南极GRV 022888和GRV 052408橄辉无球粒陨石的岩石矿物学特征及成因探讨

黄婉 何琦 肖龙

（1中国地质大学（武汉）行星科学研究所，湖北 武汉430074；2湖北省鄂东南地质大队，湖北大冶435100）

0 引言

橄辉无球粒陨石是迄今为止全世界回收量仅次于灶神星HED群的第二大类无球粒陨石，属于超镁铁岩石组成，其矿物组成主要包括：橄榄石、辉石以及不透明的富碳填隙物。根据所含有的辉石种类可分为：橄榄石-易变辉石组合橄辉无球粒陨石、橄榄石-斜方辉石组合橄辉无球粒陨石和含普通辉石的橄辉无球粒陨石［1］，其中最常见的是橄榄石-易变辉石组合。橄辉无球粒陨石作为一种无球粒陨石，它的特殊性主要体现在其既具有高度分异特征同时又显示原始性。粗粒的超镁铁质岩石结构、Sm-Nd同位素特征，全岩的亲石元素特征［2-3］以及“V”型稀土元素分布模式［2，4］等特征暗示橄辉无球粒陨石母体极有可能经历了广泛的熔融过程［1］。然而其不均一的氧同位素组成、高含量的碳质以及行星型稀有气体组成特征［5-6］在高度演化的行星体内很难保存，显示其原始性［7］。作为兼具“原始”和“分异”两种特性的橄辉无球粒陨石可能就是分异陨石和球粒陨石之间的过渡型［8］，因此它的形成和演化过程可能更具有独特性。

因为其复杂的特征，所以对其成因模式有多种的解释，主要包括有：多阶段火成堆积模式［9］、熔融-冲击熔融模式［10-11］、火山爆发成因模式［12］和星子碰撞成因模式［13］等，但是这些模型都只能合理地解释部分特征，并没有完满地解决其成因问题。这些不同成因解释和争论的焦点主要集中在三方面［14］：母体的初始物质；岩浆堆晶作用形成还是部分熔融形成；金刚石的形成原因。这些用于成因解释的模型可分为原始模型和火成模型两类［15］。原始模型的代表为Takeda［13］提出的，橄辉无球粒陨石的母体物质由星云凝聚形成，然后在星子碰撞的早期通过高温重结晶形成橄辉无球粒陨石。这个模型的有力支持来源于橄辉无球粒陨石中金刚石的气相生长成因［16-17］，而气相生长极有可能就是在星云凝聚过程中产生的［18］。同时橄辉无球粒陨石的氧同位素特征，也显示出了与星云过程的密切关系。橄辉无球粒陨石的氧同位素组成落于碳质球粒陨石中富钙铝包体（CAI）线上［19］，这条线代表了太阳系与外太阳系物质的混合［19-21］。火成模型的代表是 Goodrich等［9］根据矿物化学和结构提出的多阶段堆积模式。在这个模式中，橄辉无球粒陨石是从具有高于球粒陨石Ca／Al比值、缺乏长石的源区，经历部分熔融（部分熔融程度＜10%）所形成的岩浆中结晶形成的。这个模型的问题在于，它暗示着橄辉无球粒陨石应该只是其原始物质中的一小部分，作为无球粒陨石的第二大类，与橄辉无球粒陨石成分互补的岩石种类却没有发现。火成模型中的另一种代表模式是将橄辉无球粒陨石直接作为部分熔融残余物，是岩石直接经历了约15%—25%的部分熔融形成［2，10，22-23］，这个模式可以更好地解释“原始”和“分异”特征共存的现象，并且可以合理地解释橄辉无球粒陨石的数量以及互补成分缺失的问题，但是从矿物组合（主体为粗粒的橄榄石和辉石）以及在粗粒的硅酸盐矿物中存在面理和线理结构［12，24］等方面来看可能堆积模式更为符合。因此，橄辉无球粒陨石的成因仍需要更深入的研究。

本文对中国南极科考所收集到的2块橄辉无球粒陨石（GRV 022888和GRV 052408）进行系统的矿物学、岩石学和地球化学研究，期望对橄辉无球粒陨石的起源和演化提供新的信息。

1 样品与实验方法

样品GRV 022888和GRV 052408由国家海洋局中国极地研究中心提供。陨石岩相学鉴定是利用光学显微镜的反透射光进行初步的观察，然后利用带能谱的扫描电镜进行显微结构的观察和矿物的初步判断；矿物化学成分通过JEOL-JXA-8100电子探针进行测试，测试条件为：加速电压15 kV、束流20 nA、电子束直径1μm。分析标准为硅酸盐矿物，测试数据采用ZAF法校正。上述分析测试工作都是在中国地质大学（武汉）地质过程与矿产资源国家重点实验室完成的。

2 岩相学特征

陨石 GRV 022888，薄片大小约为 11 mm×10 mm，主要矿物为橄榄石（～98 vol%），富碳质不透明物质（～2 vol%），极少量辉石和金属（图1）。粗粒结构。橄榄石颗粒粗大，粒径范围在0.5—2 mm之间，以半自形为主，核部不规则裂纹极为发育（图2），颗粒间裂隙发育，主要以富碳质填隙物和金属氧化物充填。易变辉石极少，分布在样品的边部。橄榄石颗粒不见波状消光，说明其冲击程度很低。橄榄石颗粒间可见三联点接触（120°接触角）（图3）。橄榄石的还原边结构极为明显，背散射图中中间核部呈现灰白色，边部颜色较深为灰黑色（图4），核部富铁向外出现明显的富镁还原边，还原边内部有微细的金属铁颗粒分布，边部金属含量相较于核部明显增加，还原边的宽度可达1 mm及以上（图1）。富碳质黑色区域大部分呈不规则形状分布，与周围的硅酸盐矿物呈接触关系，其余的则沿着矿物颗粒充填在裂隙中或者沿着裂隙进入矿物内。金属沿着硅酸盐边界以脉状出现，部分区域金属或者金属硫化物风化形成褐铁矿。

图1 GRV 022888全貌图（BSE）Fig.1.Themosaic photograph of the BSE images of GRV 022888

图2 GRV 022888橄榄石中极发育不规则裂纹（PPL）Fig.2.The irregular cracks in olivine of GRV 022888（PPL）

图3 GRV 022888中橄榄石颗粒之间的平衡结构（BSE）Fig.3.120°junction between olivine grains，in GRV 022888（BSE）

图4 GRV 022888橄榄石还原边结构（BSE）Fig.4.The reduction rim in olivine of GRV 022888（BSE）

陨石 GRV 052408，薄片大小约为10 mm×8 mm，主要矿物组成包括：橄榄石（～60 vol%），辉石（～35 vol%），富碳质物质（～5 vol%）以及少量金属（图5）。粗粒结构，颗粒间有铁的氧化物呈细脉分布，橄榄石以半自形-它形为主，辉石为它形，粒径主要在0.5—1 mm之间，粒间接触面较为弯曲，部分辉石中金属含量较高（图6）。根据橄榄石的还原边所占颗粒大小百分比判断陨石的还原程度，该陨石中橄榄石的还原程度与GRV 022888相似，还原边较宽，说明两者还原程度很高。背散射图中核部与边部的颜色区别明显，核部颜色较浅呈现灰白色，边部则加深呈现灰黑色。在辉石颗粒中不见这种环带现象。富碳质填隙物主要呈不规则形状分布，其余充填在橄榄石和辉石颗粒间或沿裂隙进入颗粒内。

图5 GRV 052408全貌图（BSE）Fig.5.Themosaic photograph of the BSE images of GRV 052408

图6 GRV 052408它形辉石颗粒比橄榄石颗粒中金属含量高（BSE）Fig.6.The contentofmetal in allotriomorphic pyroxene is higher than that in olivine，in GRV 052408（BSE）

这两块陨石中的金属分布特征显示一定的规律：在原粗粒橄榄石核部，金属含量相对较少，颗粒也相对较小，而橄榄石边部金属含量则增加，颗粒也较大。辉石中均没有出现出溶现象，意味着它经历了快速的冷却过程。

3 矿物化学

GRV 022888和GRV 052408中的橄榄石和辉石主要矿物化学成分电子探针数据分析结果见表1、表2以及表3。由表1可见，橄榄石成分变化范围大，其中GRV 022888中橄榄石的SiO2含量为38.2 wt%—43.6 wt%，FeO含量为 1.1 wt%—20.5 wt%，MgO含量为39.3 wt%—55.1 wt%，Fa值变化范围 Fa22.5—Fa1.1。表 2中，GRV 052408中橄榄石的SiO2含量为37.9 wt%—42.4 wt%，FeO含量为1.9 wt%—20.4 wt%，MgO含量为 39.4 wt%—54.9 wt%，Fa值变化范围 Fa22.5—Fa1.9，整体上来看核部Fa的平均值普遍高于边部，呈现反环带结构。还原边的最大Fo值分别达到98.9和98.1，相较于其他的橄辉无球粒陨石中最大的Fo值偏高。整体来看，这两块陨石中橄榄石核部的化学成分组成基本一致。从表3和表1中可见辉石成分变化不明显，GRV 022888中测得辉石 Wo9.1En70.3Fs16.5，GRV 052408中辉石为 Wo5.8－9.3En65.8－70.4Fs16.8－20.6。GRV 022888和GRV 052408中辉石的其他元素中MnO、CaO、Cr2O3含量较高，GRV 052408中Cr2O3含量最高可达1.2 wt%，CaO含量最高达5.2 wt%，MnO含量最高约为0.4 wt%。GRV 022888中Cr2O3含量约为1.2 wt%，CaO含量约为11 wt%，MnO含量平均为0.4 wt%。

从橄榄石和辉石的 Mg＃-MnO，Mg＃-CaO、Mg＃-Cr2O3以及Mg＃-FeO*的相关性图（图7）中可以看出，辉石和橄榄石核部成分整体较为均一，Mg＃范围基本一致，MnO含量基本相似，但是辉石的Cr2O3含量相对较高。同时，在GRV 022888的橄榄石数据中可看出，其核部数据相对集中，变化范围较小，还原边中当Mg＃约从90之后，MnO、CaO以及Cr2O3含量会明显增加，在Mg＃达到95之后会出现较为复杂的变化，MnO和Cr2O3的含量会先降低然后升高，CaO的变化规律不明显，但是这三者整体含量变化范围增大。

表1 GRV 022888橄榄石和辉石电子探针分析结果Table 1.Electronicmicroprobe analysis of olivine and pyroxene of GRV 022888

表2 GRV 052408橄榄石探针分析结果Table 2.Electronic microprobe analysis of olivine of GRV 052408

表3 GRV 052408辉石探针分析结果Table 3. Electronic microprobe analysis of pyroxene of GRV 052408

图7 GRV 022888和 GRV 052408中硅酸盐矿物的 Mg＃-MnO，Mg＃-CaO、Mg＃-Cr2 O3以及 Mg＃-FeO*图Fig.7.The Mg＃-MnO，Mg＃-CaO、Mg＃-Cr2 O3以及 Mg＃-FeO*of silicateminerals in GRV 022888 and GRV 052408

4 类型划分

GRV 022888和GRV 052408这两块陨石均表现出典型的橄辉无球粒陨石的结构特征，主要包括：由粗粒橄榄石和易变辉石组成，颗粒间为富碳质的填隙物。作为典型橄辉无球粒陨石结构中常见的颗粒之间120°的平衡结构，在这两块陨石中相对较为少见，可能和其中较为强烈的还原作用有关。橄榄石均表现出明显的反环带结构，边部相对富镁而核部铁含量较高。辉石成分较为均一，无明显变化。在化学组成上，两块陨石中橄榄石的 MnO、CaO、Cr2O3含量相对较高。Berkley等［25］根据橄榄石核部的Fa值以及辉石的Fs值将橄辉无球粒陨石分为Ⅰ型（高铁）、Ⅱ型（中铁）和Ⅲ型（低铁）三类（Ⅰ型Fa20.7－21.4，Ⅱ型 Fa14.9－16.4，Ⅲ型 Fa8.6），依据这种分类方案，这两块陨石均属于Ⅰ型高铁类。

5 成因探讨

对于橄辉无球粒陨石的成因一直存在争议。现阶段最主要的两种观点：橄辉无球粒陨石是经过大约 15%—25%部分熔融的残余物［2，10，22-23］，或是从缺乏斜长石的岩浆中经过堆晶作用而形成的［9，24-25］。一般认为橄辉无球粒陨石是堆晶作用形成而不是部分熔融的残留，最有利的证据表现在岩石的结构上，即在粗粒的硅酸盐矿物中存在面理和线理结构［12，24］等。但是实验表明在热压缩试验的残余体中也能够出现线理构造［26］，这也就意味着即使作为部分熔融的残余物，在橄辉无球粒陨石中也有可能会出现这样的结构特征。橄辉无球粒陨石稀土元素呈现“V”型分布，中稀土元素的高度亏损和明显的 Eu的负异常等一些微量元素特征［9，24，27］，表明其母体可能经历了不止一次的分异过程，并且与部分熔融的残余成因较为一致。在部分熔融残余体这种观点中，除了在复矿橄辉无球粒陨石中发现有一些长石质碎屑外，作为与橄辉无球粒陨石成分互补的玄武质岩石组分暂时没有发现，其可能的原因是，由于熔体中经过还原作用产生大量的 CO／CO［12，28］2，使熔体的浮力变得很大，因此不会停留形成岩浆房而是直接爆发式地喷出地表［29］，然后直接消失在太空中。从这两块陨石的具体特征来看，这些橄榄石-易变辉石组合的橄辉无球粒陨石，具有部分熔融的残余物的岩石学特征，其同时期高含量的富碳质物质的出现，以及在亚固相条件下发生还原反应形成还原边结构在堆晶模式中难以解释，也与部分熔融的残留物模型更为相符。

因为陨石中Fe、Mn、Mg含量和比值的变化可以反映行星体演化中源区物质、岩浆过程、金属-硅酸盐分异以及氧化还原状态等信息［30］，本文将从这方面进行成因探讨。从橄榄石剖面中的Mg-Fe-Mn变化关系（图8，9）可见，橄榄石核部铁含量明显较高而镁含量相对较低，边部镁含量会增高而铁含量会相应降低，锰的含量与镁含量的变化趋势较为一致。Fe-Mg的变化是完全协同的，基本上是等比例甚至等含量变化，但是Fe-Mn的变化只是趋势上是一个负相关关系，不是呈比例变化。

图8 GRV 052408橄榄石剖面Mg-Fe-Mn含量变化Fig.8.Profile for the variation of Mg-Fe-Mn in olivine of GRV 052408

图9 GRV 022888橄榄石剖面Mg-Fe-Mn含量变化Fig.9.Profile for the variation of Mg-Fe-Mn in olivine of GRV 022888

对橄辉无球粒陨石中最常见的反环带还原边结构，认为是橄榄石与碳质物质反应，形成金属铁颗粒和富镁的橄榄石，其反应式可表示为：

但是Singletary等［31］在辉石颗粒内出现与辉石同期的金属颗粒，但是在橄榄石颗粒中却没有相应金属颗粒的发现，因此推断这些辉石以及其中的金属铁颗粒可能是橄榄石还原形成的，并由此提出了反应（2），因此除了还原反应（1）外，应该还存在还原反应（2）：

GRV 052408中部分它形的辉石以及其中明显的高金属含量也验证了这个反应。从这个反应来看，易变辉石含量越高意味着其还原程度越高，如果这两个反应是同时进行的话，也可以说明易变辉石含量越高，橄榄石的Mg＃会越高。在橄辉无球粒陨石中辉石和橄榄石均表现为MnO-FeO的负相关关系［13，32-34］而同样的负相关关系也发现于普通球粒陨石的 H、L、LL族中［13，32］。Miyamoto等［30］曾对 ALHA77257中的Mn-Fe的负相关关系做过详细研究，通过熔体实验结果表明橄榄石中Mn-Fe的负相关与还原作用有关，而Mn-Fe的正相关则是在氧化条件下形成，并且与温度也存在一定的关系。将本文所研究的两块陨石中的橄榄石的MnO-FeO进行投图（图10），可以发现在FeO含量＞5wt%的情况下，从核部到边部的含量变化均表现出明显的Mn-Fe负相关关系，与橄榄石的还原边现象映衬，而在FeO含量＜5%之后几乎不变。

图10 橄榄石MnO-FeO关系图Fig.10.The MnO-FeO relationship in olivine

由于Fe／Mg-Fe／Mn的变化可以用于去识别一些影响陨石母体的主要过程（既可以在星云凝聚阶段，也可以在母体的岩浆分异阶段形成）［35］，因此建立了 Fe／Mg-Fe／Mn模型［32］。在该模型中，原始无球粒陨石被认为是母体物质的残余，而分异陨石是熔体或者熔体的堆积产物。GRV 022888和GRV 052408这两块陨石的橄榄石成分整体投在原始无球粒陨石范围区域并且连续变化（图11），但是辉石成分却在原始和分异的分界范围内。对于辉石成分落在分界范围内，可能是与Mn在辉石和橄榄石之间的分配系数有关。橄辉无球粒陨石的Mn／Mg比值落在球粒陨石质的范围内意味着其可能为球粒陨石质物质的熔融残余物，利用辉石成分进行计算的结果和实验结果［9，31］显示其平衡岩浆中 Ca／Al比值比球粒陨石高（≥2（CI）并且Ca、Al含量不均匀。

图11 GRV 022888和 GRV 052408的 FeO／MgO-FeO／MnO关系投图（其中的FeO／MgO和FeO／MnO分别表示的是Fe、Mg的摩尔数之比和Fe、Mn的摩尔数之比）Fig.11.FeO／MgO-FeO／MnO relationship of GRV 022888 and GRV 052408.FeO／MgO means molar Fe／Mg；FeO／MnOmeansmolar Fe／Mn

鉴于绝大部分的橄辉无球粒陨石的矿物主要为橄榄石和易变辉石的组合，因此对该种类陨石的温度计算我们利用 Singletary和 Grove［31］提出的橄榄石-易变辉石-熔体温度计。据此，我们计算了GRV 022888和GRV 052408两块陨石的形成温度，分别为1 227℃和1 219℃，这与其他的橄榄石-易变辉石组合的橄辉无球粒陨石的温度范围较为一致。因为橄榄石和辉石的成分较为平衡，这反应了它们应该是高温（～1 100—1 300℃）平衡，所以这一点与所计算的形成温度也是相符的。

6 结论

（1）根据 GRV 022888和 GRV 052408这两块陨石的结构、矿物化学特征确定其为单矿橄辉无球粒陨石，它们属于其中的Ⅰ型（最富铁的类型），未见明显的冲击变质特征，其冲击程度均较低。

（2）本文所研究的GRV 022888和GRV 052408两块陨石的形成机制与部分熔融的残余物模式更为一致，其形成过程可能是：母体物质经过部分熔融后形成的亏损长石质成分的熔融残余物。根据矿物-熔体温度计计算出这两块陨石的形成温度，分别为1 227℃和1 219℃。

致谢 南极陨石样品由中国极地研究中心南极陨石库提供，特此感谢。

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