月球隕石NWA 11801中火山玻璃的特征與成因

陳國柱, 繆秉魁, 黃麗霖, 張川統(tǒng), 2, 夏志鵬, 彭艷華, 王 茜

(1.桂林理工大學 a.隕石與行星物質研究中心; b.廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點實驗室;c.行星地質演化廣西高校重點實驗室, 廣西 桂林 541006; 2.中國科學院 月球與深空探測重點實驗室, 北京 100101)

阿波羅月球探測計劃發(fā)現(xiàn)月球表面和月壤里存在許多玻璃物質[1-3], 除常見的撞擊玻璃碎屑外, 還有許多火山噴發(fā)形成的玻璃[4-6]。撞擊玻璃是隕石撞擊月表產(chǎn)生的, 主要分布于月球表土層或月壤中, 這些撞擊玻璃的化學成分通常與原地巖石物質的化學成分相似, 因此, 撞擊玻璃成分變化很大, 對撞擊玻璃的研究有助于了解撞擊區(qū)域的環(huán)境和基底成分信息[3, 7-9]。火山玻璃則是由火山噴發(fā)形成, 它來源于月球內(nèi)部的巖漿, 是了解月球內(nèi)部的物質成分信息和巖漿作用的重要窗口[4]。

在對阿波羅月球返回樣品里的火山玻璃研究中, 根據(jù)登月地點和顏色特點, 已發(fā)現(xiàn)和研究了26種月球火山玻璃[5, 10-16]。這些火山玻璃成分記錄了其原始巖漿深度的信息, 它們的化學成分呈兩個線性系列分布, 表明其來源深度介于～300 km和400 km兩個范圍[16-17]。這些火山玻璃表面通常有一層特殊的覆膜層(或附著層), 其成分主要是揮發(fā)分物質(S、F、Cl), 指示了月球巖漿富含揮發(fā)分物質[20]。另外, 月球火山玻璃中還發(fā)現(xiàn)了自形橄欖石斑晶包裹體[18, 21]。根據(jù)模擬實驗, 橄欖石包體能在一定程度上反映巖漿分異演化的過程或條件[22]。總之, 月球火山玻璃是了解月球內(nèi)部物質的重要窗口, 對了解月球內(nèi)部巖漿成分及其演化具有重要意義。

除了阿波羅月球樣品外, 月球隕石中也不斷發(fā)現(xiàn)許多玻璃物質[23-24], 其中大多為撞擊玻璃, 而火山玻璃很少[25-27]。月球隕石中火山玻璃的研究案例少, 研究程度也不深, 大多只作了簡單鑒別和分類[25-27]。由于月球隕石來源的隨機性, 其中火山玻璃對研究阿波羅考察點以外的月球區(qū)域的火山作用或深部巖漿成分具有非常重要的意義。本次工作在西北非洲NWA 11801月球隕石中發(fā)現(xiàn)了9顆火山玻璃顆粒, 本文對這些新發(fā)現(xiàn)的火山玻璃進行巖石結構觀察和成分分析, 進而探討其成因以及源區(qū)巖漿成分信息。

1 樣品和分析方法

NWA 11801是在非洲西北部發(fā)現(xiàn)的月球隕石。本次工作對象為0.03 mm標準厚度的光薄片。巖石結構觀察和成分分析主要是利用桂林理工大學廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點實驗室的JEOL JXA-8230電子探針微量分析儀(EPMA)和Zeiss∑igma 場發(fā)射掃描電鏡。礦物成分分析條件: 加速電壓15 kV、電子束電流20 nA。分析結果采用自然礦物標準和合成礦物標準, 并基于ZAF程序進行基體校正。每個玻璃顆粒主體成分采用直徑為5～10 μm的散焦光束分析4～8次, 在測定過程中避開了玻璃顆粒中的氣泡和礦物碎屑。玻璃中的微晶和礦物顆粒成分則是用直徑1 μm的聚焦光束測定。

2 分析結果

NWA 11801為復礦碎屑角礫巖, 含有豐富的碎屑角礫(～90%), 角礫的主要類型有撞擊熔融角礫(IMB)、玄武巖屑(G)、斜長巖屑(F)、輝石巖屑(Px)、火山玻璃(VG)、撞擊玻璃(IG)、輝石和斜長石礦物屑等。該隕石薄片樣品在結構上存在明顯的不均一性, 是由明顯不同的兩部分組成(圖1), 以中間實線為界，將其劃分為左半部和右半部：左半部主要由大顆粒的撞擊玻璃、大顆粒的輝石巖屑以及一些細小的礦物碎屑組成; 而右半部主要由中等顆粒大小的撞擊熔融角礫、巖石碎屑、玻璃碎屑和細小的礦物碎屑組成。在化學成分上, 左半部分物質總體上比右半部分物質有更高的FeO含量, 但其MgO含量則比右半部分低。這些撞擊熔融角礫主要以斜長石、輝石、橄欖石和隱晶質-玻璃基質組成。而巖屑包括斜長質巖屑、玄武巖巖屑等, 斜長質巖屑主要由富鈣斜長石、輝石或橄欖石組成, 輝長巖巖屑主要由輝石、橄欖石和斜長石組成，輝石巖屑主要由粗粒的低鈣輝石顆粒組成。礦物碎屑包括輝石、斜長石、橄欖石等。這些玻璃角礫、巖屑和礦物碎屑嵌入以細晶為主的基質中。

圖1 NWA 11801月球角礫巖的背散射電子圖像拼圖

NWA 11801中的玻璃物質存在兩種成因類型: 撞擊熔融玻璃和火山玻璃, 它們在形態(tài)和大小上存在明顯差異。該玻璃樣品的結構和成分特征如下。

2.1 NWA 11801玻璃的結構特征

隕石薄片中共發(fā)現(xiàn)了24顆玻璃顆粒, 這些玻璃表現(xiàn)出一定的形態(tài)結構差異。根據(jù)玻璃的形狀、結構，以及玻璃內(nèi)部微晶的分布、數(shù)量和形態(tài)的差異, 可將這些玻璃劃分為6種類型:

類型一: 該類型玻璃僅發(fā)現(xiàn)1顆, 即VG-1, 幾乎是由純凈的玻璃組成。其外形為橢圓形(圖2a), 大小50 μm×95 μm, 玻璃外圍出現(xiàn)一圈細粒狀淬火冷凝形成的微晶結構(圖2b), 微晶的數(shù)量約占整個玻璃面積的20%。整顆玻璃內(nèi)部結構均一, 無外來雜質。

圖2 玻璃類型一的結構(VG-1, BSE圖像)

類型二: 即VG-2玻璃顆粒, 是一顆含有橄欖石斑晶的隱晶質玻璃(圖3a)。玻璃外形為圓球形, 大小為600 μm×700 μm, 主體為隱晶質玻璃, 玻璃內(nèi)部含有橄欖石斑晶, 在橄欖石斑晶周圍出現(xiàn)針葉狀微晶結構(圖3b), 微晶數(shù)量占整個玻璃面積的20%左右。該玻璃內(nèi)部共有6顆橄欖石斑晶(圖4),其大小從10 μm×20 μm至45 μm×80 μm不等, 晶體形狀為多邊形狀, 邊緣多為平直。橄欖石斑晶在VG-2玻璃內(nèi)部具有自形結晶特征, 個別顆粒邊部圓滑(如圖4a顆粒兩端); 橄欖石顆粒內(nèi)部有似圓形的熔融包體, 包體內(nèi)部嵌滿了針葉狀玻璃微晶(圖4中MI)。玻璃中, 除卻橄欖石包體外, 玻璃內(nèi)部結構一致, 無其他的外來雜質。

圖3 玻璃類型二的結構(VG-2, BSE圖像)

圖4 火山玻璃和撞擊玻璃中的橄欖石特征(BSE圖像)

類型三: 該類型玻璃有2顆(VG-3和VG-4, 圖5), 其共同特點是兩顆玻璃的形狀都為圓球形, 且為隱晶質。VG-3玻璃顆粒的大小16 μm×18 μm, 內(nèi)部有較大的氣孔(～30 vol%), 無微晶結構(圖5a)。VG-4大小為30 μm×35 μm, 在玻璃外圍出現(xiàn)了細粒狀微晶, 微晶面積占整個玻璃面積的30%左右(圖5b)。該類型的兩顆玻璃內(nèi)部結構均一, 且都無外來雜質出現(xiàn)。

圖5 玻璃類型三的結構(BSE圖像)

類型四: 該類型玻璃有3顆, 即VG-5、VG-6和VG-7, 其外形均為不規(guī)則狀, 由隱晶質玻璃和微晶組成, 且在玻璃內(nèi)部都出現(xiàn)了氣孔, 氣孔不規(guī)則狀。VG-5玻璃大小為70 μm×90 μm, 主體為隱晶質玻璃, 細粒狀的淬火冷凝形成的微晶分布在玻璃外圍一圈(圖6b),微晶的面積約占整個玻璃面積的30%, 玻璃內(nèi)部還有一個大的氣孔(～35 vol%)(圖6a); VG-6的大小為20 μm×30 μm, 玻璃中可見極少量的微晶(～1 vol%), 微晶呈細粒狀；該玻璃內(nèi)只分布少量的氣孔(～2 vol%)(圖6c); VG-7大小為30 μm×35 μm, 玻璃內(nèi)部一半面積為隱晶質玻璃, 一半為針葉狀微晶, 玻璃內(nèi)部出現(xiàn)了大面積的氣孔(～35 vol%)(圖6d)。該類型的3顆玻璃內(nèi)部均未發(fā)現(xiàn)有外來雜質,內(nèi)部結構都表現(xiàn)出均一性。

圖6 玻璃類型四的結構(BSE圖像)

類型五: 該類型有2顆玻璃(VG-8和VG-9), 內(nèi)部全由微晶結構構成(圖7)。VG-8為圓球形, 局部有輕微凹陷；VG-9外形為不規(guī)則多邊形, 棱角渾圓, 二者大小分別為60 μm×60 μm和30 μm×30 μm, 其整體都發(fā)生了淬火結晶, 可見細粒樹枝狀的微晶交錯緊密的分布在整顆玻璃里。兩顆玻璃內(nèi)部結構均一, 無任何外來雜質出現(xiàn)。

圖7 玻璃類型五的結構(BSE圖像)

類型六: 共發(fā)現(xiàn)15顆該類型玻璃(IG-1～15), 在形態(tài)上多為不規(guī)則狀, 如不規(guī)則顆粒狀(圖8a、b)或流動形態(tài)(圖8c、d)。玻璃內(nèi)部幾乎都會出現(xiàn)氣孔結構, 且玻璃內(nèi)部基本都有礦物碎屑分布其中(圖8b、c、d), 但也有少數(shù)部分玻璃內(nèi)部結構均勻, 未見礦物碎屑存在(圖8a)。另外, 該類型玻璃中包裹的橄欖石也與VG-2中的橄欖石具有顯著的差異。在該類型玻璃中, 橄欖石顆粒呈不規(guī)則形狀, 無自形結晶的結構特征,橄欖石內(nèi)部無包體,橄欖石周圍的玻璃也無微晶析出(圖4f)。

圖8 NWA 11801中部分類型六玻璃(BSE圖像)

2.2 NWA 11801玻璃化學成分特征

NWA 11801中9顆玻璃(VG-1～9)主體的EPMA分析的化學成分結果見表1, 其主量元素成分(wB): SiO244.7%～48.3%, Al2O38.60%～9.83%, MgO 11.3%～13.8%, CaO 8.92%～9.85%, FeO 19.3 %～23.2 %; 少量元素TiO2、MnO、Na2O和Cr2O3分布范圍分別為0.35%～0.70%、0.22%～0.30%、0.05%～0.27%和0.44%～0.61%(圖9); 其他元素K2O、V2O5、NiO的成分分別為0～0.09%、0～0.06%、0～0.04%。其中在VG-5～7中(類型四), 主量元素SiO2為45.8%～47.4%, Al2O3、MgO、CaO、FeO的含量分別為9.74%～9.83%、13.4%～13.8%、9.12%～9.61%、19.3%～19.9%, 少量元素Na2O為0.13%～0.27% 和Cr2O3為0.45%～0.56%(圖9)。玻璃中微晶的成分與主體的成分略有差異, 相較玻璃主體部分, 微晶中Al2O3含量稍高, 而CaO含量卻略微偏低, 微晶的成分表現(xiàn)為趨向輝石質的成分特征(表1)。此外, 玻璃主體具有較高的MgO/Al2O3值(1.31～1.54), CaO/Al2O3值在0.94～1.13(圖10), Mg#值在49.6～55.7。

圖9 NWA 11801中火山玻璃和撞擊玻璃的主、微量元素的分布

表1 NWA 11801中火山玻璃的化學成分

另外玻璃VG-2中的橄欖石顆粒MgO和Cr2O3的含量較高, 分別為37.8%～40.4%和0.24%～0.40%; FeO和CaO含量略低, 分別為20.0%～21.4%和0.27%～0.38%(表2)。VG-2玻璃里橄欖石還具有較高的Fo值, 分布范圍在76.4 mol%～78.2 mol%(圖11)。

NWA 11801中類型六的15顆(IG-1～15)玻璃的成分分析數(shù)據(jù)見表3, 類型六玻璃成分與類型一～五的9顆玻璃(VG-1～9)成分存在差異。類型六主量元素SiO2(47.0%～51.0%)、Al2O3(11.0%～15.5%)和CaO(10.2%～14.8%)含量比那9顆玻璃略高, MgO(4.18%～11.2%)和FeO(14.9%～21.8%)含量比9顆玻璃略低; 少量元素Na2O和Cr2O3分別為0.13%～0.38%和0.09%～0.50%(圖9); CaO/Al2O3值在0.77～1.06, 明顯具有較低的MgO/Al2O3值(0.30～0.97)(圖10)。此外, 類型六玻璃的Mg#值(31.3～52.1)較低, 且分布范圍廣。

表3 NWA11801中撞擊玻璃的平均化學成分

圖10 NWA 11801火山玻璃的主量元素MgO/Al2O3與CaO/Al2O3值分布

另外, 相較VG-2玻璃, 類型六玻璃中出現(xiàn)的橄欖石MgO、Cr2O3和CaO含量較低, 其含量分別在23.4%～32.3%、0～0.18%和0.14%～0.32%(表2), FeO含量則稍高(30.1%～39.6%)，并且類型六玻璃里橄欖石的Fo值明顯較低(51.4 mol%～65.6 mol%)(圖11)。

圖11 NWA 11801火山玻璃和撞擊玻璃中橄欖石的成分特征

表2 NWA 11801中火山玻璃和撞擊玻璃中橄欖石的平均化學成分

3 討 論

3.1 NWA 11801火山玻璃的判定

根據(jù)對阿波羅返回月球樣品的研究, 月球火山玻璃和撞擊玻璃的結構和化學組分存在明顯區(qū)別(表4)。阿波羅樣品中火山玻璃的主要特征: 1)外形多為圓球狀[18]; 2)結構均一, 無外來夾雜物; 3)組分具有均一性; 4)化學成分MgO/Al2O3值大于1.25, CaO/Al2O3值大于0.75。

表4 月球火山玻璃和撞擊玻璃的區(qū)分特征標準

NWA 11801隕石中發(fā)現(xiàn)的24顆玻璃中, 類型一～五的9顆玻璃為同種成因的玻璃。該9顆玻璃中:

(1)有6顆玻璃(VG-1、VG-2、VG-3、VG-4、VG-8、VG-9)外形為圓球狀或基本為圓球形。其中5顆(VG-1、VG-3、VG-4、VG-8、VG-9)玻璃內(nèi)部結構均一, 無外來夾雜物；而VG-2含有特殊的包體, 其內(nèi)部分布有5顆橄欖石自形斑晶, 橄欖石斑晶周圍出現(xiàn)針葉狀和樹枝狀的微晶結構。前人研究表明, 月球火山玻璃內(nèi)部曾出現(xiàn)橄欖石斑晶, 這些橄欖石斑晶具有典型的自形特征[21], VG-2中橄欖石包體不但具有自形特征, 而且橄欖石四周玻璃還出現(xiàn)快速降溫的冷卻微晶結構。故這6顆玻璃具有火山玻璃的結構特征。另外, 化學成分特征顯示, 6顆玻璃的主量元素及少、微量元素均與類型六玻璃有明顯的差異(圖9), 且其MgO/Al2O3值(1.31～1.54)均大于1.25(圖10), CaO/Al2O3值(0.94～1.13)均大于0.75, 6顆玻璃的化學成分特征表明它們均為火山玻璃。

(2)另外3顆玻璃(VG-5、VG-6、VG-7)外形表現(xiàn)為非圓球狀或不規(guī)則團塊狀, 與撞擊玻璃非常相似, 存在是撞擊玻璃的可能性。隨著對火山玻璃的深入研究, 在月球隕石中也觀察到火山玻璃外形為非圓球狀[27]。本次發(fā)現(xiàn)的3顆非圓球狀的玻璃內(nèi)部結構均一, 無任何外來的夾雜物, 與撞擊玻璃具有明顯差別。比如, 在該樣品里發(fā)現(xiàn)的玻璃類型六(如IG-5、IG-7、IG-12、VG-15), 外形也都為不規(guī)則形狀, 但在其玻璃內(nèi)部礦物碎屑普遍存在, 結構不均一(圖8), 為撞擊玻璃的結構特征, 它們與這3顆玻璃(VG-5、VG-6、VG-7)形成鮮明的差異。從化學成分分析, 這3顆玻璃的部分元素(如Na、Al、Fe、Cr)分布似乎在火山玻璃和撞擊玻璃過渡區(qū)域, 但總體上還是屬于火山玻璃區(qū)(圖9)。此外, 3顆玻璃的其他元素(Mg、Ca等)則完全分布在火山玻璃區(qū)。最重要的是, 3顆火山玻璃MgO/Al2O3值(1.38～1.40)均大于1.25和CaO/Al2O3值(0.94～0.98)也均大于0.75, 則準確判斷它們是火山玻璃[17]。另外, 9顆玻璃的MgO/Al2O3和CaO/Al2O3值都分布在火山玻璃成分范圍內(nèi), 而類型六玻璃則分布在月海撞擊玻璃區(qū)(圖10)。

綜上所述, 結合9顆玻璃的結構特征和化學成分特征, 可判斷9顆玻璃均為火山玻璃。

3.2 NWA 11801火山玻璃的成分類型

通過對阿波羅火山玻璃的研究表明, 火山玻璃TiO2含量在0.2%～17.0%[4]。而NWA 11801火山玻璃中TiO2含量為0.35%～0.70%, 含量相對較低(<1%), 這與阿波羅14、17極低鈦火山玻璃和阿波羅11、14、16、17綠色玻璃更為相似, 均分布在極低鈦玄武巖區(qū)(圖12a)。而圖12b顯示, 9顆火山玻璃的SiO2與Mg#值分布也落在或者靠近阿波羅極低鈦火山玻璃和阿波羅綠色玻璃的范圍區(qū)。此外, 9顆火山玻璃的CaO/FeO與CaO/MgO值和Al2O3/FeO與Al2O3/MgO的值, 與阿波羅14、17極低鈦火山玻璃以及阿波羅15紅色、黃色火山玻璃和阿波羅17紅色、黃色火山玻璃分布在同一范圍區(qū)(圖13)。綜上, 9顆火山玻璃與阿波羅14、17極低鈦玻璃成分分布范圍一致, 表明NWA 11801中的火山玻璃的成分與阿波羅14、17極低鈦的火山玻璃成分相近。

圖12 火山玻璃中TiO2、SiO2與Mg#的關系

圖13 火山玻璃中CaO/FeO與CaO/MgO(a)，Al2O3/FeO與Al2O3/MgO(b)相關圖

另外, 根據(jù)Zeigler等[2]對阿波羅16樣品中的鐵鎂質玻璃的研究及對其類型的劃分, NWA 11801中9顆火山玻璃的化學成分分布(圖14)具有如下特征:(1)SiO2、Al2O3、CaO、K2O分別與FeO的比值分布(圖14a、b、c、f)顯示, 一部分火山玻璃分布在玄武巖質玻璃范圍區(qū), 另一部分火山玻璃分布在苦橄質玻璃范圍區(qū)，該分布特征表明9顆火山玻璃為玄武質和苦橄質兩種玻璃, 玄武質和苦橄質兩種玻璃的分布范圍區(qū)接近, 這可能是引起9顆火山玻璃分布在兩個區(qū)域的原因之一。該玻璃類型分布范圍區(qū)的劃分, 其數(shù)據(jù)只來自于阿波羅16樣品中的鐵鎂質玻璃, 數(shù)據(jù)不全面, 使得玻璃類型范圍區(qū)的劃分不精確, 這也可能是引起9顆火山玻璃分布在不同區(qū)域的另一原因。(2)從MgO與FeO的值關系(圖14e)可見, 9顆火山玻璃落在玄武質玻璃和苦橄質玻璃范圍區(qū)的中間, 該現(xiàn)象指示了它們既有可能是玄武質玻璃也有可能是苦橄質玻璃。(3)而9顆玻璃的TiO2與FeO值分布(圖14d)表明, 它們均落在苦橄質玻璃范圍區(qū)內(nèi)或范圍區(qū)附近, 該分布特征說明它們?yōu)榭嚅腺|玻璃。結合上述分析, 判斷9顆火山玻璃很大可能是苦橄質玻璃。

圖14 火山玻璃成分分布范圍

3.3 NWA 11801火山玻璃結構特征及其成因

NWA 11801中9顆火山玻璃雖然在成分上非常相似, 但是在結構上表現(xiàn)出差異性, 其差異性主要體現(xiàn)在玻璃的外形以及玻璃內(nèi)部微晶的數(shù)量和形態(tài)。9顆火山玻璃按形態(tài)可分為圓球形玻璃和不規(guī)則形玻璃兩類。

圓球狀火山玻璃(VG-1、VG-2、VG-3、VG-4、VG-8、VG-9), 內(nèi)部的微晶數(shù)量和形態(tài)各不相同。VG-1玻璃內(nèi)部無微晶, 只在玻璃外圍一圈產(chǎn)生了細粒狀的微晶; VG-2還有橄欖石包體和微晶; VG-3中無微晶; VG-4中出現(xiàn)了少量的微晶, 微晶形態(tài)為細粒狀; VG-8和VG-9整顆玻璃全為微晶, 微晶形態(tài)為樹枝狀。玻璃在形成過程中, 其冷卻速率通常決定了玻璃內(nèi)部微晶產(chǎn)生的形態(tài)和數(shù)量[32-33], 一般來說, 晶體的數(shù)量隨著冷卻速率的增加而減少。玻璃內(nèi)部微晶的數(shù)量從無到有, 再從少到多，相應的微晶形態(tài)也從細粒狀到樹枝狀變化, 說明其冷卻速率也從快變慢。另外, VG-2結構特殊, 玻璃中微晶數(shù)量較少, 基本都分布在玻璃內(nèi)部橄欖石周圍, 且形態(tài)為針葉狀, 可見VG-2中微晶的出現(xiàn)是由于橄欖石而引起的, 這些橄欖石很可能來自于月球內(nèi)部(詳見3.4節(jié))。VG-2的特殊結構特征表明, 它可能比其他火山玻璃的巖漿來源更深部, 深部的巖漿早期分異結晶形成橄欖石, 而后隨著巖漿噴發(fā)到月表。而6顆火山玻璃的外形為圓球狀, 該形態(tài)特征可能是由于玻璃在空中就冷卻成圓球形, 或者是巖漿噴發(fā)到月表在其完全冷卻過程中未受擠壓發(fā)生變形從而成圓球形。

火山玻璃VG-5、VG-6、VG-7, 外形為不規(guī)則形狀。這3顆不規(guī)則形火山玻璃內(nèi)部微晶也存在差異, VG-5只在玻璃外圍出現(xiàn)細粒狀微晶結構; VG-6中出現(xiàn)零星的細粒狀微晶; VG-7中微晶數(shù)量較多, 微晶占了玻璃面積的一半, 形態(tài)為針葉狀。微晶的數(shù)量以及形態(tài)的不同, 說明了3顆火山玻璃的冷卻速率不同。同時, 3顆玻璃內(nèi)部均出現(xiàn)了氣孔, 且氣孔的形狀也為不規(guī)則形而非圓形。這3顆火山玻璃的外形和內(nèi)部氣孔形態(tài)都反映了在形成過程中未完全固結便受到外界擠壓發(fā)生變形。

玻璃表現(xiàn)出不同的微晶數(shù)量和形態(tài)特征, 這些差異性可能是在不同的冷卻速率下形成的。火山玻璃的冷卻速率可能與噴發(fā)的時間段有關, 不同時間段的環(huán)境溫度不同, 導致了玻璃的冷卻速率不同。此外, VG-1和VG-5的結構較為特殊, 玻璃內(nèi)部無微晶, 只在玻璃外圍一圈產(chǎn)生了微晶結構。一般情況下, 火山玻璃噴發(fā)到月表與環(huán)境接觸, 玻璃邊部會比核部溫度低, 玻璃由內(nèi)向外結晶。而VG-1和VG-5結構卻相反, 該結構的產(chǎn)生可能經(jīng)歷了兩個過程：首先它們噴發(fā)濺射到月表快速冷卻結晶形成玻璃, 接著玻璃顆粒的周圍可能經(jīng)歷了巖漿濺射再次受熱的過程, 使這兩顆玻璃顆粒外圍再次升溫并緩慢冷卻, 最終形成了只在玻璃外圍一圈形成微晶的結構。因此, VG-1和VG-5的結構特征說明了它們與其他火山玻璃顆粒是在不同時間段的火山噴發(fā)形成。但是, 不同時間段噴發(fā)不代表這些火山玻璃來自于不同的火山噴發(fā)期次, 這些火山玻璃是否來自于不同的火山噴發(fā)期次, 本文還無充足證據(jù)證明。此外, 從圖15中可見, 9顆火山玻璃的成分均分布在同一小范圍區(qū), 各個火山玻璃的成分無較大差異, 反映了它們很可能來源于同一期次火山噴發(fā), 故在此暫且認為9顆火山玻璃是同一期次火山噴發(fā)形成。綜上分析可得, 9顆火山玻璃是同一期次火山噴發(fā)下的不同時間段內(nèi)形成, 不同的時間段內(nèi)環(huán)境溫度不同造成了玻璃的冷卻速率不同, 從而形成了不同的結構特征。另外, 微晶結構差異也可能是因為在噴出過程中空中停留時間、噴出濺射距離遠近或者噴出后是否受到后期噴出物的掩埋等因素的不同造成的。

圖15 火山玻璃中部分主量、少量元素與Mg#相關分布

3.4 NWA 11801火山玻璃中巖漿信息的記錄

火山玻璃記錄了巖漿及其活動的相關信息。NWA 11801整體結構顯示火山玻璃只出現(xiàn)在了薄片的右半部(圖1), 右半部礦物顆粒明顯比左半部更加細小, 表明右半部經(jīng)歷了火山噴發(fā)事件, 火山噴發(fā)過程中巖漿噴射飛濺到月表, 這種飛濺過程一定程度上相當于出現(xiàn)了較多的撞擊過程, 改造了月壤層的結構, 使得該層的月壤顆粒更細。而左半部的顆粒更加粗大, 左半部與右半部代表了兩個月壤結構層。左、右兩個月壤結構層分別代表了未經(jīng)歷火山事件的月壤結構層和經(jīng)歷了火山事件的月壤結構層。同時, NWA 11801中火山玻璃的分布特征也提供了更多巖漿噴發(fā)和火山活動改造月壤結構層的信息。

火山玻璃的組分能有效指示月球巖漿的組分及其巖漿來源深度的信息。Apollo火山玻璃的組分呈現(xiàn)兩個系列分布(圖16), 表明兩個系列的火山玻璃來自于不同巖漿體系。前人分析這兩組巖漿系列可能是由于發(fā)生部分熔融的壓力不同造成的[16], 系列1的火山玻璃代表來自深度400 km的巖漿體系, 而系列2的火山玻璃代表了來自另一個明顯不同深度(～300 km)的巖漿體系。隨著研究的深入, Delano[17]又認為，火山玻璃的兩個系列分布現(xiàn)象反映了兩個地幔巖漿的組成系統(tǒng), 每個系列代表了月球巖漿組分累積后的兩個不同體系, 不同種火山玻璃的成分差異主要取決于物質在不同月幔體系中的質量分數(shù)不同。相應地, 本次研究中火山玻璃的成分均落在了系列2的范圍內(nèi)，這表明9顆火山玻璃的原始巖漿均來自于同一個月幔巖漿體系, 其巖漿源成分應是相同的；同時, 9顆火山玻璃的成分均指示了其為極低鈦火山玻璃特征(圖12), 也表明了它們是來源于同一巖漿源的火山噴發(fā)形成的玻璃顆粒。因此, 9顆火山玻璃應為來源于同一巖漿源噴發(fā)形成的產(chǎn)物。

圖16 NWA 11801火山玻璃和Apollo火山玻璃Al2O3與MgO相關性

火山玻璃是巖漿的直接產(chǎn)物, Roedder等[21]報道了火山玻璃內(nèi)部存在橄欖石斑晶的現(xiàn)象。在月球巖漿洋結晶初期, 最開始結晶出來的是橄欖石和輝石, 沉在巖漿的底部[34], 火山玻璃內(nèi)夾帶的橄欖石一定程度上指示了巖漿結晶分異的過程。Butler研究發(fā)現(xiàn), 橄欖石越原始, 其Cr2O3含量越高[35]。在NWA 11801中發(fā)現(xiàn)1顆火山玻璃內(nèi)部含有橄欖石且橄欖石周圍出現(xiàn)輝石質微晶, 該火山玻璃中橄欖石Cr2O3含量較高(圖10), 這表明火山玻璃中的橄欖石可能比撞擊玻璃中的橄欖石于月球更深部結晶形成。另外, NWA 11801火山玻璃中, 橄欖石的Fo值較大且更富鎂, 也表明這些橄欖石是在巖漿分異結晶較早期形成的。從形態(tài)結構上, NWA 11801火山玻璃中的橄欖石具有成分環(huán)帶和熔融包體, 且晶體外部保留有自形晶體的棱邊結構, 這些特征均說明了橄欖石應于火山玻璃之前形成, 很可能為形成于月球內(nèi)部較早期的礦物, 而后被噴發(fā)形成火山玻璃顆粒的巖漿捕獲, 形成了包含自形橄欖石斑晶的火山玻璃顆粒。相對地, 撞擊玻璃中的橄欖石不具有自形晶體的棱邊結構, 且內(nèi)部無熔融包體, 這些特征與火山玻璃里的橄欖石形成對比, 表明火山玻璃里的橄欖石很可能是巖漿早期結晶的產(chǎn)物。綜上分析, 火山玻璃里的橄欖石應是來自月球內(nèi)部的物質, 提供了月球內(nèi)部巖漿演化的信息。

4 結 論

(1)經(jīng)過與撞擊玻璃碎屑的結構和成分的對比研究, 在NWA 11801月球隕石中共發(fā)現(xiàn)了9顆火山玻璃顆粒。火山玻璃的主要鑒別依據(jù)是: 1)形態(tài)上, 主要為圓球形; 2)內(nèi)部結構和質地干凈均勻, 外來雜質少; 3)化學成分分布上, 與撞擊玻璃有明顯區(qū)別; 4)MgO/Al2O3值大, 為1.30～1.54。

(2)TiO2豐度(0.35%～0.70%)表明, NWA 11801月球隕石中火山玻璃屬于極低鈦玄武巖, 其他成分也與阿波羅14、17極低鈦玄武巖火山玻璃相近, 說明這塊隕石也可能來自于阿波羅14、17號采樣點或類似玄武巖分布區(qū)。

(3)NWA 11801月球隕石火山玻璃化學成分分布在同一范圍內(nèi), 不同于撞擊玻璃成分區(qū)域, 但是這些火山玻璃外形以及內(nèi)部微晶的數(shù)量和形態(tài)上存在差異, 比如VG-5～7外形上不規(guī)則, 另外, 它們內(nèi)部的微晶數(shù)量也明顯不同。造成這些差異的原因可能是, 9顆火山玻璃是同一期次火山噴發(fā)下的不同時間段內(nèi)形成, 不同的時間段內(nèi)環(huán)境溫度不同造成了玻璃的冷卻速率不同, 從而形成了不同的微晶結構特征。

(4)本次研究發(fā)現(xiàn)1顆火山玻璃顆粒內(nèi)部包裹橄欖石的特殊結構特征, 橄欖石呈自形晶, Fo值較高, 為76.4 mol%～78.2 mol%, 可能指示了這些橄欖石來自于月球內(nèi)部, 而后被后期噴發(fā)的巖漿捕獲帶到月表, 這些橄欖石可能記錄了月球內(nèi)部巖漿結晶演化的信息。

致謝: 廣東惠州市彩源隕石科技有限公司繆秉安先生提供了研究樣品, 謝蘭芳、劉奕志、吳杰老師給予了實驗指導, 賈曉靜、郭鑫豪、仲艷、班振瑤、仝記、劉浩、張亦愷等同門的師兄師姐和師弟師妹們給予了幫助, 在此表示衷心的感謝!