部的Fa值以及輝石的Fs值將橄輝無球粒隕石分為Ⅰ型（高鐵）、Ⅱ型（中鐵）和Ⅲ型（低鐵）三類（Ⅰ型Fa20.7－21.4，Ⅱ型 Fa14.9－16.4，Ⅲ型 Fa8.6），依據這種分類方案，這兩塊隕石均屬于Ⅰ型高鐵類。

5 成因探討

對于橄輝無球粒隕石的成因一直存在爭議。現階段最主要的兩種觀點：橄輝無球粒隕石是經過大約 15%—25%部分熔融的殘余物［2，10，22-23］，或是從缺乏斜長石的巖漿中經過堆晶作用而形成的［9，24-25］。一般認為橄輝無球粒隕石是堆晶作用形成而不是部分熔融的殘留，最有利的證據表現在巖石的結構上，即在粗粒的硅酸鹽礦物中存在面理和線理結構［12，24］等。但是實驗表明在熱壓縮試驗的殘余體中也能夠出現線理構造［26］，這也就意味著即使作為部分熔融的殘余物，在橄輝無球粒隕石中也有可能會出現這樣的結構特征。橄輝無球粒隕石稀土元素呈現“V”型分布，中稀土元素的高度虧損和明顯的 Eu的負異常等一些微量元素特征［9，24，27］，表明其母體可能經歷了不止一次的分異過程，并且與部分熔融的殘余成因較為一致。在部分熔融殘余體這種觀點中，除了在復礦橄輝無球粒隕石中發現有一些長石質碎屑外，作為與橄輝無球粒隕石成分互補的玄武質巖石組分暫時沒有發現，其可能的原因是，由于熔體中經過還原作用產生大量的 CO／CO［12，28］2，使熔體的浮力變得很大，因此不會停留形成巖漿房而是直接爆發式地噴出地表［29］，然后直接消失在太空中。從這兩塊隕石的具體特征來看，這些橄欖石-易變輝石組合的橄輝無球粒隕石，具有部分熔融的殘余物的巖石學特征，其同時期高含量的富碳質物質的出現，以及在亞固相條件下發生還原反應形成還原邊結構在堆晶模式中難以解釋，也與部分熔融的殘留物模型更為相符。

因為隕石中Fe、Mn、Mg含量和比值的變化可以反映行星體演化中源區物質、巖漿過程、金屬-硅酸鹽分異以及氧化還原狀態等信息［30］，本文將從這方面進行成因探討。從橄欖石剖面中的Mg-Fe-Mn變化關系（圖8，9）可見，橄欖石核部鐵含量明顯較高而鎂含量相對較低，邊部鎂含量會增高而鐵含量會相應降低，錳的含量與鎂含量的變化趨勢較為一致。Fe-Mg的變化是完全協同的，基本上是等比例甚至等含量變化，但是Fe-Mn的變化只是趨勢上是一個負相關關系，不是呈比例變化。

圖8 GRV 052408橄欖石剖面Mg-Fe-Mn含量變化Fig.8.Profile for the variation of Mg-Fe-Mn in olivine of GRV 052408

圖9 GRV 022888橄欖石剖面Mg-Fe-Mn含量變化Fig.9.Profile for the variation of Mg-Fe-Mn in olivine of GRV 022888

對橄輝無球粒隕石中最常見的反環帶還原邊結構，認為是橄欖石與碳質物質反應，形成金屬鐵顆粒和富鎂的橄欖石，其反應式可表示為：

但是Singletary等［31］在輝石顆粒內出現與輝石同期的金屬顆粒，但是在橄欖石顆粒中卻沒有相應金屬顆粒的發現，因此推斷這些輝石以及其中的金屬鐵顆粒可能是橄欖石還原形成的，并由此提出了反應（2），因此除了還原反應（1）外，應該還存在還原反應（2）：

GRV 052408中部分它形的輝石以及其中明顯的高金屬含量也驗證了這個反應。從這個反應來看，易變輝石含量越高意味著其還原程度越高，如果這兩個反應是同時進行的話，也可以說明易變輝石含量越高，橄欖石的Mg＃會越高。在橄輝無球粒隕石中輝石和橄欖石均表現為MnO-FeO的負相關關系［13，32-34］而同樣的負相關關系也發現于普通球粒隕石的 H、L、LL族中［13，32］。Miyamoto等［30］曾對 ALHA77257中的Mn-Fe的負相關關系做過詳細研究，通過熔體實驗結果表明橄欖石中Mn-Fe的負相關與還原作用有關，而Mn-Fe的正相關則是在氧化條件下形成，并且與溫度也存在一定的關系。將本文所研究的兩塊隕石中的橄欖石的MnO-FeO進行投圖（圖10），可以發現在FeO含量＞5wt%的情況下，從核部到邊部的含量變化均表現出明顯的Mn-Fe負相關關系，與橄欖石的還原邊現象映襯，而在FeO含量＜5%之后幾乎不變。

圖10 橄欖石MnO-FeO關系圖Fig.10.The MnO-FeO relationship in olivine

由于Fe／Mg-Fe／Mn的變化可以用于去識別一些影響隕石母體的主要過程（既可以在星云凝聚階段，也可以在母體的巖漿分異階段形成）［35］，因此建立了 Fe／Mg-Fe／Mn模型［32］。在該模型中，原始無球粒隕石被認為是母體物質的殘余，而分異隕石是熔體或者熔體的堆積產物。GRV 022888和GRV 052408這兩塊隕石的橄欖石成分整體投在原始無球粒隕石范圍區域并且連續變化（圖11），但是輝石成分卻在原始和分異的分界范圍內。對于輝石成分落在分界范圍內，可能是與Mn在輝石和橄欖石之間的分配系數有關。橄輝無球粒隕石的Mn／Mg比值落在球粒隕石質的范圍內意味著其可能為球粒隕石質物質的熔融殘余物，利用輝石成分進行計算的結果和實驗結果［9，31］顯示其平衡巖漿中 Ca／Al比值比球粒隕石高（≥2（CI）并且Ca、Al含量不均勻。

圖11 GRV 022888和 GRV 052408的 FeO／MgO-FeO／MnO關系投圖（其中的FeO／MgO和FeO／MnO分別表示的是Fe、Mg的摩爾數之比和Fe、Mn的摩爾數之比）Fig.11.FeO／MgO-FeO／MnO relationship of GRV 022888 and GRV 052408.FeO／MgO means molar Fe／Mg；FeO／MnOmeansmolar Fe／Mn

鑒于絕大部分的橄輝無球粒隕石的礦物主要為橄欖石和易變輝石的組合，因此對該種類隕石的溫度計算我們利用 Singletary和 Grove［31］提出的橄欖石-易變輝石-熔體溫度計。據此，我們計算了GRV 022888和GRV 052408兩塊隕石的形成溫度，分別為1 227℃和1 219℃，這與其他的橄欖石-易變輝石組合的橄輝無球粒隕石的溫度范圍較為一致。因為橄欖石和輝石的成分較為平衡，這反應了它們應該是高溫（～1 100—1 300℃）平衡，所以這一點與所計算的形成溫度也是相符的。

6 結論

（1）根據 GRV 022888和 GRV 052408這兩塊隕石的結構、礦物化學特征確定其為單礦橄輝無球粒隕石，它們屬于其中的Ⅰ型（最富鐵的類型），未見明顯的沖擊變質特征，其沖擊程度均較低。

（2）本文所研究的GRV 022888和GRV 052408兩塊隕石的形成機制與部分熔融的殘余物模式更為一致，其形成過程可能是：母體物質經過部分熔融后形成的虧損長石質成分的熔融殘余物。根據礦物-熔體溫度計計算出這兩塊隕石的形成溫度，分別為1 227℃和1 219℃。

致謝 南極隕石樣品由中國極地研究中心南極隕石庫提供，特此感謝。

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