曼桂隕石熔殼和球粒特征研究

仝記

（桂林理工大學地球科學學院，廣西 桂林541004）

1 概述

2018 年6 月1 日晚上9 點40 分左右一道亮光劃破天空，有居民聽到天空傳來轟轟聲，隨著幾聲巨響亮光消失。后經科學家確認發生了隕石墜落事件，降落地在我國云南省西雙版納傣族自治州勐海縣境內，后被國際隕石命名委員會命名為曼桂隕石。曼桂隕石由南向北進入地球大氣層，有很多目擊者和視頻記錄到墜落過程。通過隕石回收地點的范圍確定散落在長12公里、寬2 公里的區域內。本次隕石降落在人口密集區，雖然擊穿了多處居民的房屋，但并未造成人畜受傷，因降落地相對尋找方便，為后續隕石收集提供了便利。本次隕石墜落一共收集到1000 多個個體，總重50 公斤左右，其中最大的一塊重1228g[1]（圖1）。

本文將著重研究曼桂隕石的熔殼和球粒特征，利用新降落隕石熔殼受地球環境影響較小的優勢，對熔殼特征進行研究，更準確的掌握隕石熔殼形成信息。隕石的形成是太陽星云演化的結果，地球因為經歷過廣泛的巖漿熔融分異，把自身形成時的早期信息都已抹去，而隕石中的球粒沒有經歷巖漿熔融就已經快速冷卻，因此保留了星云凝聚的原始信息，這些信息對研究太陽系形成過程、地球的起源等重大科學問題，具有重要意義[3]。

本次降落隕石屬于普通球粒隕石，普通球粒隕石中的球粒是隕石重要組成部分，研究不同化學群和不同巖石類型的隕石對豐富太陽系的形成演化史有重要作用。

2 隕石樣品與實驗方法

為收集到的較大的兩塊個體

本次樣品購自當地居民手中，熔殼完整呈亮黑色，隕石表面有凹坑，有微熔流流動痕跡，表明樣品被剝離母體后發生了繼續燃燒。獲得樣品后在桂林理工大學天體化學實驗室使用金剛石線切割機切片，取樣位置位于隕石的中部，樣品使用AB 膠黏合，經過：粗磨→細磨→拋光最后制作成光薄片和光片各一個。礦物化學分析使用桂林理工大學JXA-8230 型電子探針完成，工作電壓15KV，加速電流20Aa,電子束斑5μm。首先對隕石進行了化學群分類，對隕石內的主要組分進行了巖石學礦物學研究。

表1 曼桂隕石內部和次生熔殼的橄欖石電子探針數據

表2 曼桂隕石內部和次生熔殼的輝石電子探針數據

其次結合隕石內的特點對特殊現象進行了研究，為了研究降落過程的升溫對隕石內主要礦物的影響，分別選取樣片中間部位和熔殼內的橄欖石輝石進行能譜和波譜分析。對樣品的結構特征和重結晶程度使用顯微鏡進行了研究，使用掃描電鏡對熔殼和球粒內的微區進行了觀察。

3 實驗結果

3.1 曼桂隕石化學群劃分

通過實驗觀察曼桂隕石具有明顯的普通球粒特征。其主要由橄欖石、輝石、長石、鐵紋石和鎳紋石、隕硫鐵、磷灰石等礦物組成。橄欖石的Fa=24.34，輝石Fs=20.49，Wo=1.43，橄欖石和輝石的成分都十分均一，PMD 都小于5，根據隕石Fa、Fs 分類標準確定曼桂隕石化學群為普通球粒隕石L 型[4]。根據Fa、Fs 確定曼桂隕石化學群為普通球粒隕石L 型。隕石的巖石類型根據隕石中的球粒輪廓大部分較為模糊、基質重結晶程度較高幾乎都已發生重結晶、長石的結晶顆粒粗大（≤0.25mm）自形程度高等巖石學特征和橄欖石、輝石化學成分的離散程度，確定曼桂隕石巖石類型為6 型。

3.2 曼桂隕石熔殼特征

樣品熔殼保存完整，呈亮黑色，表面有熔融物流動痕跡。光薄片在顯微鏡下觀察：在正交光和單偏光鏡下都不透明，熔殼呈一條黑色條帶分布在隕石的周圍，與隕石接觸部位呈暗褐色，樣品熔殼厚度并不均勻，平均厚約0.25 毫米；在反光鏡下可以看到條帶主要由兩部分組成，一是最外側包含氣泡的完全熔融層，二是靠近隕石一側的過渡層。

（1）外層。外層是隕石受熱溫度最高的地方，也是隕石溫度變化最劇烈現象最極端的部位。因為和空氣的高速摩擦，外層基本是完全熔融的玻璃質物質，局部在玻璃質中包裹著未完全熔融的礦物殘塊。呈熔融狀的隕石物質在氣流的作用下飛離隕石。在反光鏡下可見有氣泡混入，氣泡大小不一，形態并不規則，熔殼外層在厚度上差別較大，在局部觀察到厚度呈逐漸變化趨勢，熔殼內的氣泡多分布在熔融和未熔融的邊界，這充分說明了較厚熔殼是熔融物異區堆積形成的，表明隕石熔融物在這一層發生了流動堆積現象。在局部熔殼較厚的部位熔殼可分為三層結構（圖3）熔殼外層可分為兩部分：一部分是熔融未結晶玻璃質層，另一部分是含金屬較高的似堆晶狀集合體層。在未完全熔融的礦物在高倍掃描電鏡下可以觀察到碎塊的周圍玻璃質重結晶現象，未熔融礦物內部因高溫熔離成密集的團塊狀個體，分布在殘余礦物內；有些殘余礦物形成熔離環帶周圍被骸晶包圍（圖6b）。在靠近內層的邊界處，局部觀察到重結晶礦物骸晶平行排列，結晶方向一致（圖6c）。局部觀察到從礦物熔離碎片——完全熔融物——玻璃質重結晶的分層結構，清晰的展現了不同隕石礦物熔融過程（圖6）。

圖3 不同部位熔殼的背散射圖片

圖4 不同類型球粒的背散射圖片

（2）內層。內層熔殼是隕石表層高溫向內傳導，導致隕石礦物發生物理化學變化形成，溫度較外層大幅下降，但礦物薄片在顯微鏡的正交光和單偏光下都為暗黑色無法區分結構，但該層保存完整厚度較勻。在反光鏡和背散射電子圖像下可以區分不同礦物結構，該層硅酸鹽礦物受高溫影響在成分上發生變化，礦物晶格遭到破壞導致顯微鏡下為不透明。不同礦物受影響程度不同，熔點越低的礦物受影響越大。層內的隕硫鐵顆粒變圓,和長石共生密切，呈脈狀分布的隕硫鐵細脈沿礦物破裂面產生，觀察到多處近似平行、垂直、互為120°等夾角的細脈組合呈勾連狀分布，局部有細脈在熔殼內的金屬顆粒附近富集現象，且圍繞著長石顆粒呈放射狀或包裹狀分布，但很少有細脈切穿長石的現象產生。在內外層的交界處產生近似于垂直裂隙向內層延伸，并逐漸尖滅，裂隙被熔融的玻璃質填充。局部觀察到熔融物沿裂隙被外層抽蝕的現象，抽蝕通道有熔融物質已發生重結晶現象。

3.3 曼桂隕石的球粒特征

曼桂隕石作為普通球粒隕石，球粒是它的重要組成部分，球粒重結晶程度是隕石巖石類型判斷的主要依據[2]，因為經歷了后期熱變質事件，所以薄片中觀察到的都是殘余球粒，球粒重結晶現象明顯，大部分球粒邊界辨識度較低，從礦物結晶形態和分布規律可以把球粒與周圍重結晶的基質礦物區分，球粒主要由爐條狀球粒、斑狀球粒、放射狀球粒等不同類型球粒。爐條狀球粒在重結晶后還保留著長條狀的礦物結構組合，主要由橄欖石、輝石、長石等礦物組成，在長石顆粒中大部分發育有次生礦物集合體。斑狀球粒主要由大顆粒的橄欖石、輝石組成，礦物晶體較大，大都較為破碎，常常和基質物質一起重結晶。能分辨輪廓的球粒直徑約為0.5mm～2mm 不等，且球粒越大邊界越清晰，小的球粒幾乎辨認不出來。有的球粒和基質物質一起重結晶成較大的礦物顆粒，對球粒輪廓破壞較大，這可能是未熱變質前的球粒物質和球粒周圍的基質物質在礦物成分上比較接近，在后期的熱變質過程中結合為較大礦物顆粒。

圖5

樣品中球粒主要由橄欖石、斜方輝石、斜長石組成，次要礦物有FeNi 金屬、隕硫鐵、鉻鐵礦等礦物組成。在某些球粒內輝石間隙的長石內發育有不規則狀礦物，經能譜分析為磁鐵礦和鉻鐵礦集合體，是球粒重結晶過程中產生的次生礦物集合體，這些礦物集合體都分布在長石顆粒內，在輝石和長石顆粒內還分布著近球狀隕硫鐵顆粒，球粒內的隕硫鐵顆粒粒度較小。

4 討論

4.1 隕石熔殼特征研究

隕石因為快速進入大氣層，在隕石前端，氣體受沖擊波作用溫度劇烈升高，隕石表層會被加熱到3000℃～3500℃[10]。曼桂隕石的熔殼形成也分為兩部分：一是最外面完全熔融的玻璃質；最外面的玻璃質層內普遍含有氣孔構造，隕石熔融物質形成后因為隕石的高速前進，造成熔融物在隕石表面快速揮發并向后流動，在局部產生堆積，在熔殼堆積較厚的地方氣孔位于熔融層和次生變質層交界處，而不是最外面，這表明氣孔構造的形成是熔融的隕石物質流動造成的。本次樣品個體較小，阻重比相對較大，產生燒蝕的雷諾數就較低，在大氣層中發生層流燒蝕，所以才看起來本次樣品的熔殼比圖1、2 較大個體的熔殼更顯黑亮。二是玻璃質層到內部隕石物質之間的次生變質層，普遍認為次生變質層是隕石表層高溫向內傳導，導致隕石內礦物在高溫下發生不可逆的物理化學變化形成；礦物升溫后打破了晶格排列，雖未完全形成熔融的玻璃態，但在偏光顯微鏡下已經觀察不到晶體的偏光特性。

在以往的熔殼研究，更多是從高溫熱的傳導對熔殼內物質影響進行研究，忽略了沖擊波和高壓對隕石外層的作用；在沖擊波的作用下隕石的表層和內部裂隙會快速熔融，熔融的液體在高壓下更加快速的向隕石內部熔蝕，次生熔殼邊部常發育熔融的裂隙，這是隕石“迎風面”快速分解剝離的重要原因（圖6a、b、c、d）。通過參考資料，沖擊波作用在固體物質上可以在作用深度上劇烈升高固體的溫度，極大改變固體物質結構，呈幾何級的提高物質活性[11]。而隕石進入大氣層時的高速會在隕石的表層產生劇烈的激波。這可能也是造成隕石快速分解和劇烈空爆的重要原因。

經對次生熔殼內礦物電子探針成分分析（表1、2），曼桂隕石次生熔殼內的橄欖石、輝石成分發生了變化，綜合來看橄欖石中的FeO、TiO2、MnO 含量均有不同程度降低。輝石中的FeO、TiO2、Cr2O3、MnO 有不同程度的降低。說明在高溫下有部分橄欖石、輝石中的氧化物被高溫還原了[3]。

4.2 次生熔殼內隕硫鐵脈的成因

熔殼中隕硫鐵細脈分布在礦物顆粒的裂隙中，在三維空間呈層狀分布逐漸尖滅，在切片中圍繞金屬、隕硫鐵、長石呈放射狀密切分布。隕石降落后是以較快速度冷卻，但不同礦物間熔點和膨脹系數不同，如圖5 斜長石的膨脹系數隨溫度變化較橄欖石低（Thomas J. Ahrens 1995），在受熱升溫時所有礦物都在膨脹擠壓很難形成裂隙，但在冷卻收縮時則留下空間產生裂隙。隕硫鐵的熔點相對于橄欖石和輝石較低，裂隙產生時熔融的隕硫鐵還未凝固，導致熔融的隕硫鐵擴散進入裂隙，最終冷卻形成隕硫鐵細脈。

4.3 曼桂隕石球粒的形成演化

球粒的形成演化和太陽星云的演化息息相關，通過恒星演化及宇宙年代學模型的計算機模擬，太陽產生于45.9 億年前的一團氫分子云的快速坍縮。星云凝聚模型有汽——固凝聚和汽——液——固凝聚兩種模式[9]；球粒的形成很可能是后一種模式的產物，當星云圍繞原恒星運行時不斷的向中心墜落，而狂暴的太陽風會把已經汽化的物質重新吹離太陽，在太陽的徑向空間形成物質環流[5]。氣態物質遠離太陽后冷凝成一個個小液滴，這些液滴不斷的碰撞融合，在融合過程中因為碰撞或坡印廷- 羅伯遜阻力，導致有的液滴重新向太陽靠近，而有的液滴在亞爾科夫斯基效應、太陽風、碰撞等外力的作用下繼續遠離太陽，液滴在不斷的冷卻，在運行中球粒穿過了星云分異形成的富集金屬顆粒的區域。不斷的吸集金屬、基質物質，最終形成了曼桂隕石的母體。

球粒凝聚形成母體后，隕石母體會在內部能量（長、短周期放射性核素衰變能，元素的重力勢能等）和外部能量（太陽風、磁暴、撞擊等）的共同作用下發生熱變質，前人經過對隕石內不同部位的樣品研究，發現越靠近母體中心球粒的輪廓越模糊，熱變質程度越高；越靠近邊緣，球粒輪廓越清晰，變質程度越低。曼桂隕石作為L 型普通球粒隕石，球粒在隕石中的占比應在70%左右，但曼桂隕石中能分辨輪廓的球粒還不到隕石的30%，有大量的球粒已經完全重結晶。球粒作為隕石中較早凝聚的組分，其重結晶程度是隕石熱變質程度判定的重要依據。前人研究普通球粒隕石巖石類型為6 型，6 型對應的后期熱變質溫度在750-950℃[6]。不同類型的球粒重結晶后的礦物結構各有不同，某些球粒物質和基質物質共同重結晶為硅酸鹽礦物，說明兩者在物質組成上有相似的地方，另外結合在熱變質程度較低的普通球粒隕石的球粒內發現有球粒內基質的存在，也表明兩者在形成上關系密切。

圖6 熔殼的微區高倍率背散射圖片

5 結論

根據對曼桂隕石熔殼和球粒特征的觀察和成分分析得出以下幾點認識：

5.1 樣品中清晰觀察到不同隕石礦物的分解熔融現象，垂直于熔殼向內發育的熔融裂隙大大加速了隕石外層熔融和剝離的速度。在隕石破碎和表層熔融過程中沖擊波發揮著重要作用，加速了礦物裂隙的熔融分裂。熔殼內隕硫鐵細脈的形成是由不同礦物膨脹系數不同，受熱后快速冷卻收縮形成裂隙，在冷卻過程中由熔融的隕硫鐵填充，最終冷卻形成。

5.2 曼桂隕石次生熔殼內的橄欖石、輝石成分發生了變化，綜合來看橄欖石中的FeO、TiO2、MnO 含量均有不同程度降低。輝石中的FeO、TiO2、Cr2O3、MnO 有不同程度的降低。說明在高溫下有部分橄欖石、輝石中的氧化物被高溫還原了。

5.3 曼桂隕石的隕石類型確定為L6型隕石，表明隕石經歷了溫度在750-950℃[6]后期熱變質。熱變質導致隕石內礦物重結晶，重結晶導致礦物成分更加均一。曼桂隕石球粒主要由爐條狀球粒、斑狀球粒、棒狀橄欖石球粒、放射狀球粒組成，球粒主要由橄欖石、輝石、長石組成，在球粒的長石顆粒內普遍存在次生鉻鐵礦集合體。球粒和基質在物質來源上可能存在同源性。