云南西双版纳(曼桂)目击陨石的热变质和冲击变质研究∗

罗业鑫 陈景有 梁伯健 廖世勇 李 晔 李少林 吴蕴华 王 英 邓志培 梅 苞 徐伟彪

(1 澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室 澳门 999078)

(2 中国科学院比较行星学卓越创新中心中国科学院紫金山天文台 南京 210033)

1 引言

陨石是小行星或者流星体从星际空间闯入地球大气层并最终坠落到地球表面的固态残留体.在现今地球上所发现的陨石类型中,普通球粒陨石的数量占据了大约80%,它们是已知的太阳系中最古老的岩石之一,形成于太阳系初期距今约45亿年前[1].普通球粒陨石中所包含的非挥发性元素含量与太阳系原行星盘的成分大致相同,因此普通球粒陨石既能反映原始太阳星云的元素和同位素组成、太阳星云的高温冷凝和化学分馏过程,又能提供太阳系原行星盘的形成、物质分布规律等重要信息,还能反演太阳系早期发生的重大天文事件,对于研究太阳系的形成和演化具有十分重要的意义[2].据国际陨石学会陨石数据库统计,目前全世界已经收集到大约6万多块陨石样品,其中绝大部分是发现型陨石,目击陨石仅有1300多次.目击陨石因为受地球污染程度小,科学研究价值更高.

2018年6月1日21时45分左右,在云南西双版纳地区发生了一次目击陨石陨落事件.陨石母体在高空爆裂解体成数百块碎片散落在勐海县勐遮镇东南-西北方向长约10 km、宽约1–2 km的狭长地带,收集到了大约50 kg的陨石样品,其中一块陨石主体重达1228 g.

本文对曼桂陨石的岩相学和矿物化学进行了系统的研究.该陨石经历了强烈的热变质作用,根据陨石中共生的高钙辉石-低钙辉石矿物确定了陨石所经历的热事件的平衡温度,进而确定了其热变质等级.曼桂陨石中还发现了宽度不等的熔融脉,说明陨石经历过强烈的冲击变质作用.本文通过岩相学的观测以及熔融脉中的矿物组合确定了冲击变质的等级以及冲击过程的温度压力范围.同时本文还针对一些在曼桂陨石中发现的特殊岩相学特征,分析了其形成过程.

2 实验方法

曼桂陨石的制样与分析工作在中国科学院紫金山天文台天体化学和行星科学实验室完成.将曼桂陨石切割、研磨并抛光后,制备成4个光片.用光学显微镜观察岩石结构特征,然后将样品镀上碳膜,并用配有Oxford Aztec能谱仪的Hitachi S-3400 N II型扫描电子显微镜对样品进行分析(工作电压为15 kV).利用扫描电镜观察曼桂陨石中矿物的背散射电子图像,并通过能谱仪半定量分析矿物成分.使用Thermo DXR型激光拉曼光谱对矿物分子结构进行分析,激发光源波长为532 nm、激光功率为3 mW、束斑直径约1.2µm、曝光时间为10 s、曝光次数为5次.最后用日本JXA-8230电子探针(EPMA)对样品的矿物成分进行定量分析,所用电压和电流分别为15 kV和20 nA,各矿物皆采用点分析,标准样品为美国国家标准局天然及合成的金属和化合物,所有分析结果均进行了ZAF (atomic number - absorption - fluorescence)校正.

3 岩相学及矿物化学

曼桂陨石主要由球粒、基质和冲击熔融脉3部分组成.陨石的主要矿物为橄榄石(40 vol%)、辉石(30 vol%)、长石(15 vol%)、铁镍金属(5 vol%)和陨硫铁(7 vol%),铬铁矿和白磷钙矿等次要矿物约占3 vol%.电子探针分析表明,基质中橄榄石成分为Fa23.7−24.9(表1)、斜方辉石为Fs20.1−21.1Wo0.2−0.5(表2).低钙辉石和橄榄石成分表明曼桂陨石属于L型普通球粒陨石(图1[3]).

3.1 球粒

球粒陨石中的球粒类型有很多种,主要有炉条状、斑状、放射状、嵌晶状和隐晶质结构.在扫描电镜下观察可见,曼桂陨石中的球粒主要由炉条状橄榄石球粒(图2 (a))和斑状球粒(图2 (b))组成.炉条状球粒呈椭圆或近圆状,边界不清晰,直径为0.3–0.7 mm,主要矿物为橄榄石(70 vol%)、辉石(20 vol%)和长石(8 vol%),副矿物为铬铁矿(2 vol%).橄榄石和辉石颗粒呈它形炉条状排列,粒径20–40µm; 长石呈隐晶质充填在条带之间,同时长石中常包含许多细小的铬铁矿颗粒(粒径为2–6µm),部分铬铁矿可达30µm.斑状球粒呈近圆状,边界不清晰,直径为0.5–0.9 mm,球粒中的斑晶为辉石(50 vol%)、橄榄石(45 vol%),含有少量长石、铁镍金属、陨硫铁和铬铁矿等矿物.橄榄石和辉石斑晶呈半自形粒状,粒径50–80µm.通过电子探针对球粒中的辉石和橄榄石成分定量分析,其成分与基质中的橄榄石和辉石成分大致相同.根据Brearley等[4]对斑状球粒的划分,橄榄石Fa和辉石Fs小于10的球粒为I型,大于10则为II型,同时富含橄榄石的球粒为A型,富含辉石的球粒为B型.因此曼桂普通球粒陨石中的斑状球粒为IIAB型.通常I型斑状球粒中的斑晶颗粒较小,含有大量的铁镍金属颗粒,代表着淬火成因.而II型斑状球粒斑晶颗粒较大,同时矿物颗粒中的环带现象明显,指示着在非平衡条件下的矿物结晶生长过程.但是在曼桂陨石中没有观察到球粒中矿物的环带现象,这是由于后期的热事件导致其矿物颗粒成分发生了均一化.

表1 曼桂普通球粒陨石中橄榄石的化学成分(wt.%)Table 1 Chemical composition (wt.%) of olivine in Mangui chondrite

图1 曼桂普通球粒陨石的Fa-Fs分类图[3]Fig.1 Fa-Fs classification of the Mangui ordinary chondrites[3]

表2 曼桂普通球粒陨石中低钙辉石的化学成分(wt.%)Table 2 Chemical composition (wt.%) of low-Ca pyroxene in Mangui chondrite

图2 曼桂陨石的背散射电子图像.(a)为炉条状球粒,(b)为斑状球粒,(c)为熔长石包含金属颗粒,(d)为合纹石.Ol代表橄榄石; Pyx代表辉石; Chr代表铬铁矿; M代表Fe-Ni金属; Msk代表熔长石; Ple代表合纹石; Kam代表铁纹石Fig.2 Backscattered electronic images of the Mangui chondrite.(a) is barred chondrule,(b) is porphyritic chondrule,(c) is maskelynite containing a metal grain,(d) is plessite.Ol: olivine,Pyx:pyroxene,Chr: chromite,M: Fe-Ni metal,Msk: maskelynite,Ple: plessite,Kam: kamacite

3.2 基质矿物

3.2.1 橄榄石

基质中的橄榄石粒度约为10–40µm,具有平衡粒状变晶结构.橄榄石颗粒内部成分均一,没有观察到Fe-Mg环带现象,通过表1计算橄榄石Fa的平均偏差百分数(PMD)为0.68%,说明橄榄石成分几乎达到了完全均一化.部分橄榄石颗粒保留有扭折带构造,在应力作用下破碎的晶体通过静态重结晶形成的亚颗粒中并没有发现新的橄榄石相.同时,在光学显微镜下可见橄榄石颗粒具有波状消光、平面裂隙、嵌晶块状消光(mosaicism)和面状变形(planar deformation)特征.根据实验结果,橄榄石晶体在1000◦C、应变率为2×10−4s−1条件下才会同时产生平行于{110}和{0kl}的晶面滑移[5].这也说明曼桂陨石经历过强烈冲击变质作用.

3.2.2 辉石

基质中的辉石大部分为低钙斜方辉石,粒度为20–40µm,具有平面裂隙、波状消光、镶嵌状消光和面状变形特征.根据表2计算辉石Fs的PMD值为0.52%,辉石成分也达到完全均一.同时观察到了共生的低钙斜方辉石和高钙单斜辉石,高钙辉石粒径25–30µm,单斜辉石会在630◦C的条件下转化为斜方辉石[6].其成分测定结果为En78.4Wo0.8Fs20.7-En47.5Wo44.2Fs8.1.利用Putirka等[7]总结的共生辉石平衡温度模型计算得到平衡温度为918◦C,同时利用Brey和Kohler的模型[8]计算的平衡温度为875◦C.说明曼桂陨石经历过等级较强的热变质作用.

3.2.3 长石

基质中长石的平均成分为An85.3±0.9Or3.4±0.5Ab11.3±0.7(表3),这与L群陨石中长石的平均成分An84Or6Ab10大体一致[3].长石粒径30–80µm,说明曼桂陨石的热变质强度达到了6级.拉曼光谱显示在507.4和482.2 cm−1出现宽峰,符合典型的熔长石拉曼光谱特征,在821.1和852.2 cm−1的峰则是由于相邻的橄榄石矿物所导致.熔长石周围的矿物颗粒呈现出放射状的裂纹,这也是熔长石的典型岩石学特征(图3).熔长石是斜长石在高压下熔融经骤冷而形成的一种稠密淬火玻璃,这些非晶化的斜长石颗粒可区分为两种类型,一种是保持原颗粒形态的斜长石玻璃,简称继形熔长石,另一种则为有着明显流动特征的熔池形或细脉形斜长石玻璃,简称改形熔长石[9].曼桂陨石中的熔长石多为改形熔长石,以它形粒状或脉状体和熔池的形式产出.熔长石表面平滑,但是仍存在一些小的裂隙,说明曼桂陨石中的长石颗粒熔长石化并不完全.此外,还常见熔长石包含橄榄石、辉石、金属和铬铁矿等矿物碎屑的共生结构(图2 (c)).

3.2.4 金属

基质中的金属呈不规则粒状,颗粒大小变化较大(10–500µm).金属颗粒具有丰富的内部结构.铁纹石和镍纹石交织共生,形成了细密的纹理结构,称做合纹石(图2 (d)).没有观察到单独存在的镍纹石颗粒.合纹石核部的铁纹石颗粒较大,可达10–20µm,而其边部的铁纹石颗粒较小,仅为3–5µm.合纹石内部的铁纹石和单独生长的铁纹石中镍的含量基本一致(6–8 wt.%),而合纹石内部的镍纹石中镍的含量变化较大(20–45 wt.%).合纹石与共生的铁纹石中镍的含量如图4所示.整个合纹石颗粒中没有典型的M型的镍含量分布.但在其内部的镍纹石中能观察到M型的镍含量分布.

表3 曼桂普通球粒陨石中长石的化学成分(wt.%)Table 3 Chemical composition (wt.%) of feldspar in Mangui chondrite

图3 熔长石及其拉曼光谱图,a.u.为任意单位Fig.3 Maskelynite and its Raman spectra,a.u.means an arbitrary unit

图4 共生的铁纹石和合纹石及其镍含量分布图Fig.4 A nickel content profile across the coexisting kamacite and plessite

3.3 冲击熔融脉

曼桂陨石中冲击熔融脉发育,熔融脉的宽度约1–4 mm (图5 (a)–(b)).熔融脉主要由橄榄石、辉石以及熔长石组成,矿物以多晶粒状产出,粒径为4–10µm,表面平滑无裂隙,副矿物为铬铁矿、透辉石和陨硫铁等(图5 (c)–(d)).根据拉曼光谱分析,冲击熔融脉中的矿物组合展现了与陨石球粒间基质完全不同的矿物组成(图6).林伍德石和瓦茨利石是镁铁橄榄石的高压相,被认为是构成地球深部过渡带的主要造岩矿物.根据McMillan等[10]对两种矿物拉曼光谱研究的结果,在844.3、224.9和796.4 cm−1位置出现的峰为林伍德石的特征峰,而出现在917.4和719.9 cm−1较弱的峰则是由于瓦茨利石的结构所导致的.镁铁榴石是辉石的高压相,光谱分析结果显示在662.2和927.2 cm−1有特征峰出现,662.2 cm−1谱峰是液相线镁铁榴石特征峰,927.2 cm−1则是Si-O四面体的伸缩振动所产生的峰[11].通过电子探针测得冲击熔融脉中的林伍德石的化学成分为Fa35.8−36.6,镁铁榴石的化学成分为Fs20.1−20.5Wo2.1−2.7(结果如表4所示).林伍德石与镁铁榴石的化学成分和基质中的橄榄石(Fa24.5)与低钙辉石(Fs20.6)的化学成分有一定差别.

图5 曼桂陨石中熔融脉及其中矿物的背散射电子图.(a)较细的熔融脉,(b)较粗熔融脉,(c)熔融脉中的林伍德石与镁铁榴石,(d)林伍德石矿物集合体.Rgt: 林伍德石,Maj: 镁铁榴石Fig.5 Backscattered electronic images of the molten veins and minerals in the Mangui chondrite.(a) fine melt vein,(b) thick melt vein,(c) ringwoodite and majorite in the melt vein,(d) ringwoodite aggregate.Rgt: ringwoodite,Maj: majorite

图6 冲击熔融脉中主要矿物以及其拉曼光谱图Fig.6 Raman spectra of the minerals in the melt veins of the Mangui chondrite

表4 曼桂陨石冲击熔融脉中林伍德石和镁铁榴石的化学成分(wt.%)Table 4 Chemical composition (wt.%) of ringwoodite and majorite in the melt veins of Mangui chondrite

4 讨论

4.1 热变质作用

曼桂普通球粒陨石经历了较高程度的热变质作用.陨石根据其所经历的热变质程度可划分不同的岩石类型(Wood分类[12]),根据陨石的地球化学以及岩相学特征,将没有经历过热变质作用或者经历过轻微热变质作用的球粒陨石定义为3型陨石,1、2型陨石是经历不同程度水化作用的陨石,而4、5、6型陨石则是经历不同程度热变质作用的陨石.

陨石球粒中的橄榄石和基质中的橄榄石成分的差异能反映热变质的程度,陨石球粒中的橄榄石在原始星云吸积形成过程中处于一个非平衡状态,所以其成分Fa会有一个较大的差异.受热事件的影响,球粒中的橄榄石的成分会逐渐变得和基质中橄榄石的成分一致,我们一般使用PMD来衡量均一化的程度[13].根据之前计算结果,辉石和橄榄石都已经达到了完全均一,橄榄石在4型陨石中已经可以达到完全均一,而辉石则需要在5型的陨石中才能达到完全均一.这也说明曼桂陨石至少经历不低于5型的热变质过程.

同时通过岩相学分析,曼桂普通球粒陨石中的球粒轮廓不清晰,基质普遍经历过重结晶,重结晶矿物颗粒粒径较大,斜方辉石粒径25–30µm,长石颗粒超过了50µm,这些现象都能说明曼桂普通球粒陨石达到了6型的热变质作用[14].

通过共生的低钙辉石和高钙辉石计算得到曼桂陨石的平衡温度约为875–920◦C.球粒陨石岩石类型从4型到6型的变化可以大致对应于600–700◦C,700–750◦C和750–950◦C的后期热事件的温度范围[15].平衡温度与通过岩相学所得到的结论一致,因此可以认为曼桂陨石达到了6型的热变质程度.

4.2 冲击变质作用

4.2.1 冲击变质等级的确定

陨石中存在着许多由于不同程度冲击变质作用所造成的岩相学特征,这些现象与热变质作用所导致的岩相学现象有所不同.Stoffler等[16]根据岩相学特征将冲击变质作用划分为了S1–S6 6个等级(如表5所示).

表5 冲击变质等级及其对应的岩相学特征[16]Table 5 Shock metamorphism grade and its corresponding petrographic characteristics[16]

在曼桂普通球粒陨石中可以观察到许多冲击变质作用的岩相学特征.橄榄石和辉石颗粒中发育波状消光现象、平面裂隙构造、嵌晶块状消光现象和面状变形构造.斜长石在高压下熔融经骤冷会形成的稠密淬火玻璃熔长石,但是熔长石化并不完全,同时又能观察到宽度不等且纵横交错的熔融脉.这些现象说明了曼桂陨石经历了S5级别的冲击变质作用.

4.2.2 合纹石的形成

在曼桂球粒陨石中存在着大量的合纹石,而合纹石最常见的形成途径有3种,第1种是从镍纹石母体中分异结晶出铁纹石,第2种是非平衡态的镍纹石转化为α2Fe-Ni相-马氏体(martensite),第3种则是由α2Fe-Ni相分解形成共生的铁纹石相(α相)和镍纹石相(γ相)[17].

铁镍金属在L型普通球粒陨石中至少需要700◦C才能保持镍纹石相.当温度低于700◦C时,铁纹石颗粒会从原始的镍纹石母体中分解出来,这使得铁纹石周围镍纹石中的镍含量升高,同时镍元素的扩散降低,在镍纹石中形成边缘高内部低的M型镍含量分布,同时在镍纹石内部更小尺度的进一步分异也在发生,便会形成细密交错的细粒铁纹石和镍纹石的结构即合纹石(这一过程如图7所示).在这一过程中,合纹石内部的镍含量较低,更容易形成颗粒较粗的铁纹石颗粒,越靠近边缘铁纹石颗粒越小,同时合纹石内部的镍纹石也会有M型的镍含量分布.这与我们在曼桂普通球粒陨石中观察到的现象一致,但是合纹石整体并没有M型的镍含量分布.

图7 合纹石形成过程[18]Fig.7 Formation process of plessite[18]

曼桂普通球粒陨石的母体小天体是由早期太阳系中固态星子吸积而成,其内部由于短寿期放射性核素衰变产生的热量逐渐升温,衰变结束后再缓慢降温,其中的合纹石也是在这一过程中形成的,属于第1类合纹石.之后母体小天体遭受了强烈冲击作用,使得温度瞬间升高再发生淬火,这也导致其相同相内成分更加均一化[19],使得合纹石整体没有M型镍含量分布,但在部分镍纹石颗粒内部仍然保留了这种现象,说明冲击作用的再升温并没有达到镍纹石相(γ相)稳定的温度,而停留在铁纹石相(α相)和镍纹石相(γ相)共存的温度范围(图8展示合纹石经历热事件的整个过程).同时α+γ相的温度范围与S5级别的冲击作用导致了升温范围(600–850◦C)一致[16].

图8 Fe-Ni二元金属相图[17]. α代表贫镍的铁纹石相, γ代表富镍的镍纹石相,Ms代表马氏体的起始温度.有图案的方框表示L型普通球粒陨石的成分变化范围,实线表示曼桂普通球粒陨石中的金属相所经历的热事件的过程.Fig.8 Fe-Ni binary phase diagram[17]. α is a low-Ni phase (kamacite), γ is a high-Ni phase (taenite),Ms is the martensite starting temperature.The patterned region represents the compositional variation range of the L-type ordinary chondrite,and the solid line represents the process of the thermal event experienced by the metal phase in the Mangui ordinary chondrite.

4.2.3 冲击熔融脉

冲击熔融脉中的高压矿物组合可用来推测冲击过程中陨石局部温压条件.橄榄石有两种超高压相,分别为β-尖晶石结构的瓦兹利石和γ-尖晶石结构的林伍德石.拉曼光谱分析表明熔融脉中的MgFeSiO4固熔体存在γ-和β-两种矿物相,说明其温压范围介于瓦兹利石和林伍德石稳定存在的范围中(如图9所示[20]),为13–15 GPa.高温高压实验表明,辉石相变为镁铁榴石的压力范围在16–23 GPa[21].综合熔融脉中的高压矿物组合可以初步推断出形成压力在15–16 GPa左右.

5 结论

本文通过分析曼桂普通球粒陨石中的岩相学及矿物化学特征,得到如下结论:

(1)曼桂陨石中的主要矿物为橄榄石、辉石、长石、铁镍金属和陨硫铁,次要矿物为铬铁矿、白磷钙矿等.陨石中的橄榄石成分为Fa24.3±0.6、辉石为Fs20.6±0.5Wo0.4±0.2,表明曼桂陨石属于L型普通球粒陨石;

(2)曼桂普通球粒陨石中的轮廓非常模糊,难以辨认; 基质严重重结晶,颗粒十分粗大(50µm左右),高钙辉石粒径25–30µm; 次生的长石颗粒超过了50µm说明该陨石属于6型热变质陨石.通过共生低钙-高钙辉石计算出的平衡温度(875–920◦C)与L6型陨石一致;

图9 Mg2SiO4 (Fo)-Fe2SiO4 (Fa)体系相图[20].有图案的方框代表曼桂熔融脉中矿物经历的峰值压力和成分范围.Wds: 瓦兹利石,Rgt: 林伍德石,Ol: 橄榄石Fig.9 Phase diagram of Mg2SiO4 (Fo)-Fe2SiO4 (Fa) system[20].The patterned region represents the peak pressure experienced by the minerals in the melting veins of Mangui and their compositional range.Wds: wadsleyite,Rgt: ringwoodite,Ol: olivine

(3)曼桂陨石中橄榄石和辉石颗粒中发育有波状消光、嵌晶块状消光现象、平面裂隙和面状变形构造,冲击熔融脉高度发育,长石转变为熔长石.以上特征表明曼桂普通球粒陨石受到的冲击变质作用可以达到S5以上,与在金属相中观察到的现象所得出的结论一致.同时通过熔融脉中的矿物组合推断出熔融脉中的高压矿物形成压力在15–16 GPa左右.

致谢全国各地的星友(张勃、马荣尉、李博方、王子尧)和陨石研究工作者(李世杰等)提供了曼桂目击陨石第一手现场资料和实物样本,在此深表感谢.