南極GRV 090196普通球粒隕石熔殼特征及其成因探討

孫云龍 繆秉魁 黃麗霖 張川統 夏志鵬

研究論文

南極GRV 090196普通球粒隕石熔殼特征及其成因探討

孫云龍1,2,3繆秉魁1,2,3黃麗霖1,2,3張川統1,2,3夏志鵬1,2,3

(1廣西隱伏金屬礦產勘查重點實驗室, 桂林理工大學, 廣西 桂林 541004;2隕石與行星物質研究中心, 桂林理工大學, 廣西 桂林 541004;3行星地質演化廣西高校重點實驗室, 桂林理工大學, 廣西 桂林 541004)

熔殼是隕石在穿過大氣層時因摩擦發熱熔融所形成的表層皮殼。由于進入速度差異和大氣層的結構變化, 隕石可能產生不同的熔殼結構特征和類型, 因此, 熔殼的研究對探索隕石穿過大氣層過程和反映當時的大氣層結構具有一定意義。因為南極特殊的地理氣候條件, 很多南極隕石樣品保存了原始或完整的熔殼結構, 因此, 南極隕石是研究熔殼的理想對象。GRV 090196是H5型普通球粒隕石, 具有完整的熔殼結構, 而且存在定向飛行的特征, 前后存在結構不同和厚薄不一的熔殼, 即四層結構的Ⅰ號熔殼(1.3 mm厚)和二層結構的Ⅱ號熔殼(0.4 mm厚), 是一塊研究熔殼形成過程的理想樣品。本文對GRV 090196的熔殼開展了系統的巖石學和礦物學研究, 對熔殼成因進行了討論。Ⅰ號熔殼由外向里分為四個不同結構層。第一和第二層主要由輝石質玻璃質組成, 可見橄欖石斑晶, 說明發生了完全熔融和重結晶。這兩層熔殼橄欖石斑晶的形態與成分有明顯的差別, 表明它們為二次熔融體的冷凝形成。第三層熔殼發生部分熔融, 大部分礦物顆粒發生圓化, 其中含有少量氣泡。第四層熔殼產生熱變質, 單偏光下不透明, 反光下發黑, 這可能是高溫還原的暗化現象, 該層巖石結構特征與隕石內部相似。Ⅱ號熔殼由外向里分為三層, 第一層硅酸鹽顆粒發生過部分熔融且可見大量金屬顆粒, 第二、三層特征與Ⅰ號熔殼三、四層基本相同。通過對比研究, 我們認為熔殼可以由隕石熔融物堆積作用產生并且可以利用其判斷隕石降落的方向性。Ⅰ號熔殼存在兩層玻璃質層且橄欖石斑晶發生了重結晶, 判斷在隕石降落過程中, 隕石頭部因摩擦發熱而產生的熔融物質受到氣流驅動而在隕石定向飛行的尾部產生堆積, 二次熔體的形成可能反映了該隕石運行時穿過兩層密度相對大的大氣結構層, 而Ⅱ號熔殼位于隕石的前側部, 熔化物質僅有少量保留, 形成了很薄的玻璃質熔殼。

普通球粒隕石 熔殼 堆積成因 南極

0 引言

隕石是地外行星或小行星物質穿越大氣層后并降落到地球表面的殘留體。它們穿過大氣層的速度在12—70 km·s–1之間, 與空氣分子摩擦產生高溫(2 000—12 000 K)和高壓(2—5 MPa)并且發生熔融燒蝕, 這個燒蝕的過程僅持續5—40 s, 一個普通球粒隕石將損失掉它質量的75%—90%, 熔殼就是在這個條件下所形成的熔融物質層[1]。熔殼記錄了隕石降落過程中所經歷的熔融氣化、燒蝕、熔體流動、微粒堆積等物理化學過程[2], 它們不但是鑒定隕石的重要特征和依據, 而且對研究隕石在穿過大氣層過程中與大氣的自然作用方式和程度都具有重要的指示意義[3]。因為隕石熔融物在大氣層飛濺后可形成圓球形的微隕石, 因此有人認為隕石的熔殼和球粒的形成條件是相似的, 熔殼的形成過程在某種程度上也可以作為一種天然模擬球粒的形成過程的方法[4]。

雖然每塊隕石都會有厚度不一的熔殼, 但是前人對熔殼研究較少。早在20世紀六七十年代, 隕石熔殼的開創性研究提供了許多關于其礦物學的有趣見解[5-6], 例如隕硫鐵經過大氣層后發生熔融作用, 與周圍其他物質重新融合, 融合后可以生成磁鐵礦、鉻鐵礦和鈦鐵礦等物質。由于受到分析技術的限制, 以前對熔殼的研究主要集中在受燒蝕方式所影響的外部形態結構及熔殼熔融區域。另外, 通過研究熔殼可以對隕石的居地年齡進行測量[7], 且可對形成熔殼時大氣的濃度進行計算[8]。直到20世紀末, 隕石熔殼的研究才得到了較大的發展[9-10], 例如可通過人工模擬隕石進入大氣過程中所經歷的礦物蝕變[11], 研{Horowitz, 2008 #1663}究熔殼氧同位素組成來探討和制約母體成分和消融過程等問題[4]。

在隕石穿過大氣層時, 因大氣層的物理化學條件在時間和空間上的差異, 可能產生了不同的熔殼, 其主要表現在結晶度、晶體形態與磁鐵礦豐度等方面[12]。熔殼不是一個均勻的層, 前人對熔殼分層有眾多不同的看法, 普遍認為普通球粒隕石熔殼由外向里可以分為三層, 第一層礦物完全熔融后, 冷卻時轉化為玻璃質; 第二層硅酸鹽礦物部分熔融, 由半熔融的硅酸鹽礦物和金屬顆粒組成; 第三層礦物顆粒不熔化, 與隕石內部結構沒明顯區別, 僅物理性質表現有差異, 如光學下表現為暗化, 整體呈現黑色, 出現細小金屬顆粒。由于研究手段和分析方法的不同, 對熔殼各層的形成原因也有其各自的見解[13-14], 如熔殼成分由底部礦物熔融、礦物部分熔融或兩者混合而成, 熔殼氣泡形成源于太陽風, 熔殼形成中出現揮發成分的丟失, 富鐵熔體的不混熔作用等。本次研究表明, 隕石GRV 090196具有與前人所述不同的熔殼分層結構, Ⅰ號熔殼具有四層不同的熔殼結構并且外面兩層形成了玻基斑狀結構, 可能指示了該隕石中的熔殼與前人報道的結果具有不同的成因。因此, 對該隕石熔殼的研究不僅可以豐富熔殼的種類, 且對研究隕石降落過程中與大氣的自然作用方式和程度提供了重要依據。本文工作, 首先研究該隕石的巖礦特征, 對該隕石進行分類; 然后對該隕石熔殼的結構與礦物學特征進行詳細觀察和分析, 通過對熔殼各層詳細的對比, 探討該隕石熔殼的形成過程。

1 樣品及分析方法

1.1 樣品特征

南極格羅夫山普通球粒隕石GRV 090196是本次研究對象(圖1)。該隕石是我國第26次南極科學考察隊于格羅夫山收集的, 發現于4號碎石帶, 地理坐標為75°19′23.5″E、72°46′45.3″S。隕石重量0.58 g, 大小為19 mm×10 mm×9 mm, 不規則狀, 局部渾圓狀, 隕石整體呈黑色, 底部因氧化生銹呈淺褐色。該隕石具有較完整的黑色熔殼, 厚度在1 mm左右, 隕石發生輕微風化。熔殼表面氣印現象明顯, 蠟狀光澤, 有數條清晰可見的裂紋。由于受風化與冰川搬運等影響, 熔殼呈現局部脫落現象。

圖1 GRV 090196隕石照片

Fig.1. Photo of the GRV 090196 meteorite

1.2 分析方法及條件

由于GRV 090196隕石樣品較小且質地較為疏松, 薄片制作前對制片樣品進行了環氧樹脂注膠處理。隕石薄片處理過程為: 先對原石切取小塊樣品, 對一個較平的切割面用碳化硅砂粉進行研磨, 用環氧樹脂粘在磨毛的載璃片上, 粘膠固化后, 再研磨成標準厚度0.03 mm的光薄片。

分析測試工作在桂林理工大學廣西隱伏金屬礦產勘查重點實驗室和行星地質演化廣西高校重點實驗室完成。利用光學電子顯微鏡(Nikon 50iPOL)和場發射掃描電鏡(Zeiss Σigma)完成巖石礦物結構觀察。礦物的模式含量通過統計背散射圖像不同灰度所占像素比獲得。礦物成分采用電子探針(JEOL JXA-8230)完成, 分析條件: 加速電壓15 kV和束流20 nA。分析數據采用Bence- Albee方法校正。礦物的拉曼定性分析在Renishaw公司生產的inVia型激光拉曼探針上完成, 激光拉曼光源為Ar+激光, 波長532 nm, 最高激光能量為30 mW, 聚焦束斑為1 μm, 采用單晶硅標樣進行拉曼峰位標定。

2 隕石巖石學特征

2.1 巖石結構特征

GRV 090196隕石光薄片樣品近似等腰三角形, 高6.97 mm, 底寬4.42 mm。底部和左上側邊緣分布不同厚度的熔殼, 右側為隕石樣品的斷裂面。該隕石可見球粒和殘余球粒, 出現了鐵鎳合金和隕硫鐵, 屬于典型的球粒隕石結構, 但球粒間基質組成表現出較嚴重的重結晶作用。在光學單偏光顯微鏡下, 該隕石主要呈現細粒-中細粒不等粒重結晶結構, 可見部分殘留球粒, 底部具有厚且多層的熔殼——Ⅰ號熔殼, 左上側二層結構熔殼——Ⅱ號熔殼, 另外, 因金屬和硫化物風化產生褐鐵礦浸染, 整體呈現黃色調, 有些氣孔充填黃褐色褐鐵礦 (圖2a)。在背散射電子圖像(BSE)下, 隕石主要呈不等粒重結晶結構, 表明基質和大部分球粒硅酸鹽礦物發生重結晶, 另外, 鐵紋石與隕硫鐵呈不規則團塊狀或長條狀, 部分鐵紋石與隕硫鐵風化呈褐鐵礦, 部分褐鐵礦呈脈狀分布。根據背散射拼圖統計(圖2b), 該隕石主要礦物的模式含量為橄欖石41.2 vol%、低鈣輝石31.9 vol%、斜長石12.1 vol%、鐵鎳金屬6.3 vol%和隕硫鐵4.4 vol%, 其他副礦物如鉻鐵礦等約占3.1 vol%及風化的褐鐵礦含量約占1.0 vol%。

GRV 090196隕石中球粒大小主要在100—200 μm之間, 個別可達1 mm。球粒形狀多呈橢圓形或殘缺的不規則形。大部分球粒或殘余球粒輪廓模糊, 如粒狀橄欖石輝石球粒(圖3b), 少數球粒邊緣較清晰, 如爐條狀橄欖石球粒(圖3b)。球粒類型以斑狀橄欖石輝石球粒為主, 其次為爐條狀橄欖石球粒和粒狀橄欖石輝石球粒(圖3b)。斑狀球粒和爐條狀球粒中玻璃基質發生脫玻化, 在光學單偏光鏡下為不透明-半透明狀, 主要由隱晶質和細晶質組成。球粒基質、大多數小球粒發生了重結晶作用, 單偏光下表現為半透明狀(圖2a)。硅酸鹽礦物重結晶顆粒為它形-自形結構, 粒度細粒-中粗粒, 但橄欖石和輝石顆粒自形程度和大小存在明顯差異(圖3a)。橄欖石顆粒呈自形到半自形, 礦物顆粒較大, 粒徑多為50—200 μm, 個別可達260 μm。低鈣輝石半自形到它形, 粒徑20—200 μm。次生長石形狀不規則, 粒徑主要為5—20 μm, 少數超過50 μm。鐵鎳合金和隕硫鐵主要分布在重結晶硅酸鹽顆粒之間, 多為不規則團塊狀或長條狀, 大小約50—200 μm, 個別長度可達400 μm(圖3a)。球粒中或其邊緣很少出現鐵鎳合金與隕硫鐵顆粒。鐵鎳合金為鐵紋石, 幾乎未出現鎳紋石。鐵紋石和隕硫鐵大多數為獨立的團塊, 少部分也出現鐵紋石與隕硫鐵結合的集合體。

圖2 GRV 090196薄片樣品整體結構圖. a)單偏光照相拼圖; b)背散射電子圖像拼圖. FC-Ⅰ、FC-Ⅱ分別代表Ⅰ號熔殼和Ⅱ號熔殼; Ch–球粒; Ol–橄欖石; Py–輝石; Pl–次生長石; Mt–Fe-Ni金屬

Fig.2. Texture mapping of the GRV 090196. a) polarized light image mapping; b) back scattering electron (BSE) image mapping. FC-Ⅰ, FC-Ⅱrepresent fusion crustⅠand fusion crustⅡ; Ch–chondrule; Ol–olivine; Py–pyroxene; Pl–recrystallized feldspar; Mt–Fe-Ni metal

2.2 沖擊變質特征

GRV 090196隕石具有較強的沖擊變質效應和特征。除鐵紋石和隕硫鐵顆粒、次生長石外, 所有硅酸鹽和氧化物礦物破碎較嚴重, 均發育有不同程度的不規則裂紋。橄欖石和低鈣輝石具有典型的波狀消光, 少部分橄欖石顆粒出現平行葉理。參考St?ffler[15]的標準, GRV 090196隕石沖擊變質程度被劃分為S3級。

圖3 GRV 090196隕石主體內部結構. a)基質重結晶形成的不等粒結構; b)殘余球粒結構. GOP–粒狀橄欖石輝石球粒; BO–爐條狀橄欖石球粒; Ol–橄欖石; Py–輝石; Pl–次生長石; Mt–Fe-Ni金屬; Chr–鉻鐵礦

Fig.3. Internal texture of host rock of GRV 090196 chondrites. a) the heterogranular texture formed by matrix recrystallization; b) residual chondrule texture. GOP–granular olivine pyroxene chondrule; BO–barred olivine chondrule; Ol–olivine; Py–pyroxene; Pl–recrystallized feldspar; Mt–Fe-Ni metal; Chr–chromite

2.3 風化特征

所有鐵紋石和隕硫鐵顆粒均發生不同程度的氧化, 部分顆粒已經全部氧化為團塊狀褐鐵礦(圖2b); 鐵紋石和隕硫鐵部分風化產物褐鐵礦遷移沿裂隙分布呈脈狀, 在熔殼中充填杏仁狀氣孔(圖2a); 所有硅酸鹽礦物均被褐鐵礦浸染呈黃褐色; 據礦物模式含量統計, 約有45%鐵紋石和隕硫鐵被風化成褐鐵礦。因此, GRV 090196隕石風化程度屬于Wlotzka[17]劃分體系的W2級。

3 熔殼結構特征

GRV 090196隕石樣品具有較完整的熔殼, 但是, 薄片樣品呈三角形, 因切割位置關系僅兩條邊出現熔殼, 它們出現在薄片樣品底部和左側(圖2a), 底部熔殼(FC-Ⅰ)厚度較大, 約1.5 mm, 左上側熔殼(FC-Ⅱ)厚度較薄, 約0.5 mm。而另一邊因靠近隕石內部沒有熔殼。為了對比說明Ⅰ號和Ⅱ號兩條熔殼的結構異同點, 它們的巖礦特征分別詳細描述如下。

3.1 Ⅰ號熔殼

Ⅰ號熔殼位于薄片底部, 具有厚度大、結構層次多的特點(參看表1)。該熔殼長4.4 mm, 從右向左, 厚度逐漸加大, 由1 mm過渡到1.5 mm。根據熔融程度和結構差異, 該熔殼從外向里可區分為四層(圖4)。最外兩層為透明玻璃質層, 顏色為黃褐色, 第一層(最外層)比第二層顏色偏淺, 兩層都含骸晶狀的橄欖石斑晶, 這兩層之間沒有截然界線, 但是它們的顏色、透明度、斑晶形態和定向存在差異, 據此可劃分它們之間的邊界(圖5c)。第三層為半透明、灰黑色的部分熔融層, 局部發生暗化現象, 厚度相對較薄, 但變化大, 主要在100—200 μm之間, 左側尾部達1 mm左右。第四層為高溫暗化層, 呈黑色不透明狀, 局部發生暗化。第三與第四層在單偏光下幾乎都為黑色不透明, 無法區分它們之間的界線, 但是在背散射電子圖像下, 兩者存在明顯的結構差異, 它們之間表現出明顯的物理界線。第三層為有氣孔的高溫半塑性熔融層, 第四層則與隕石內部的質地相當。第一到第三層的氣孔多呈混圓狀, 大小不均一, 直徑10—100 μm, 第一層氣孔的大小和含量明顯高于第二和第三層。

3.1.1 第一層: 短粗狀斑晶玻璃層

第一層熔殼為短粗狀橄欖石斑晶玻璃層。該層熔殼富含氣泡, 氣泡多為圓形或橢圓形, 少部分因粘連呈不規則狀, 氣泡大小約20—180 μm, 約占第一層面積的39vol%。該層的形態因氣泡的影響非常不規則, 因此厚度也產生了巨大變化, 最薄130 μm, 氣泡在邊緣凸起處的厚度達410 μm。部分氣孔充填有風化產物褐鐵礦。單偏光下該層呈粒狀結構, 粒狀晶體透明無色, 呈短柱狀, 晶體之間為褐黑色玻璃(圖5a)。

根據掃描電鏡觀察, 該層熔殼是玻基斑狀結構, 由橄欖石斑晶(48.2vol%)、硅酸鹽玻璃(44.7vol%)、鐵的氧化物(5.6vol%)以及少量鐵鎳金屬顆粒(0.5vol%)組成。橄欖石斑晶長10—60 μm, 寬5—20 μm, 自形到半自形, 形狀為棱角分明的骸晶或不規則狀, 以短柱狀為主, 也呈六邊形狀或花瓣狀, 骸晶中心常有氣孔。橄欖石斑晶長軸方向總體趨向順層分布, 表現出一定的流動性。橄欖石晶面發育較平整, 正交偏光鏡下全消光, 斑晶中間充填玻璃質, 邊緣被一層比玻璃質亮的邊包圍。玻璃為成分不均一、含鈣鋁的硅酸鹽物質, 呈花紋狀, 高倍鏡下可見玻璃中充填細小輝石骸晶, 發育極不完全。

圖4 Ⅰ號熔殼結構圖. a)單偏光照片; b)背散射電子圖像.Ⅰ號熔殼由外向里(即從下向上)分為四層, 依次為L1、L2、L3、L4, 第四層以外為隕石主體(host rock, HR)

Fig.4. Pictures of the structure of fusion crustⅠ. a) taken under plane polorized light; b) BSE mapping. Fusion crustⅠconsists of four layers of L1, L2, L3, L4 from the outside to the inside, the interior is host rock (HR)

3.1.2 第二層: 細長狀斑晶玻璃層

該層與第一層相似, 為具有玻基斑狀結構的玻璃質層, 厚度110—320 μm。該層氣孔比第一層明顯少。該層由玻璃質(60.6vol%)、橄欖石斑晶(35.7vol%)、少量鐵鎳金屬、隕硫鐵顆粒(3.4vol%)以及鉻鐵礦(0.3vol%)組成。橄欖石斑晶比第一層要細長(圖5c), 呈針狀半自形晶, 斑晶長短比例不均一(長20—240 μm, 寬5—15 μm)。在單偏光鏡下該層橄欖石呈暗黃色, 周圍可見明顯的淺色邊緣, 只有部分晶面發育完整, 細小氣孔散布在其中(圖5b)。斑晶之間多呈交織結構, 疏密程度有所差異。基質由未結晶的暗色硅酸鹽玻璃組成, 可見細小輝石骸晶, 發育極不完全, 少量含鎳金屬、隕硫鐵、鉻鐵礦顆粒散亂分布于玻璃質中。

3.1.3 第三層: 半熔融層

該層為半熔融層, 呈半晶質致密結構, 厚度70—290 μm, 主要由半熔融顆粒、金屬硫化物以及玻璃質組成。該層可見半熔融輝石礦物殘留(圖5d), 與隕石內部的礦物相比, 該層礦物裂隙和解理少, 金屬顆粒圓形細粒分散, 中心部位有顏色較深的礦物集合體, 偏光鏡下呈半透明狀。顆粒邊緣出現較多小的氣孔, 鐵鎂硅酸鹽玻璃含半骸晶狀或骸晶狀橄欖石。另外該層可見半塑性熔融狀態的橄欖石集合體(圖5e), 礦物顆粒呈團塊狀或橢圓狀, 無裂隙, 邊緣無棱角, 較多1 μm左右的金屬顆粒雜亂分布其中, 氣孔發育。該層既有結晶礦物又有玻璃質, 與第四層之間界線較明顯。

圖5 Ⅰ號熔殼不同結構層的巖礦特征. a)第一層熔殼重結晶結構, 單偏光照片; b)第二層熔殼結構, 單偏光照片; c)第一層和第二層熔殼的接觸關系, 背散射電子圖像; d)第三層部分熔融層, 背散射電子圖像; e)第三層部分熔融殘留的橄欖石顆粒, 背散射電子圖像; f)第四層高溫暗化層中的斑狀橄欖石球粒(PO), 單偏光照片. Gl–玻璃基質, Fa15–橄欖石鐵分子牌號, PO–斑狀橄欖石球粒

Fig.5. Petrographic characteristics of the layers of fusion crustⅠ. a) The recrystallization texture of L1, plane polarized light; b) The recrysatllization texture of L2, plane polarized light; c) the contact relation between L1 and L2, BSE image; d) the partial melting texture of L3, BSE image; e) the olivine (Ol) relicts in the L3 partial melting layer, BSE image; f) a porphyritic olivine chondrule (PO) in the L4 high-temperature darken layer, plane polarized light. Gl–glass; Fa15–FeO molecular number of olivine; PO–porphyritic olivine chondrule

3.1.4 第四層: 高溫暗化層

該層為高溫暗化層, 在結構上與隕石內部結構幾乎相同, 但在單偏光下, 該層呈不透明黑色, 與半透明的隕石內部形成鮮明反差。該層厚度120—600 μm, 沒有氣孔, 保留內部球粒和重結晶結構, 如斑狀橄欖石球粒(圖5f)。該層以重結晶結構為主, 礦物組成為橄欖石、低鈣輝石、次生長石、Fe-Ni合金和硫化物等, 不含高溫熔融的玻璃質, 該層與隕石主體沒有明顯的界線, 礦物組成也沒有發生明顯變化。該層橄欖石具有一定的晶型, 可見其裂隙發育并被細小富鐵脈充填。其他四層熔殼特征對比見表1。

3.2 Ⅱ號熔殼

位于薄片左上側的Ⅱ號熔殼, 約占薄片面積的1/12(圖6a)。該熔殼長約2.5 mm, 寬約0.5 mm。單偏光顯微鏡下, 整體呈黑色(圖6d)。該熔殼外部呈半透明狀, 內部為不透明狀。將Ⅱ號熔殼由外向里分為三個不同的結構層, 在不同的位置熔殼各層的厚度有很大的差別。

表1 Ⅰ號熔殼結構層巖礦特征對比

Table.1. Textural comparison of different layers of fustion crust I

圖6 Ⅱ號熔殼不同結構層的巖礦特征. a)熔殼結構, L1為金屬熔融層, L2為部分熔融層, L3為高溫暗化層, 背散射電子圖像; b)部分熔融層(L2)的粒狀結構, 背散射電子圖像; c)Ⅱ號熔殼局部為單層結構, 單偏光照片; d)Ⅱ號熔殼局部具有三層結構. Lm–褐鐵礦; Tr–隕硫鐵

Fig.6. Petrographic characteristics of fusion crustⅡ. a)the texture of fusion crustⅡ, L1 is a melted metal layer, L2 is a partial melted layer, L3 is a high-temperature darken layer, BSE image; b) the granular texture of the L2 partial melted layer, BSE image; c) a part of fusion crustⅡis a kind of single layer, plane polarized light; d) the other part of fusion crustⅡhas three layers. Lm–limonite; Tr–troilite

3.2.1 第一層: 金屬熔融層

該層為金屬熔融層, 主要由金屬(Fe、Ni)和部分熔融硅酸鹽顆粒組成。金屬顆粒呈樹枝狀生長, 在BSE圖像中呈亮白色, 組合物以鐵、鎳為主, 在該層中除了金屬顆粒析出之外, 橄欖石、輝石、長石等硅酸鹽顆粒也發生了部分熔融。邊緣可見金屬氧化(圖6c), 厚度12—35 μm, 主要以氧化的褐鐵礦為主, 含有少量鎳(1.22wt%), 偏光鏡下可見紅棕色的金屬氧化物團塊。該層與第二層界線非常明顯。

3.2.2 第二層: 半熔融層

該層在偏光鏡下呈半透明狀, 該層結構與Ⅰ號熔殼第三層相似。可見橄欖石團塊, 邊緣圓化明顯, 無棱角。輝石和次長石團塊部分熔融(圖6b), 輝石顆粒中間可見較多細小金屬顆粒, 主要為鐵鎳合金(Ni: 5.68wt%)、隕硫鐵、鉻鐵礦, 大量熔融次生長石顆粒(8—15 μm)散布在輝石和橄欖石團塊內部。該層與第三層邊界不明顯。

3.2.3 第三層: 高溫暗化層

黑色的原生層, 發生了暗化現象, 該層結構與Ⅰ號熔殼第四層相似。可見明顯的裂紋存在。金屬顆粒有較大的尺寸, 通常具有不規則外形。

4 礦物成分特征

4.1 隕石主體礦物成分特征

GRV 0901960隕石中主要硅酸鹽礦物為橄欖石、低鈣輝石、斜長石, 礦物的電子探針成分分析如表2, 橄欖石(Fo89.2—91.9Fa18.1—20.4)和低鈣輝石(En80.7—82.9Wo0.9—1.4Fs16.2—18.2)的成分均一(Fa和Fs的平均標準偏差PMD值為2.48%和4.12%), 次生長石(An9.23—10.24Ab82.9—85.4Or5.42—6.86)成分范圍也變化不大。

表2 GRV 090196隕石中主要礦物化學成分表

Table.2. Chemical compositions of main minerals in GRV 090196 meteorite wt%

注: n: 分析點的數量; tr: 微量(<0.01vol%)

4.2 熔殼成分特征

GRV 0901960隕石熔殼各層中主要硅酸鹽礦物的電子探針成分如表3。Ⅰ號熔殼第一層橄欖石斑晶具有明顯的成分環帶, 橄欖石Fa值從斑晶中心的14向邊部升高至18.5。而二至四層橄欖石Fa在17.7—20.7之間, 與隕石主體成分基本一致。然而第一、二層輝石質玻璃成分與隕石主體的低鈣輝石相比差異較大, Fe含量較高, Fe/(Fe+Mg)值可達到55.2—66.1, 第三、四層輝石成分與隕石主體低鈣輝石成分基本相似。Ⅱ號熔殼二、三層硅酸鹽成分與Ⅰ號熔殼三、四層的成分基本相同。

表3 Ⅰ、Ⅱ號熔殼各層代表性電子探針分析數據

Table.3. Chemical compositions of different layers of fusion crustsⅠandⅡ wt%

注: tr: 微量(<0.01vol%), 每層橄欖石、輝石各列舉3個分散探針點的成分。

4.3 Ⅰ號熔殼與隕石主體成分變化特征

4.3.1 橄欖石

為了了解GRV 0901960隕石Ⅰ號熔殼與主體隕石橄欖石礦物成分的變化, 本次工作按照圖7所示箭頭方向分析了橄欖石和輝石成分的變化情況。黑色點測橄欖石質元素含量, 白色點測輝石質玻璃和低鈣輝石元素含量, 每層各取5個點, 將Ⅰ號熔殼所得成分繪制成圖(圖8)。橄欖石和低鈣輝石的成分變化特征為: (1)橄欖石的主量元素成分在四層熔殼和隕石內部中總體穩定, 變化程度小, SiO2含量幾乎沒有變化, 但與隕石主體對比, 第一層橄欖石斑晶MgO含量偏高、FeO含量偏低, 而第二層橄欖石斑晶MgO含量偏低、FeO含量偏高, 第三、四層橄欖石MgO和FeO含量與隕石主體中的橄欖石幾乎沒有差別; (2)橄欖石的微量元素Cr、Ca、Ni、Al含量一、二層高, 向三、四層突然較大幅度地減少; (3)第一、二層輝石質玻璃中的MgO(9.8wt%—13.2wt%)遠小于第三和第四層的低鈣輝石MgO(38.6wt%—42.1wt%)的含量, 但是在一、二層中的FeO(20.2wt%— 31.4wt%)遠大于三、四層的FeO(9.6wt%— 10.3wt%)的含量, 在一、二層的Al和Ca的含量也遠大于三、四層, Cr和Ni的含量各層大致相同。

圖7 橄欖石和輝石質基質(含輝石)分析點位置

Fig.7. Analytical point positions of olivine and pyroxene matrix (including pyroxene)

圖8 礦物成分剖面圖. a)和b)為橄欖石, c)和d)為輝石基質和輝石礦物

Fig.8. Chemical composition profile of minerals. a) and b) are olivine, c) and d) are pyroxene matrix and pyroxene mineral

此外, 根據GRV 090196隕石Ⅰ號熔殼一、二層斑晶及隕石主體橄欖石礦物的拉曼譜圖分析(圖9), 隕石主體的橄欖石在820.7 cm–1和852.5 cm–1附近具有兩個主峰, 為典型的橄欖石特征峰; Ⅰ號熔殼一層在821.2 cm–1和852.1 cm–1附近具有兩個主峰, 二層在821.0 cm–1和851.378 cm–1附近具有兩個主峰。可見一、二層斑晶具有與主體橄欖石礦物相似的特征峰, 得知斑晶也為橄欖石礦物。隕石主體、Ⅰ號熔殼一層、二層橄欖石的半高寬分別為15.27 cm–1、13.55 cm–1和18.63 cm–1。

圖9 Ⅰ號熔殼一、二層橄欖石斑晶及主巖橄欖石礦物的拉曼譜圖

Fig.9. Raman spectra of olivine phenocryst and host olivine in fusion crustⅠ

4.3.2 輝石及輝石質玻璃

由于熔殼基質玻璃為輝石質, 將Ⅰ號熔殼一、二層的基質, 三、四層和隕石主體的輝石及輝石質玻璃投到輝石成分劃分圖內(圖10), 可以發現一、二層玻璃基質含有較高的Fe含量和Ca含量, 主要落在貧鈣鐵普通輝石和易變輝石區間內, 而三、四層和隕石主體的輝石基本落在同一區間, 屬于低鈣輝石類, 但第三層輝石成分FeO含量明顯高于主體輝石和第四層輝石。

5 討論

5.1 隕石類型

GRV 090196隕石屬于高鐵群普通球粒隕石, 橄欖石Fa值為18.8, 低鈣輝石Fs值為16.5, 落在H群范圍內(圖11)。球粒結構較明顯, 輪廓較清晰, 基質半透明, 次生長石顆粒直徑在5—20 μm, 這些特征表明該隕石巖石類型為5型。隕石中橄欖石成分較為均一, Fa的PMD為2.48%, 大部分低鈣輝石也具有均一的成分, 其Fs的PMD為3.15%。

圖10 輝石及輝石質玻璃成分圖

Fig.10. Chemical composition plot of pyroxene and pyroxene glass

5.2 GRV 090196隕石熔殼的成因

5.2.1 Ⅰ號熔殼一、二層玻璃質的堆積成因

Ⅰ號熔殼第一、二層都是由斑晶、玻璃質、金屬組成, 呈玻基斑狀結構, 斑晶均為橄欖石骸晶, 基質均為輝石質玻璃, 這兩層熔殼橄欖石斑晶的平均Fa值(18.1—19.7)與隕石主體橄欖石Fa值(Fa18.2—19.5)相比變化不大, 而基質輝石質玻璃中的MgO(9.8wt%—13.2wt%)遠小于其他層的MgO(38.6wt%—42.1wt%)含量, FeO(20.2wt%— 31.4wt%)遠大于其他層的FeO(9.6wt%—10.3wt%)含量, 表明金屬在高溫高壓作用下, 與硅酸鹽礦物重新熔融結合, 從而導致輝石質基質玻璃中FeO含量比主體橄欖石中高。第一、第二層界限不明顯, 在個別部位有交叉現象, 并且這兩層有高的Ni(2wt%)含量, 表明在相對氧化的條件下結晶[18-19],經歷了相似的氧化還原環境。根據Reimold等[20]研究, 摩擦高壓必須達到1 500℃以上, 才能使鎂橄欖石完全融化, 因此該隕石在降落的過程中其表面物質完全熔融時的溫度超過了1 500℃。

Ⅰ號熔殼第一層斑晶呈短柱狀、自形到半自形, 晶面發育完全, 第二層斑晶呈細長狀、半自形, 晶面發育較完全。在GRV 090196隕石中, 隕石主體、Ⅰ號熔殼一層、二層橄欖石的半高寬分別為15.27 cm–1、13.55cm–1和18.63 cm–1, 也說明第一層橄欖石礦物結晶得更加完全, 而第二層橄欖石結晶程度較低[21]。根據巖石礦物學常識, 相對快速冷卻形成的骸晶是細長的, 而相對慢速冷卻形成的骸晶是短粗的, 因此, Ⅰ號熔殼第一層(最外層)橄欖石斑晶相對短粗, 表明它形成的冷卻速度慢, 而第二層(即里層)橄欖石斑晶相對細長, 表明它形成的冷卻速度快, 這完全吻合隕石降落過程中先形成的熔殼應該在更高的大氣層, 這里的環境溫度低, 冷卻速度就快, 而最外的熔殼則形成于更低的大氣層, 更靠近地面, 其環境溫度高, 因此, 冷卻速度就慢。假如這兩層的結構差異是原位熔融的熔體因溫度梯度造成的, 那最外層冷卻速度快, 它的橄欖石斑晶應該更細長, 而不是短粗的, 里層冷卻速度慢, 它的橄欖石斑晶應該是短粗的。這恰恰與觀察的Ⅰ號熔殼第一、二層的結構特征是矛盾的。

圖11 隕石主體橄欖石Fa值與輝石Fs值成分分布圖(本圖據王道德資料[17]編制)

Fig.11. Distribution diagram of Fa in olivion and Fs in pyroxene (after Reference [17])

另外, GRV 090196隕石Ⅰ號熔殼一、二層分層的另一個理由是: 假定它們是原位熔融形成的, 熱是從外向內傳導, 最外先熔融, 內部逐步由半熔融向完全熔融過渡, 最里層(即第四層)則是受熱烘烤還原發黑。那完全熔融的熔體部分在隕石達到熔融飽和點之后便開始結晶斑晶, 由于溫度梯度的作用, 這個熔體部分從外到內斑晶大小變化是過渡的連續的, 中間不會形成結構上的界限或差異。這與第一層與第二層之間結構界限也是不吻合的。因此, Ⅰ號熔殼的第一、二層的形成最可能的成因模式是堆積作用。第一層和第二層是隕石飛行方向前部完全熔融的熔體因氣流高壓作用, 不斷尾部流動堆積, 第二層先堆積冷卻結晶, 第一層(最外層)又在其上繼續堆積, 進而形成了GRV 090196隕石Ⅰ號熔殼二層橄欖石斑晶玻璃層的現象。

5.2.2 Ⅰ號與Ⅱ號熔殼的對比及其成因

Ⅱ號熔殼第一層可見大量氧化金屬顆粒, 單偏光下可見紅棕色褐鐵礦團塊, 可以看出熔殼邊部氧化比較嚴重。金屬析出物呈樹枝狀生長, 表示它們從熔體中快速析出形成, 冷卻時間非常短暫[12]。

Ⅱ號熔殼第二層與Ⅰ號熔殼第三層具相似的特征, 為部分熔融結構, 礦物顆粒邊緣光滑, 沒有完整的晶型, 隕石主體中礦物顆粒常見的裂隙和解理在該層中不常見, 在背散射圖像下, 也表現出較光滑特征, 這表明這層已經受到大氣摩擦產生的高溫影響, 發生了部分熔融。另外, 該層有一些細小氣孔, 它們可能是由于高溫導致揮發性物質從硅酸鹽熔體中析出形成[22]。

Ⅱ號熔殼第三層與Ⅰ號熔殼第四層具相似特征, 為未熔融層, 只是礦物經歷高溫而發生還原作用, 產生了細小的金屬鐵顆粒, 礦物表面發生了暗化現象。該層橄欖石、輝石顆粒發育完整, 棱角分明, 礦物間被金屬脈充填, 玻璃質含量僅為15%左右, 說明形成于緩慢冷卻的環境中。

GRV 090196隕石出現了兩種不同特征的熔殼, 其中Ⅰ號熔殼具有四層結構, Ⅱ號熔殼具有三層結構, 這表明該隕石在經過大氣層的降落過程中, 熔殼形成的過程中隕石應該是定向飛行的, Ⅰ號熔殼位于隕石飛行方向尾部, 其第一層、第二層熔殼出現由于堆積作用產生的較厚的斑晶玻璃層。而Ⅱ號熔殼位于隕石定向飛行前部, 由于氣流驅使, 硅酸鹽熔體不易保留, 沒有出現較厚的斑晶玻璃質層, 而鐵鎳合金熔體由于粘稠度大則粘留, 形成熔殼最外層。

6 結論

1.GRV 090196屬于普通球粒隕石, 化學群為H群, 巖石類型為5型。該隕石具有完整的熔殼表面, 是研究隕石進入大氣層過程中理想的樣品。它經歷了較弱的沖擊變質和中等程度的風化作用, 沖擊變質程度為S3, 風化程度為W2。

2. GRV 090196隕石Ⅰ號熔殼形成過程為: 該隕石在降落的過程中, 表面與大氣摩擦溫度超過了1 500℃, 導致表面完全熔融, 并流向尾部形成Ⅰ號玻璃質熔殼。Ⅰ號熔殼第一、第二層發生了完全熔融作用且在相對氧化的條件下結晶, 這兩層為堆積成因。第二層首先在隕石下落方向的隕石尾部堆積, 第一層隨后在其上堆積, 第一層礦物的結晶時間大于第二層。第三層發生部分熔融, 處于不完全氧化的環境中, 受到了明顯的沖擊作用。第四層未熔融, 僅發生熱變質, 導致礦物顆粒Fe的還原, 形成了細小金屬鐵顆粒, 表面發生暗化現象。Ⅱ號熔殼第一層硅酸鹽顆粒部分熔融并且富含金屬顆粒, 二、三層特征與Ⅰ號熔殼三、四層結構成分基本相同, 說明他們經歷了相似的熱事件, 具有相同的成因。

3. GRV 090196隕石出現了Ⅰ號和Ⅱ號兩種不同特征的熔殼, 這表明該隕石在經過大氣層的降落過程中隕石應該是定向飛行的, Ⅰ號熔殼位于隕石飛行方向尾部, 由于堆積作用產生較厚的第一、第二層含橄欖石斑晶的玻璃層。而Ⅱ號熔殼位于隕石定向飛行前部, 熔體不斷流失, 最后只保留了粘稠度較大的FeNi金屬熔體, 形成熔殼最外層。

致謝:感謝中國極地研究中心提供隕石研究樣品！

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FEATURES AND FORMATION OF FUSION CRUSTS ON AN ORDINARY CHONDRITE(GRV 090196) FROM ANTARCTICA

Sun Yunlong1,2,3, Miao Bingkui1,2,3, Huang Lilin1,2,3, Zhang Chuantong1,2,3, Xia Zhipeng1,2,3

(1Guangxi Key Laboratory of Hidden Metallic Ore Deposits Exploration, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China;2Institute of Meteorites and Planetary Materials Research, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China;3Key Laboratory of Planetary Geological Evolution at Universities of Guangxi Province, Guilin University of Technology,Guilin 541004, China)

Meteorite fusion crusts are formed during atmospheric entry and show different textural characteristics based on differences in entry velocity and structural changes in the atmosphere. Therefore, fusion crust study is important to understand atmospheric entry processes and atmospheric structure at that time. Many Antarctic meteorites have retained their original or complete fusion crust because of the region’s unique geographical and climatic conditions, so they are ideal samples for fusion crust research. An ordinary H5 chondrite (GRV 090196) from the Grove Mountains region (Antarctica) was investigated in this study. It has a complete molten fusion crust with some flow lines showing its flying direction. Thin sections showed two intact fusion crusts with thicknesses of 1.3 mm and 0.4 mm. Petrology and mineralogy showed that the first fusion crust (FC-Ⅰ) could be divided into four structural layers (outside to inside). Layers 1 and 2 were melted completely and recrystallized to form porphyritic structures in a glassy matrix, but the morphology and chemical composition of olivine phenocrysts in these layers were very different. This indicates it experienced different atmospheric layers of various densities. In layer 3, partial melting was obvious and mineral residues were observed; crystals were rounded with some bubbles. Thermal metamorphism occurred in layer 4, appearing opaque and black under plane polarized light, with a darkening phenomenon that may be from fine iron precipitation. Its texture was similar to those inside the meteorite. The second fusion crust (FC-Ⅱ) was divided into three layers (outside to inside). Silicates in layer 1 were partially melted and rich in metallic grains. Layers 2 and 3 were similar to layers 3 and 4 in fusion crustⅠ. We suggest that fusion crusts were caused by accumulation and can be used to judge the landing direction of a meteorite. The two glassy layers and olivine phenocrysts in fusion crustⅠas well as the recrystallized olivine phenocrysts indicate that fusion crust melt was moved along the meteorite body by air. The fusion crusts experienced two relatively denser atmosphere layers that formed two glassy layers, and fusion crustⅡwas located in the side of the front. Only a small amount of the molten material remained and formed a very thin glassy fusion crust.

ordinary chondrite, fusion crust, accumulation cause, Antarctica

2019年4月收到來稿, 2019年7月收到修改稿

國家自然科學基金項目(41776196, 41173077)、科技部國家科技基礎條件平臺項目(2005DKA21406)、廣西科技基地及人才專項(桂科AD1850007)資助

孫云龍, 男, 1992年生。碩士研究生, 從事天體化學與對比行星學研究。E-mail: 941823319@qq.com

繆秉魁, E-mail: miaobk@glut.edu.cn

10. 13679/j.jdyj.20190027