內蒙古林東普通球粒隕石的角礫特征

歐榮林, 繆秉魁, 黃麗霖, 班振瑤

(桂林理工大學 a.廣西隱伏金屬礦產勘查重點實驗室; b.隕石與行星物質研究中心;c.廣西天體化學與行星科學院士工作站; d.行星地質演化廣西高校重點實驗室, 廣西 桂林 541006)

因母體小行星表面頻繁地撞擊作用而形成含有兩個或兩個以上不同巖性的角礫巖型隕石稱為復礦角礫巖隕石, 如LL群普通球粒隕石角礫巖中包含的H5型球粒碎屑[1]以及在H群普通球粒隕石角礫巖中發現的CM2和LL5球粒隕石碎屑[2-3]。

隕石中角礫的形成一般與母體的吸積過程或后期撞擊事件有關, 因此, 研究這些角礫對研究隕石母體的演化歷史及小天體的撞擊過程具有重要意義, 如隕石母體的吸積過程、 母體的巖性、 沖擊變質歷史、 以及后期的壓實和成巖固化等過程[4-5]。幾乎所有的隕石母體在太空歷史中都會遭受其他小星體的碰撞, 碰撞的速度有快有慢, 形成疏松多孔的表層角礫巖的碰撞速度相對低, 一般不低于1.3 km/s[6-7]; 但是要形成碎屑角礫巖或者表層角礫巖中含有熔融的巖石碎屑的碰撞速度相對高, 不低于4.5 km/s[8]。 然而， 碰撞作用形成的碎屑巖基質不同于球粒隕石中星云凝聚作用形成的基質[9-10]。

林東隕石是一塊完全由角礫碎屑及基質組成的隕石, 被劃分為LL5-6型普通球粒角礫巖隕石(https://www.lpi.usra.edu/meteor/metbull)[11]。從手標本新鮮面上即可看到大小不一、 顏色不同的角礫和礦物碎屑鑲嵌在基質中, 由此可以看出林東隕石的角礫類型非常豐富。 普通球粒隕石中常見有角礫現象, 但角礫的含量低且類型單一， 而林東隕石的角礫不僅含量高, 而且角礫巖石類型多樣, 顯然是由不同類型隕石撞擊混合而成的。林東隕石豐富的角礫碎屑表明該隕石來自其母體表面, 為表土角礫巖。因此, 該隕石對了解普通球粒隕石母體表面的撞擊歷史具有重要意義。本文主要是分析角礫的巖石礦物學特征, 討論角礫的隕石類型, 進而探討該隕石母體發生的撞擊歷史及其表面的熱變質作用。

1 樣品和實驗

林東隕石主體樣品表面大部分覆蓋有熔殼, 但熔殼出現斑駁狀脫落, 樣品總質量約18 kg。本次實驗樣品大小約27 mm×22 mm×8 mm, 質量15.6 g(圖1), 該樣品較新鮮, 破裂面呈灰白色, 局部呈淺褐色, 表明輕微風化, 其中可見黑色、 灰色以及淺灰色的角礫碎屑, 約占樣品的50%。由于樣品較疏松且容易脫落, 因此, 先對其進行環氧樹脂注膠, 待其硬化, 將注膠樣品切割成切片, 最后制作成光薄片。在光學顯微鏡、 掃描電鏡、 電子探針下觀察巖石礦物學特征, 利用掃面電鏡背散射圖片(BSE)對該隕石的礦物模式含量進行統計。礦物的化學成分定量分析在桂林理工大學廣西地質工程中心重點實驗室完成, 采用JEOL-8230型電子探針, 實驗條件:加速電壓15 kV、 束流20 nA, 用自然和合成礦物作標樣, 測試結果分析數據采用ZAF法校正。

圖1 林東隕石原石樣品Fig.1 Lindong meteorite sample

2 巖石學特征

2.1 巖石整體結構

林東隕石具有十分明顯的角礫結構, 隕石樣品表面(圖1)、 背散射圖像下(圖2)均顯示大小不等的角礫, 角礫的輪廓非常清晰, 邊界輪廓非常容易分辨, 角礫有巖屑、 礦物屑和球粒3種。隕石的礦物組成有橄欖石、 低鈣輝石、 Fe-Ni金屬和隕硫鐵, 再生長石和少量高鈣輝石。在單偏光下, 碎屑之間基質不透明—半透明。本次工作把角礫和基質粒度界限人為設定為0.1 mm, 據此, 角礫和基質約各占一半, 總體Fe-Ni金屬和硫化物約占4.1vol%。角礫輪廓渾圓度存在明顯不均一性, 大多數角礫的棱角比較明顯, 近似三角形或四邊形, 渾圓度較差； 少量為次棱角狀, 邊緣形狀不規則, 渾圓度較好。角礫粒度和類型的分布不均勻, 表明巖石角礫分布不存在分選性。另外, 大部分球粒以角礫形式存在, 粒度大于0.1 mm, 少部分球粒或球粒碎片小于0.1 mm, 分布在基質中, 球粒的類型以爐條狀橄欖石球粒為主, 斑狀橄欖石球粒、 放射狀輝石球粒、 斑狀橄欖石輝石球粒為次。大部分球粒的輪廓清晰, 重結晶程度低, 部分球粒發生脫玻化形成輝石和長石微晶。

2.2 角礫的類型與特征

林東隕石具有結構復雜和類型多樣的角礫, 不同角礫表現出強烈差異的性質, 如光學顯微鏡下有些角礫不透明, 有些透明; 在電子顯微鏡背散射電子圖像(BSE)下, 角礫結構多樣, 如球粒結構、 輕微重結晶、 強烈重結晶, 甚至無球粒結構。

為了給不同角礫編號,首先對薄片的BSE圖像全拼圖進行區域劃分, 然后給每個角礫進行編號命名, 如圖2橫坐標網格以字母A→K標示, 縱坐標網格以數字1→10標示, 以角礫所在方格的橫縱坐標表示, 如C8; 倘若一個方格中出現2個以上角礫時, 根據每個方格中角礫的面積由大到小在編號后再加序號, 如D1-2。根據結構、 礦物組合和沖擊變質特征等, 隕石中角礫被劃分為LL5型、 LL4型、 LL沖擊熔融型、 LL5型球粒、 LL3型球粒、 H5型和無球粒隕石型7種類型, 除了LL5型角礫含量大(41.7%， 體積分數，下同)外, 其他類型角礫含量都在1%～2%, 無球粒隕石型角礫僅見1顆(0.5%)(表1), 不同類型角礫和基質的模式含量見圖3, 不同類型角礫和基質的Fe-Ni金屬及硫化物模式含量見圖4。

圖2 林東隕石薄片背散射電子圖像全拼圖Fig.2 BSE images of the Lindong meteorite thin section 圖中代表性角礫編號通過二維字母和數字設定

圖3 不同類型角礫和基質的模式含量直方圖Fig.3 Histogram of different breccia types and matrix with their volumes matrix—基質; 其余類型編號見表1

圖4 不同類型角礫和基質的Fe-Ni金屬及 硫化物模式含量直方圖Fig.4 Histogram of different breccia type and matrix with Fe-Ni metal and sulfide pattern content

表1 不同類型角礫的巖石學特征Table 1 Petrological characteristics of different breccia

2.2.1 角礫類型1(LL5型, 如F7) LL5型角礫在林東隕石中含量最多(41.7%), F7是該類型的代表性角礫(圖5)。在單偏光下, 該類型角礫呈淺色透明, 巖石學特征表現為主要由淺色礦物組成, 可見殘留球粒結構, 如放射狀輝石殘余球粒和爐條狀殘余球粒, 球粒輪廓模糊, 大小分別為2.0和1.1 mm。 大部分球粒和球粒間的基質發生了重結晶, 呈半透明—透明狀; 隕石的礦物組合是橄欖石、 低鈣輝石、 再生長石以及少量不透明礦物。 橄欖石大小在50～100 μm, 最大粒徑達到500 μm, 長石顆粒大小在10～150 μm, 大部分集中在20 μm。 不透明礦物主要為Fe-Ni合金和隕硫鐵, 呈細小渾圓狀較均勻地分布在整個角礫中, 顆粒大小在1～100 μm, 個別可達到200 μm, 其中硫化物顆粒居多, 偶爾可見隕硫鐵與Fe-Ni金屬、 鉻鐵礦集合體現象。F7角礫中出現脈狀重結晶現象, 可能指示了該角礫也為角礫巖, 其中角礫間基質發生了重結晶。該類型角礫部分礦物顆粒發生不規則破裂, 橄欖石波狀消光, 沖擊程度為S2, 金屬和硫化物附近有輕微的黃褐色, 風化等級為W2。

圖5 LL5型角礫(F7)Fig.5 LL5 brecciaa—角礫中主要礦物成分為橄欖石、 輝石、 斜長石以及Fe-Ni金屬和硫化物, 圖中白色虛線區域內為富斜長石帶; b—角礫局部放大, 可見大顆粒自形的橄欖石, 斜長石呈他形粒狀, 粒徑>20 μm。 ol—橄欖石; py—低鈣輝石; pl—斜長石; rich-pl-v—富斜長石帶

2.2.2 角礫類型2(LL4型, 如C8) 該類型角礫具有斑狀結構(圖6), 斑晶為橄欖石及少量輝石, 基質單偏光下為黑色不透明狀。在C8角礫中, 可見一爐條狀橄欖石殘余球粒, 輪廓不清晰, 球粒大小約300 μm(圖6d)。橄欖石斑晶自形程度高, 晶型輪廓非常清晰, 大部分呈長條狀, 寬度大于40 μm, 長度可達400 μm。基質為細粒斑狀結構, 斑晶為他形-半自形粒狀橄欖石和輝石, 粒徑<10 μm, 斑晶之間為隱晶質基質。在BSE圖像下, 基質分布在橄欖石和輝石斑晶間隙中, 在高倍反光鏡下可見基質中含有微米級大小的金屬。不透明礦物主要為隕硫鐵、 少量Fe-Ni合金, 顆粒大小約1～20 μm, 二者常共生產出；斜長石顆粒大小≤2 μm。該角礫未發現沖擊融脈, 少量橄欖石發生面狀破裂, 波狀消光, 沖擊程度為S2, 金屬和硫化物附近浸染輕微的黃褐色, 風化等級為W2。該角礫具有橄欖石晶體非常自形, 基質黑色， 橄欖石TiO2含量高等特征。

圖6 LL4型角礫Fig.6 LL4 brecciaa—C8角礫BSE圖像; b—C8角礫局部放大, 大顆粒的橄欖石斑晶和輝石微晶; c—C8角礫單偏光圖像, 可見透明的斑晶和黑色的基質; d—C8角礫中可見一殘余的爐條狀球粒

2.2.3 角礫類型3(LL沖擊熔融型, 如D2) 該類型角礫在單偏光下幾乎呈黑色, 為沖擊熔融型角礫。角礫由于遭受到強烈的沖擊熔融重結晶, 硅酸鹽礦物發生了暗化, 表面發黑。少量淺色礦物為結晶程度較好的斑晶, 主要為橄欖石, 粒徑約20～100 μm。其他暗色部分為玻璃質基質, 未發生脫玻化, 不透明, 在高倍鏡下可見微米級大小的金屬(圖7)。同時, 在BSE圖像下可見大量細小結晶物質, 為雛晶, 重結晶程度低, 在正交光下無光性反應, 主要由橄欖石和輝石微晶組成, 呈針簇狀。隕硫鐵大多數沿角礫的弧形邊緣分布, 粒徑<50 μm, 未發現Fe-Ni金屬。

圖7 LL沖擊熔融型角礫(D2)Fig.7 LL impact melt brecciaa—角礫單偏光圖像, 黑色基質和透明斑晶清晰可見; b—角礫BSE圖像, 金屬和硫化物富集在角礫邊緣; c—大部分為橄欖石斑晶, 少量輝石斑晶; d—呈長條狀的橄欖石斑晶中心析出輝石微晶, 微米級大小的金屬充填在基質中。trl—隕硫鐵

2.2.4 角礫類型4(LL5球粒型, E1) 該類型角礫是爐條狀橄欖石球粒, 基質重結晶程度高，橄欖石斑晶占85%, 呈短柱狀, 最大粒徑約200 μm。在BSE圖像下(圖8), 大顆粒橄欖石未發現成分環帶, 成分較均一; 且大部分橄欖石斑晶呈定向分布, 邊界清晰, 自形程度高, 在正交光下消光位一致, 少量橄欖石為不定向分布, 消光位不平行分布。暗色部分為基質, 已發生較強烈的重結晶, 主要形成再生長石、 高鈣輝石以及細顆粒鉻鐵礦。BSE圖像下可見再生長石填隙于橄欖石和輝石之間, 顆粒粒徑為5～25 μm。鉻鐵礦呈長條間斷狀細脈鑲嵌在大顆粒的橄欖石中或呈單顆粒充填在橄欖石與斜長石間隙中, 大小約1～5 μm。少量硫化物和金屬不均勻地分布在整個角礫中。

圖8 LL5球粒型角礫(E1)Fig.8 LL5 chondrite brecciaa—角礫BSE圖像, 由橄欖石和少量基質組成; b—主要成分為橄欖石、 少量高鈣輝石、 長石以及鉻鐵礦, 結晶順序應為橄欖石—高鈣輝石—長石—鉻鐵礦, 其中長石和鉻鐵礦填隙于二者的縫隙中; c—角礫單偏光圖像; d—角礫正交偏光圖像, 大部分橄欖石消光一致。chr—鉻鐵礦; high-ca-py—高鈣輝石

2.2.5 角礫類型5(無球粒隕石型, D1-2) 該類型角礫僅發現1個, 具有粗粒粒狀結晶或變晶結構(圖9), 主要由淺色礦物以及少量不透明礦物組成。淺色礦物包括橄欖石、 低鈣輝石和斜長石, 自形程度均較高。最大橄欖石顆粒粒徑約200 μm, 長石顆粒大小范圍約30～100 μm。不透明礦物主要為隕硫鐵和鉻鐵礦, 呈不規則狀粒狀隨機分布在角礫中, 顆粒大小<70 μm, 其中硫化物顆粒居多, 不含Fe-Ni金屬。橄欖石顆粒有輕微不規則破裂, 無沖擊融脈, 正常消光, 沖擊程度為S1。粗粒結晶結構和缺乏Fe-Ni合金表明, 該角礫為無球粒隕石角礫。

圖9 無球粒隕石型角礫(D1-2)Fig.9 Achondrite brecciaa—角礫BSE圖像, 具有致密的結晶結構或者高度重結晶結構; b—角礫正交偏光圖像礦物斑晶粗大, 為粗粒結構

2.2.6 角礫類型6(LL3球粒型, 如D8) 為典型的爐條狀球粒, 球粒結構清晰, 呈橢圓形, 由基質和斑晶組成(圖10)。斑晶為彼此近似平行的橄欖石和輝石骸晶, 其間被殘余的基質隔開, 橄欖石和輝石斑晶呈長條狀, 斷面為爐條狀, 橄欖石和輝石斑晶在偏光鏡下消光位完全一致, 為平行消光。基質呈暗色, 少量基質發生脫玻化, 析出少量斜長石微晶, 粒徑<2 μm, 呈針狀, 自形程度低, 多數基質未發生脫玻化, 為玻璃質基質。在高倍BSE圖像下, 可見球粒中含有少量微米級大小的金屬(0.5%), 充填在基質和斑晶中。與LL5型球粒相比, 這個類型的球粒基質輕度重結晶, 而前者基質強烈重結晶。

圖10 LL3球粒型角礫(D8)Fig.10 LL3 chondrite brecciaa—角礫BSE圖像, 球粒的輪廓清晰, 呈橢圓形; b—斑晶為彼此近似平行的橄欖石和輝石, 基質充填在二者間隙, 基質中含有少量的金屬和硫化物; c—角礫單偏光圖像, 橄欖石和輝石斑晶透明, 基質為暗色不透明; d—角礫正交偏光圖像, 橄欖石晶體消光一致。max—基質

2.2.7 角礫類型7(H5型, 如K4) 該型角礫含量約4.2%。 該類型角礫的典型特征是富含Fe-Ni金屬和硫化物(圖11), 根據BSE圖像模式統計得出硫化物和Fe-Ni金屬約占41.2%, 其中隕硫鐵約占35.8%, Fe-Ni金屬約占5.4%。 從礦物組成上看，主要由橄欖石、 輝石及硫化物和Fe-Ni金屬組成, 并含有少量長石和鉻鐵礦。 硅酸鹽礦物斑晶鑲嵌在硫化物和Fe-Ni金屬之間, 斑晶主要為橄欖石和輝石, 呈半自形-自形產出; 基質呈半透明狀, 中等程度重結晶。其中，硫化物呈不規則團塊或細粒狀分布在角礫中, 最大顆粒長軸直徑可達220 μm, 大部分硫化物發生了破裂, 并且充填了渾圓狀的硅酸鹽礦物; 金屬未發生裂隙或發生破碎, 最大顆粒長軸直徑可達300 μm, 未發現硅酸鹽充填; 鉻鐵礦呈渾圓狀, 大小約50μm; 常見硫化物與Fe-Ni金屬、 鉻鐵礦兩者共生。角礫未發現沖擊融脈, 硫化物出現了破裂, 橄欖石可見面狀裂理和波狀消光, 沖擊程度為S3, 在顯微鏡下, 可見金屬和硫化物附近發生了黃褐色浸染和氧化邊, 風化等級為W2。

圖11 H5型角礫(K4)Fig.11 H5 brecciaa—角礫BSE圖像, 角礫中富含硫化物和Fe-Ni金屬, 硫化物裂隙中充填了硅酸鹽礦物; b—部分Fe-Ni金屬和硫化物發生了地球風化作用, 黃色虛線區域內為氧化邊, 隕硫鐵內的細脈為氧化脈。Fe-Ni—鐵鎳合金; Oe—氧化邊; Ov—氧化脈

3 礦物化學特征

對林東隕石7種不同類型角礫和基質碎屑的主要礦物橄欖石、 低鈣輝石進行了系統的化學成分定量分析, 不同角礫和基質碎屑隨機選取了2～28處進行電子探針分析, 分析結果見表2、表3。

3.1 橄欖石

各種角礫類型和基質均出現了橄欖石, 而且在這些產狀中均為主要礦物, 為了判斷各種角礫的巖石類型和研究其間的關系, 對不同產狀的橄欖石進行了電子探針分析, 其代表性電子探針成分列于表2。經過對比分析, 發現這些角礫和基質的橄欖石具有如下成分特征:

(1)雖然不同角礫和基質的橄欖石成分總體上比較接近,但是個別元素表現出一些差異。

(2)在MgO和FeO值上, 除類型7角礫的橄欖石FeO含量略微偏高外, 其平均Fa值(摩爾分數, 下同)為29.8%, 其他角礫(包括無球粒隕石型)非常接近, 其平均Fa值在29.1%～29.4%(表2、 圖12), 其PMD值(相對標準偏差)均小于2.5%。另外, 在同一類型角礫中, 角礫之間的橄欖石成分也基本相同, 以類型1角礫為例, 其Fa值變化在28.6%～29.5%。

圖12 林東隕石不同角礫類型和基質橄欖石Fa值與 低鈣輝石Fs值分布Fig.12 Fa value of olivine and Fs value of low-Ca pyroxene in different breccias and matrix of Lindong meteorite

(3)各類型角礫的分布范圍具有一定程度的交匯,MnO值的分布幾乎相同(圖13a); 但類型1(LL4型)角礫、 類型6(LL3球粒型)角礫和類型7(H5型)角礫表現出Cr2O3和CaO明顯偏高特征(圖13b、 c); 類型2(LL4型)和類型4(LL5球粒型)角礫中具有明顯的高TiO2含量(圖13d); 類型3(LL沖擊熔融型)角礫含有相對較低的Cr2O3、 TiO2、 CaO值。

(4)基質橄欖石的FeO含量總體比角礫橄欖石的要偏低, 平均Fa值為28.6%; TiO2含量明顯高于角礫(表2、圖13d)。

圖13 林東隕石不同類型角礫和基質的橄欖石微量元素成分分布Fig.13 Distribution of minor elements in olivine from different types of breccia and matrix of Lindong meteorite

表2 林東隕石不同類型角礫和基質橄欖石電子探針分析結果Table 2 Representative electron probe analysis of olivine from different breccia and matrix of Lindong meteoritewB/%

(5)所有橄欖石中NiO、 Al2O3、 Na2O和K2O平均含量均低于0.1%, 無明顯變化特征(表2)。

3.2 低鈣輝石

作為角礫和基質的主要礦物,通過電子探針對不同產狀低鈣輝石進行了詳細的成分分析。 通過數據分析(表3、圖14)發現, 不同類型角礫和基質的低鈣輝石成分具有如下特征:

圖14 林東隕石不同類型角礫和基質的低鈣輝石微量元素成分分布Fig.14 Minor elements composition of olivine and low-Ca pyroxene in different breccias and matrix of Lindong meteorite

表3 林東隕石不同類型角礫和基質低鈣輝石電子探針成分Table 3 Representative electron probe composition of low-Ca pyroxene from different breccia and matrix of Lindong meteoritewB/%

(1)與橄欖石類型相似,低鈣輝石總體成分在各類型角礫和基質上的分布范圍相近,如從角礫類型1～7，再到基質, 低鈣輝石的平均Fs值(摩爾分數， 下同)分別為24.1%、 23.9%、 23.7%、 24.3%、 24.6%、 24.3%、 24.2%、 23.5%, 但基質中的低鈣輝石Fs值(平均值為23.5%)比角礫中的低鈣輝石Fs值(平均值為24.1%)整體偏小(圖12)。另外, 各類型Fs值的相對標準偏差存在較大的變化,PMD為0.9%～4.5%, 而且與對應角礫的橄欖石Fa值PMD要大, 但是類型5(無球粒隕石型)角礫橄欖石Fa和低鈣輝石Fs的PMD均不同于其他角礫和基質。

(2)Cr2O3含量: 類型4、 類型6、 類型7角礫的低鈣輝石Cr2O3含量相對較高, 變化范圍大, 平均含量(質量分數)分別為0.36%、 0.23%和0.35%; 類型1角礫低鈣輝石中Cr2O3含量變化較大, 但平均值偏低(0.17%); 其他類型角礫Cr2O3含量較低, 均在0.10%以下。

(3)TiO2含量:類型1、 類型2和類型4低鈣輝石TiO2含量相對較高, 平均含量均超過0.30%; 類型3和類型7角礫TiO2含量中等, 為0.27%; 類型6角礫TiO2含量為0.20%; 類型5角礫TiO2含量最低, 為0.16%。

(4)Al2O3含量:類型7角礫低鈣輝石中的含量最高, 為0.67%; 類型1、 類型4和類型6角礫中低鈣輝石的含量中等, 介于0.19%～0.36%; 而類型2、 類型3和類型5較低, 在0.11%～0.14%。

(5)MnO含量:所有角礫低鈣輝石成分較為相近, 均在0.40%～0.48%。

(6)基質中低鈣輝石成分的主量MgFe質成分和微量元素成分均介于各種角礫類型成分之間。

4 討 論

4.1 林東隕石類型劃分

對于球粒隕石, Van Schmus等[12]在1967年最早提出了化學-巖石學分類體系, 主要通過隕石中的總鐵量、 Fe-Ni合金和隕硫鐵的豐度來劃分化學群; 同時根據隕石的結構構造和巖石學特征來劃分隕石的巖石類型。由于林東隕石是球粒隕石混合角礫巖, 本文結合不同巖石角礫的比例, 對林東的隕石類型進行綜合評估和討論。

4.1.1 角礫的巖石類型分析 據上述角礫的巖礦特征分析發現, 雖然不同角礫的橄欖石和低鈣輝石的SiMgFe質成分很相近, 但是這些角礫的巖石結構和礦物組合存在明顯的差異, 表明這些角礫屬于不同的隕石類型。因此, 單憑主要礦物的成分去判定角礫的隕石類型不太合適, 但可以作為一定的參考依據。因此,本文主要根據角礫的巖石結構、礦物組合對角礫的巖石類型及其母體隕石類型進行分析和討論。

(1)角礫類型1—LL5型(如F7): 該類型角礫呈現殘余球粒結構, 具有橄欖石、 低鈣輝石、 Fe-Ni合金和硫化物等礦物組合, 表明其屬于普通球粒隕石。 該角礫基質為中等程度重結晶, 再生長石顆粒大小以2～50 μm為主, 少數顆粒在100 μm左右; 主要礦物成分均勻, 橄欖石Fa和低鈣輝石Fs的PMD值分別為1.4%和2.1%, 這些特征表明角礫類型1的巖石類型符合5型。另外, 該類型角礫橄欖石平均Fa值(摩爾分數， 下同)為29.1%, 低鈣輝石的平均Fs值為24.1%, 另外其Fe-Ni金屬和硫化物的含量低(3.6vol%), 橄欖石和低鈣輝石的MgFe質和金屬含量值均落在普通球粒隕石LL群的范圍之內[13-16]。因此,將角礫類型1劃分為LL5型普通球粒隕石。另外, 橄欖石和輝石具有波狀消光現象, 并具有不規則破裂面, 表明其沖擊程度為S2。Fe-Ni金屬和硫化物附近有輕微的黃褐色, 未發現明顯的氧化邊, 表明其風化等級為W2[17]。

(2)角礫類型2—LL4型(如C8): 該類型角礫含>70vol%的橄欖石斑晶, 斑晶輪廓非常清晰, 均呈自形。根據高豐度的橄欖石含量, 該角礫隕石與富橄欖石無球粒隕石存在一定的相似性[18], 但如下特征排除了富橄欖石無球粒隕石的可能: ①存在殘余球粒結構不同于富橄欖石無球粒隕石的中-粗粒等粒結構[18]; ②該角礫中橄欖石的Fa值為28.3%～29.9%, 平均值為29.4%; 低鈣輝石Fs值為23.0%～24.8%, 平均值為23.9%, 均小于富橄欖石無球粒隕石中橄欖石Fa(30%～35%)和斜方輝石Fs值(28%～31%)。該類型角礫具有殘余球粒結構, 主要由橄欖石斑晶、 少量低鈣輝石、 斜長石以及Fe-Ni金屬和硫化物組成。從礦物組合和結構特征看, 表明該角礫為典型的球粒隕石。其橄欖石成分平均值Fa=29.4%和低鈣輝石平均值Fs=23.9%以及Fe-Ni金屬和硫化物的模式含量(2.8 vol%)均落在了LL群普通球粒隕石范圍之內, 表明其為LL群普通球粒隕石。其橄欖石和低鈣輝石成分均達到了平衡(PMD<5%), 基質重結晶程度較低, 斜長石顆粒粒徑≤2 μm, 因此, 其巖石類型應劃分為4型。角礫未發現沖擊融脈, 少量橄欖石發生面狀破裂, 波狀消光, 沖擊程度應為S2。硅酸鹽礦物附近浸染輕微的黃褐色, Fe-Ni金屬和硫化物未發現氧化邊, 其風化等級應為W2。因此, 該角礫被劃分為LL4型普通球粒隕石。

(3)角礫類型3—LL群沖擊熔融型(如D2):D2角礫主要以橄欖石斑晶為主, 含極少量低鈣輝石, 其他組分為基質和少量硫化物。該角礫可能為熔融再結晶的橄欖石球粒, 其依據是:①整個角礫在單偏光下幾乎均為黑色, 為沖擊過程中硅酸鹽礦物發生暗化所致; ②具細粒斑晶結構, 大多數斑晶為橄欖石, 基質重結晶程度較低; ③角礫具有弧形邊緣, 弧形邊富金屬硫化物, 顆粒粒徑<5 μm, 另外一邊為鋸齒狀, 為破碎的球粒邊緣。根據礦物成分分析, 該角礫的橄欖石(Fa=28.8%～30%, 平均29.4%)和低鈣輝石(Fs=22.8%～24.5%, 平均23.7%)成分均落在了LL群普通球粒隕石的范圍之內。因此, 判定該角礫的隕石類型為LL群沖擊熔融角礫。

(4)角礫類型4—LL5球粒型(如E1):E1角礫為爐條狀橄欖石球粒, 球粒的輪廓較清晰, 表明其應為球粒隕石型角礫。斑晶主要由橄欖石和低鈣輝石組成, 基質為中等程度重結晶, 無玻璃質基質, 斜長石顆粒大小主要集中在5～25 μm, 并且橄欖石的Fa值相對標準偏差(PMD)為2.2%, 低鈣輝石Fs值的PMD為4.5%, 表明其巖石類型應為5型。電子探針數據顯示, 橄欖石Fa值范圍為28.0%～30.0%, 平均值為29.2%； 低鈣輝石Fs值范圍為23.5%～25.0%, 平均值為24.3%； Fe-Ni金屬和硫化物模式含量<1vol%, 成分落在了LL群普通球粒隕石的范圍之內。因此, 該角礫類型應為LL5型普通球粒隕石，橄欖石正常消光, 不規則破裂, 沖擊程度為S1。

(5)角礫類型5—無球粒隕石型(如D1-2):D1-2角礫在礦物組成、 以及礦物成分上與其他角礫的非常接近, 如橄欖石平均Fa值為29.3%, 低鈣輝石平均Fs值為24.6%, 隕硫鐵的模式含量為6.8vol%。但是它不具有球粒結構, 為粗粒粒狀結晶或變晶結構, 橄欖石自形程度非常高, 斜長石顆粒粒徑≥50 μm。因此, 這個角礫明顯不同于球粒隕石型角礫:①粗粒結晶結構表明它很有可能為無球粒隕石; ②該角礫在巖石結構上與原始無球粒隕石Acapulkoite-Lodranites相似, 但在礦物組合和化學成分上有差別, 缺少了Fe-Ni金屬、 磷灰石和石墨等, 并且橄欖石Fa值和低鈣輝石Fs值均高于原始無球粒隕石Acapulkoite-Lodranites; ③該角礫與Winonaites大致具有相似的礦物組成, 但Winonaites礦物成分介于E和H球粒隕石之間, 并且普遍富含Fe-Ni金屬和FeS脈。

(6)角礫類型6—LL3球粒型(如D8): D8角礫是一個典型球粒。 它的橄欖石平均成分(Fa=29.2%)、 低鈣輝石平均成分(Fs=24.3%)、 金屬含量低(0.5vol%)等表明其為LL群普通球粒隕石。該角礫的球粒結構非常清晰, 球粒中輝石礦物主要以單斜輝石為主, 基質多為玻璃質, 少量發生脫玻化, 幾乎不含次生長石, 這些角礫的結構特征指示該角礫的巖石類型為3型。因此, 該角礫的類型被劃分為LL3球粒。

(7)角礫類型7—H5型(如K4): 該角礫與其他角礫具有顯著差別, Fe-Ni金屬和硫化物含量較高(41.2vol%), 其中隕硫鐵占35.8vol%, Fe-Ni金屬占5.4vol%。雖然結構上沒有出現球粒, 但是礦物組成和重結晶結構表明該角礫為球粒隕石。雖然該角礫中橄欖石平均成分(Fa=29.8%)和低鈣輝石平均成分(Fs=24.2%)落在LL群范圍, 但是其Fe-Ni金屬模式含量(5.4vol%)介于普通球粒隕石H群范圍之內(3vol%～8vol%), 并且硫化物和Fe-Ni金屬總模式含量(41.2vol%)也落在了球粒隕石H群范圍之間(40vol%)[13]。 根據礦物組成考慮, 該角礫的全巖成分顯然落在H群范圍, 因此,將該角礫劃分為H群。另外, 該角礫中的橄欖石和低鈣輝石成分比較均一, 斜長石顆粒大小集中在20 μm, 該角礫的巖石類型屬于5型。因此, 該角礫的隕石類型被劃分為H5型普通球粒隕石。橄欖石具有面狀破裂和波狀消光, 沖擊程度為S3, 在顯微鏡下, 可見金屬和硫化物附近發生了黃褐色浸染和氧化邊, 風化等級為W2。

4.1.2 隕石母體類型劃分 表土角礫巖是指在母體小行星表面形成的復礦碎屑角礫巖, 以較小天體撞擊的機械粉碎為主, 受到太陽風的輻射富集稀有氣體, 并可能含有沖擊熔融角礫和外來物質[5, 19]。 林東隕石為表土角礫巖的證據有: ①整體是角礫, 具有典型的角礫結構; ②基質破碎, 整體松散;③具有大小不等、 顏色不同的角礫, 角礫類型豐富; ④角礫邊界清晰, 棱角分明, 并具有復合角礫。林東隕石的形成過程為:隕石母體表面經歷了各種小天體的反復撞擊導致母體表層基巖發生強烈破碎并因此混合有多種角礫碎屑而后逐漸壓實固結成巖, 最后經一次大的撞擊事件脫離了母體。一般來說, 相對于體積較大的隕石母體, 外來撞擊隕石角礫的含量相對較低, 因此隕石母體中數量最多的角礫類型應代表該隕石母體的隕石類型。根據巖石礦物學分析以及BSE全拼圖統計(圖2), LL型的角礫類型含量所占的比例最大(約占47.4vol%), 所含角礫的隕石類型有:LL5型角礫、 LL4型角礫、 LL沖擊熔融型角礫、 LL5球粒型角礫、 無球粒隕石型角礫、 LL3球粒型角礫、 H5型角礫, 并且主要以LL5型角礫為主(約占41.7vol%)。因此, 林東隕石母體應為LL5普通球粒隕石。

4.2 林東隕石沖擊歷史與成因

上述林東隕石不同類型角礫的特征研究表明,林東隕石已發現了7種角礫類型,充分證明該隕石來自其母體表面,為表土角礫巖。同時,這些復雜多樣的角礫類型也證明林東隕石母體經歷了復雜的撞擊歷史。假如每次撞擊體屬于不同的隕石類型,那么隕石母體每發生一次撞擊事件,其表層應該增加一種角礫類型。現在林東隕石中已經發現了7種巖石類型的角礫,排除隕石母體受撞擊破碎而成為其中一種角礫類型外,林東隕石的角礫形成至少需經歷6次撞擊事件,也就是說,林東隕石7種類型角礫至少代表了6次撞擊事件。

既有球粒隕石也有無球粒隕石, 既有LL群又有H群, 既有非平衡3型也有平衡型5型。 一般來說, 雖然球粒隕石在巖石結構、 礦物學、 總體化學成分以及同位素方面存在一定的相似性和共性, 但不同球粒隕石化學群代表了不同的母體來源, 因此, 這些化學群在巖石學、 礦物學、 化學成分和同位素成分特征會存在一定差異[18, 20]:如H群、 L群和LL群, 橄欖石和低鈣輝石受Prior定律影響, 它們Fa和Fs產生相應的變化, 從H群—L群—LL群, Fa和Fs逐漸增高, 如Fa值的變化H(17.3%～20.2%)—L(23.0%～25.8%)—LL(26.6%～32.4%)。然而, 林東隕石的角礫從結構和礦物組成表現出強烈差異, 說明這些角礫屬于不同類型隕石, 有些甚至是不同化學群。但是, 這些不同類型的角礫在橄欖石和低鈣輝石礦物主要成分(Si、 Mg、 Fe)上非常相近, 如：(1)它們的橄欖石MgFe質成分非常相近, Fa值在28.0%～30.4%, 尤其是H5型角礫和無球粒隕石角礫; (2)低鈣輝石MgFe質成分在不同角礫之間幾乎沒有太大變化, Fs值介于22.8%～24.8%, 這些成分均分布在LL群范圍內[12, 14]; (3)橄欖石和低鈣輝石顆粒之間成分相對均一; (4)單個橄欖石和低鈣輝石顆粒沒有明顯的成分環帶。

但是值得注意的是, 橄欖石和低鈣輝石在微量元素成分上,還是存在較明顯的差異, 主要是Cr2O3、 TiO2、 Al2O3等。(1)橄欖石成分對比表明, 角礫類型1、 類型6和類型7具有較高的Cr2O3和TiO2含量, 而角礫類型2和類型4具有較高的TiO2含量; (2)低鈣輝石成分對比表明, 角礫類型4、 類型6和類型7具有較高的Cr2O3含量, 而角礫類型1、 類型2和類型4具有較高的TiO2含量, 只有類型7具有相對高的Al2O3。

為什么這些不同類型或群的角礫具有如此相近的橄欖石和低鈣輝石的主要元素成分特征? Prior定律認為主要硅酸鹽礦物中FeO含量與母體環境的氧化程度是正相關關系, 因此, 這種現象似乎與Prior定律相矛盾。 難道這些角礫是隕石母體的不均一性原因造成的?該隕石是強烈的角礫狀結構, 顯然不同于普通的球粒隕石, 如前文討論該隕石為母體表面的表土角礫巖, 它是隕石母體表面多次撞擊作用的結果。 隕石母體不均一性原因可以解釋部分角礫結構和礦物組成存在差異而礦物成分相同的現象, 但是無球粒隕石結構現象完全可以不同于其他球粒隕石角礫, 顯然是外來的。因此, 隕石母體不均一性無法解釋全部角礫礦物成分相同的現象。 該隕石不同類型角礫的橄欖石和低鈣輝石與其來源母體發生了鎂鐵質成分交換, 即成分平衡作用。 巖石結構和礦物組合是隕石類型劃分最重要的參數和證據, 一般而言, 不同隕石類型, 尤其是不同氧化還原程度的隕石, 鎂鐵質礦物成分應該存在明顯差異。 但是, 林東隕石中的H群角礫具有LL群礦物成分就是林東隕石不同角礫與主巖LL型母體發生了MgFe質成分平衡交換的有力證據。

礦物平衡交換作用的條件是一定的溫度條件。為林東隕石母體表面產生礦物成分平衡的熱力學機制有兩種可能性:沖擊變質作用和母體熱變質作用。林東隕石的角礫結構和多種類型角礫的存在, 證明了母體經歷了復雜撞擊歷史, 另外, 其中也有LL撞擊熔融型角礫也說明了沖擊變質作用。但是, LL撞擊熔融型角礫數量不多, 說明沒有發生廣泛的產生礦物成分平衡均一化的沖擊熔融事件。

球粒隕石不同巖石類型研究表明, 隨著巖石類型從3型到6型, 橄欖石和低鈣輝石的MgFe質成分也就趨于平衡, 其中3型球粒隕石PMD>5%, 橄欖石和低鈣輝石顆粒存在強烈的成分環帶, 而4型—6型球粒隕石中,PMD<5%, 橄欖石和低鈣輝石顆粒MgFe成分是均一的。球粒隕石主要礦物成分平衡均一化的原因是球粒隕石母體的熱平衡作用。因此, 本文認為母體的熱變質作用是最可能的原因。橄欖石和低鈣輝石中MgFe質在熱變質條件下易于遷移, 而微量元素Cr、 Ti、 Ca等元素在不同角礫中還存在一定差異可能是這些元素相對惰性造成的。由于林東隕石為表土角礫巖處于母體的表層, 理論上變質溫度比較低, 難以形成平衡型球粒隕石。如果林東隕石是因為母體位置日心距很小, 環境溫度高, 從而造成不同角礫礦物成分平衡作用的話, 林東隕石的深入研究對了解小行星母體環境和位置具有重要意義。

5 結 論

(1)巖石礦物學特征觀察和分析表明,林東隕石角礫的隕石類型復雜多樣,即LL5型角礫、 LL4型角礫、 LL沖擊熔融型角礫、 LL5球粒型角礫、 無球粒隕石型角礫、 LL3球粒型角礫和H5型角礫等, 來源于隕石母體的表層角礫巖。

(2)根據林東隕石全巖結構特征、角礫類型及其含量分布、橄欖石和低鈣輝石成分等分析,提出林東隕石母體為LL5型普通球粒隕石。

(3)林東隕石7種巖石類型角礫指示了其母體至少發生了6次撞擊事件。

(4)林東隕石的角礫隕石類型多樣,主要以LL群角礫為主但又存在H群角礫, 巖石類型既有5型也有3型, 但是各類型角礫中的橄欖石和低鈣輝石成分均非常相近, 其中PMD都小于5%, 這表明后期外來角礫中的橄欖石和低鈣輝石與林東隕石母體在主量元素方面發生了平衡交換作用。

(5)在林東隕石LL群母體表面表層角礫巖中MgFe質成分發生平衡交換作用, 可能指示了小行星母體的位置, 即日心距小、環境溫度高, 該隕石的研究對探索研究小行星母體位置具有重要意義。

致謝: 廣東省惠州市彩源隕石科技有限公司繆秉安先生提供了樣品， 謝蘭芳、 夏志鵬等提供了技術幫助， 在此一并表示感謝！