南极格罗夫山陨石收集、研究进展和富集机制

陈宏毅 缪秉魁 夏志鹏 谢兰芳 赵斯哲,2

研究综述

南极格罗夫山陨石收集、研究进展和富集机制

陈宏毅1缪秉魁1夏志鹏1谢兰芳1赵斯哲1,2

(1桂林理工大学, 广西隐伏金属矿产勘查重点实验室, 行星地质演化广西高校重点实验室, 陨石与行星物质研究中心, 广西 桂林 541006;2中国科学院地球化学研究所, 月球与行星科学研究中心, 贵州 贵阳 550081)

经过7次南极格罗夫山考察, 我国成功收集陨石12 665块, 证明格罗夫山为南极陨石富集区, 但和南极其他富集区相比, 格罗夫山陨石数量多、平均重量小、特殊类型陨石所占比例小。第3次和第4次格罗夫山考察共收集陨石9 802块, 106.5 kg, 分别占总数量和总重量的77.4%和82.5%, 之后收集陨石的数量和重量持续下降。相对于国际上研究程度高的陨石富集区, 格罗夫山冰流速率快、流向复杂、冰裂隙发育、夏季盛行偏东风且风力大, 可能是格罗夫山陨石碎块相对富集的客观原因; 但格罗夫山的蓝冰消融率、冰川流速、全年的气象条件等方面积累数据不足。因此, 尽快采集格罗夫山地区的冰川变化和气象数据, 建立格罗夫山陨石富集机制模型, 对合理规划格罗夫山陨石科考和探索新的陨石富集区具有重要意义。

南极 格罗夫山 陨石收集 研究进展 富集机制

0 引言

陨石是来自太阳系小行星、行星及其卫星等星体的地质样品, 保存了太阳星云凝聚、星子堆积和熔融分异等全部过程的信息, 这些样品对研究太阳系的形成和演化、行星和小行星岩浆演化、地球生命起源和深部物质组成等均具有极其重要的意义。相对于登陆外星表面采样, 陨石具有成本低廉和代表性广泛等特点。但是, 同地球上的其他资源相比, 陨石极为稀少, 在发现南极陨石之前, 人类收集到的陨石总数仅2 000多块[1], 且大部分为降落型陨石。1969年, 日本的南极科学考察队在东南极的大和山区发现了9块不同类型的陨石[2-3], 从此揭开了人类南极陨石科学收集和富集机制研究的序幕[4-8]。在此后50余年的时间里, 日本、美国、中国、韩国和欧洲联队等国科学家在南极共收集到5万多块陨石, 发现了50多个陨石富集区[9-17](图1)。尤为重要的是: (1)这些富集区均沿着横贯南极山脉、大和山区和格罗夫山等山脉和冰原岛峰分布, 这些山脉有效阻挡和减缓了冰盖的运动速度, 为陨石搁浅和富集提供了天然的屏障; (2)我国的中山站和泰山站可为格罗夫山陨石收集和潜在的南查尔斯王子山陨石调查提供后勤支撑, 而罗斯海新建站可为在横贯南极山脉东南侧的米勒山区、戴维冰川和先锋山等地开展陨石收集提供保障, 美国等国家在该区域已经发现了包括月球陨石[18]在内的大量珍贵陨石; (3)1998年至今, 我国共组织了7次格罗夫山考察, 收集到12 665块陨石, 使格罗夫山成为南极陨石密度最高的富集区之一[10-17]; (4)随着陨石分类工作的持续开展, 一批珍贵陨石类型如钙长辉长无球粒陨石、橄辉无球粒陨石、原始无球粒陨石、顽辉石球粒陨石、碳质球粒陨石等逐步被识别并开展研究工作; 此外, 随着分析测试技术的进步和我国综合国力的提升, 2008年之前已经开展研究的珍贵陨石类型如火星陨石等, 利用NanoSIMS等高精设备测试取得了重要的科学新发现; 在对普通球粒陨石稀有气体测试、氧同位素分析、磁化率测试等方面同样取得了重要进展。因此, 针对格罗夫山已回收陨石的分布、数量、重量和类型等数据进行统计学分析, 并结合现场考察采集的气象和冰川流速数据, 通过卫星遥感采集的冰流方向和蓝冰变化等数据开展陨石富集规律的研究, 不但可以合理规划格罗夫山陨石考察, 还可以预测和发现新的陨石富集区, 收集更多的南极陨石。而南极陨石的资源储备, 将可以有效促进我国陨石学与行星科学的学科发展, 更大程度上服务于我国深空探测的国家战略。

图1 南极大陆陨石富集区分布图

Fig.1. The distribution of meteorite concentration areas in Antarctica

1 格罗夫山地形地貌和气象条件

格罗夫山位于东南极普里兹湾兰伯特裂谷东岸, 中山站南西方向直线距离约400 km处(图1)。该地区由64座冰原岛峰和大面积出露的蓝冰区组成, 总体地势东南高西北低, 东南侧为冰原高地, 与下方的蓝冰区落差形成阵风悬崖(盖尔陡崖), 冰面最高海拔2 130 m, 最低1 831 m, 平均海拔2 000 m。兰伯特(Lambert)冰川由南东向北西流经格罗夫山地区, 由于岛峰链及其冰下隐伏山系走向垂直于主要冰流方向(图2), 对冰川的流动构成了巨大障碍。格罗夫山地区蓝冰出露面积广阔, 角峰众多, 高低不一, 形态万千, 冰流十分复杂, 在几十平方公里的不同区域内冰流速度存在明显差别, 导致冰裂隙分布甚广[19-20]。冰川流经格罗夫山地区减速明显, 加上强烈下降风的作用, 蓝冰的消融作用非常明显[21], 为陨石的搁浅富集提供了得天独厚的条件。

陨石的搁浅富集不但与冰川流动和冰原山脉分布有直接关系, 而且强烈受制于富集区的温度、风速、风向等气象条件。为此, 作者在第32次中国南极科考格罗夫山考察过程中专门采集了工作区的气象数据。采集地点为距离工作区较近的营地周边, 分中午和傍晚两次采集, 从2015年12月22日进入格罗夫山地区开始, 到2016年1月25日离开结束, 共计采集35天。使用常规的手持式风速风向仪及最高、最低温度表, 仪器在赴南极前和在中山站都进行过标定, 其观测精度可满足气象观测规范的要求[22]。

2015年格罗夫山地区夏季12月份最低温度−21℃, 最高温度−9℃, 10天的平均气温为−13℃; 2016年1月份最低温度−27℃, 最高−12℃, 25天的平均气温为−19℃; 相对于12月份, 1月份的平均气温下降6℃。风向以东风、偏东风、东南风和偏南风为主, 最大风速16 m·s−1(7级风), 7级风出现6天, 频率为24%, 35天中风速大于10 m·s−1(5级风)的天气有22天, 特殊的天气情况有地吹雪和白化天。而程彦杰等[22]在1998—1999年第1次格罗夫山考察测得的气象数据为1月份平均气温−18.5℃, 夏季盛行风向为偏东风, 平均风速为10 m·s−1, 7级风出现频率为25%。由此可见, 格罗夫山地区在17年间, 1月份的气象条件稳定, 没有太大变化。由于32次队在格罗夫山国旗营地首次设置的自动气象仪在队伍撤离1周后出现故障, 至今没有格罗夫山地区冬季的气象数据。

图2 格罗夫山地区地形、冰流方向和陨石分布图[15]

2 陨石收集、分类和类型分布

1998年12月, 我国组织了第一次南极内陆格罗夫山考察, 揭开了我国南极内陆科学考察的序幕, 并在阵风悬崖北段和中段的蓝冰表面回收4块陨石, 其中3块为普通球粒陨石, 1块为铁陨石[23-24]; 第2次考察, 发现了28块陨石[25], 经鉴定, 发现火星陨石1块, 钙长辉长无球粒陨石1块[26]; 第3次考察收集到4 448块陨石[27]。至此, 格罗夫山作为南极一个新的陨石富集区的推断被证实。此后, 第4—7次格罗夫山考察分别收集到5 354块、1 618块、583块和630块陨石, 我国的南极陨石拥有量达12 665块(表1)。

2.1 陨石分布特征

我国7次南极格罗夫山陨石考察收集的陨石绝大多数分布于阵风悬崖下方的蓝冰和冰碛带中, 其次收集于萨哈罗夫岭东侧的蓝冰区, 在哈丁山、戴维冰原岛峰和梅森峰周边的蓝冰上也曾发现零星陨石, 总体规律是从东南到西北的蓝冰上发现陨石数量越来越少(图2)。

根据7次格罗夫山陨石收集情况, 主要特征有: (1)按产状, 格罗夫山陨石可分为蓝冰型和冰碛型两类; (2)陨石主要产出区域位于阵风悬崖下方的蓝冰区和萨哈罗夫岭东侧蓝冰区, 并非所有蓝冰区均富集陨石; (3)在迎风坡的冰碛带和一些蓝冰凹地富集了许多质量小的陨石, 这些小陨石大部分是陨石碎片, 完整个体较少, 可能与风的搬运作用有关; (4)7次考察的陨石分布区基本重叠, 例如第4次所收集的5 354块陨石, 绝大部分与第3次考察所收集的4 448块陨石是在相同的区域内被发现的。

2.2 陨石收集数量和重量规律

7次格罗夫山陨石搜寻工作共计收集陨石12 665块, 总重量127.72 kg, 参与搜寻工作65人次。由于在格罗夫山采用步行拉网式的陨石搜寻方式, 因此, 在已经搜寻过的区域内, 陨石基本被搜寻殆尽, 陨石搜集的信息基本能够反映一定时间段内被搜寻区域的陨石富集特征。

第1次格罗夫山考察回收的4块陨石重量分别为13.5 g、76.4 g、282.2 g和154.8 g[23-24], 平均重量较大, 此后历次考察收集陨石数量增多, 在第4次考察达到峰值(5 354块), 之后3次考察收集数量快速下降, 平均重量也下降(表1, 图3), 主要规律为: (1)7次陨石收集总量的单块重量呈正态分布, 主峰值出现在0.1~0.5 g区间(4 499块), 次要峰值在1~5 g区间(2 549块), 大于1 kg的陨石数量仅10块; (2)单次搜集的数量和重量与总体规律基本一致, 细节略有差别: 峰值出现在1~5 g区间的有第2、5和6次, 峰值在0.1~0.5g区间的有第3、4次和第7次; (3)第3次和第4次在历次收集中数量最多(两次合计9 802块, 105.57 kg, 分别占总数量和总重量的77.39%和82.66%), 高居历次陨石收集数量和重量的顶峰, 之后陨石收集的数量和重量均急剧下降; (4)第5次收集小于0.1 g、0.1~0.5 g和1~5 g的数量相当, 第6次0.1~0.5 g、0.5~1 g和1~5 g数量相当, 而第7次0.5~1 g和1~5 g数量相当; (5)在陨石产状分布上, 第1次和第2次全部为蓝冰型, 第3次和第4次转为冰碛型为主, 但蓝冰型仍占据一定比例(21.81%和39.86%), 在第5—7次蓝冰型所占比例急剧减少(占比分别为: 0%、3.26%、7.30%), 总体上蓝冰型占所有回收陨石比例的25.27%(表1), 大多数陨石在冰碛带中被发现, 收集难度加大。主要原因是蓝冰型陨石易于识别, 在视力可见范围内基本不会被漏掉, 因此, 在目前可到达的工作区内, 蓝冰型陨石基本被收集完。

表1 我国南极格罗夫山陨石收集信息数据表

2.3 陨石分类工作进展和类型分布规律

自格罗夫山陨石发现以来, 我国持续开展了南极陨石分类、国际命名提交和相关的科学研究工作[28-42]。截至2020年10月, 已经分类的南极陨石共4 049块, 其中提交国际命名的陨石有3 426块,暂未提交命名的陨石可在中国极地标本资源共享平台中检索(http://birds.chinare.org.cn/ index/)。在已经提交国际命名的陨石中主要为普通球粒陨石, 占申报总数的98.31%, 其余特殊类型陨石数量分别为: 火星陨石2块, HED(Howardite-Eucrite-Diogenite)族陨石3块, 原始无球粒陨石2块, 橄辉无球粒陨石11块, 铁陨石4块, 橄榄陨铁1块, 中铁陨石12块, 碳质球粒陨石21块, 顽辉石球粒陨石2块(表2, 图4)。在已申报的陨石中, HED族陨石(1块)、铁陨石(3块)、中铁陨石(1块)、橄辉无球粒陨石(1块)、碳质球粒陨石(1块)、顽辉石球粒陨石(1块)是2013年之后新提交的特殊陨石类型[41-42]。

图3 我国历次南极格罗夫山科学考察陨石收集数量和重量分布图

Fig.3. The distribution of quantity and weight of Grove meteorites in Antarctica

将已获得国际陨石命名的格罗夫山陨石与南极其他陨石富集区的陨石进行对比, 可见如下特点: (1)在格罗夫山所发现的特殊类型陨石比例相对较小, 至今未发现月球陨石、顽辉石无球粒陨石、钛辉无球粒陨石等, 而HED族陨石、碳质球粒陨石、顽辉石球粒陨石、铁陨石和橄榄陨铁等陨石类型不但数量上远小于南极其他富集区的发现比例, 且其亚类也相对单一, 唯有中铁陨石比例(0.35%)高于南极其他富集区(0.13%); (2)格罗夫山普通球粒陨石比例(98.31%)高于其他富集区(91.73%); (3)所发现的普通球粒陨石中, L群的占大多数(68.21%), 被认为其中存在大量的陨石碎块或成对陨石[41-42]; (4)非平衡型普通球粒陨石比例(2.34%)与南极其他地区(3.99%)接近(表2)。

图4 格罗夫山和南极其他陨石富集区不同类型陨石分布图. a)格罗夫山; b)南极除格罗夫山之外的其他富集区总数

Fig.4. Histogram of chemical groups of meteorites recovered from Antarctica. a) meteorites from the Grove Mountains; b) meteorites from the other concentration areas

表2 格罗夫山和南极其他地区不同类型陨石数量对比

续表2

注: a)3型为非平衡型陨石, 与普通球粒陨石的不同化学群重复计数; b)我国第一块南极陨石GRV 98001未开展化学群分类; c)部分陨石包含多种化学群组分; d)存在未划分亚型的陨石; e)GRV 020043被认为代表了原始无球粒陨石的母体物质, 在国际陨石分类表上被划分为普通球粒陨石H4型。

3 格罗夫山陨石研究新进展

在对南极格罗夫山开展陨石搜寻工作的同时, 我国科学家十分重视陨石分类和科学研究工作: 在陨石的岩石学矿物学特征、地球化学特征及其类型划分, 陨石的起源、岩浆演化及其母体的地质过程, 陨石的冲击变质和热变质过程, 陨石的爆裂年龄和溅射年龄、氧同位素组成特征、磁化率和难熔包裹体等方面开展了大量的科研工作, 取得了突出的科研成果。缪秉魁等[14]和林杨挺等[16]做了系统综述, 本文主要总结2008年之后的研究进展。

3.1 火星陨石

我国在格罗夫山收集火星陨石2块, 分别为GRV 99027和GRV 020090, 从发现伊始, 科研工作者就对它们开展了持续研究, 截至发稿, 累计发表科研论文17篇[43-59]。GRV 99027和GRV 020090均为二辉橄榄岩质火星陨石[43,45], 属于火星陨石分类中的辉玻无球粒陨石, 对研究火星早期的岩浆演化和火星水等具有重要意义。

GRV 99027陨石∑REE(Rare Earth Element,稀土元素总量)低, 橄榄石和辉石富集HREE (Heavy Rare Earth Element,重稀土元素); 熔长石富LREE(Light Rare Earth Element,轻稀土元素), δEu(δEu=Eu×[(Sm+Gd) ×2−1]−1)具较高的正异常(δEu>1为正异常, δEu<1为负异常); 白磷钙矿具有极高的∑REE, LREE≈HREE, δEu负异常明显; 全岩氢同位素具有高的δD值[52,54]; 橄榄石、辉石和斜长石的Rb-Sr等时线年龄为177±5(2σ)Ma, 初始87Sr/86Sr = 0.710364±11(2σ), Sr同位素的初始比值落在ALHA 77005和LEW 88516等辉玻无球粒陨石之间[46,55], 这些特征与辉玻无球粒陨石一致, 与其他类型的火星陨石不同, 说明不同类型的火星陨石具有不同的岩浆源区, 二辉橄榄岩质火星陨石来自于同一岩浆构造单元, 反应了火星幔的均一性[54-55]。通过计算宇宙成因核素10Be的含量得出GRV 99027的宇宙射线暴露年龄为(4.4±0.6) Ma[50], 稀有气体计算得出的宇宙射线暴露年龄为(5.7±0.4)Ma (1δ)[59], 与同为火星幔起源的LEW 88516, Y- 793605, NWA 1950和ALHA77005具有相似的矿物学、地球化学特征和宇宙线暴露年龄, 说明它们极有可能来自火星上的同一次撞击事件[50]。

GRV 020090具有嵌晶结构和非嵌晶结构两种结构类型, 相对于GRV 99027和其他辉玻无球粒陨石, 具有较高的二辉橄榄岩和熔长石含量(24.2%)[53], 橄榄石和辉石相对富铁, 熔长石具有较高的碱金属含量, 轻稀土元素相对富集, 和玄武岩质辉玻无球粒陨石一致[55,57], 其岩石学、矿物学和地球化学特征表明其原始岩浆源来源于稀土亏损的火星幔, 之后部分熔融, 具有两个阶段的岩浆结晶过程[56-57]。Hu等[58]对GRV 020090岩浆包裹体的水含量和H同位素做了研究, 发现两者具有非常好的对数相关性, 指示为火星大气水交换的结果。岩浆包裹体的水含量和D/H比值非常不均匀, 两者都从中央向外逐渐升高, 表明这些水是由外部通过扩散进入岩浆包裹体。因此, 这些水是火星大气水而不是岩浆水, 该文章首次报道火星存在大气降水的同位素证据。通过对水在这些岩浆包裹体中的扩散模拟, 进一步对液态水存在的最长时间进行了估算: 在0℃的条件下, 液态水最长可存在13万~25万年左右, 如果温度升高到40℃, 则时间缩短至700~1 500年。这表明GRV 020090火星陨石的岩浆上侵至火星近表面时, 其热量熔化了周围的冻土层, 形成了一个区域性的、有限时间的地下热水体系。同时, 由于所测得的D/H比值远高于之前报导的结果, 表明有更多的水逃离了火星, 意味着火星早期曾经有过更深的海洋[58]。

3.2 HED族陨石

我国在格罗夫山共收集到3块HED族陨石, 全部为Eucrite, 分别为GRV 99018[60], GRV 051523[61]和GRV 13001[62-63]。GRV 99018是一块遭受强烈冲击变质和热变质的角砾岩化玄武岩质无球粒陨石, 冲击导致了部分熔融, 冲击熔脉宽5~20 μm; 辉石具有1~3 μm宽的出溶条带, 重结晶的颗粒普遍发育, 说明其遭受了多期次的热变质作用[60]。GRV 051523玄武岩质无球粒陨石受到强烈的撞击并角砾化, 形成冲击熔脉; 粗粒辉石晶体周边普遍存在微粒状或细针状铬铁矿, 并具有定向分布特征, 不同产状的辉石成分均一, 表明该陨石经历过强烈的热变质作用, 其岩石类型为5—6型[61]。GRV 13001重1 299 g, 是我国在南极发现最大的一块无球粒陨石, 其四分之三表面被一层灰黑色熔壳覆盖, 熔壳厚度0.02~0.10 mm; 陨石内部呈深灰—灰白色, 含大量深灰色不规则角砾, 基质为灰白色; 易变辉石出溶普通辉石片晶, 斜长石出溶富铁纳米颗粒, 含硫元素的二氧化硅热液沿裂隙交代辉石和斜长石, 形成陨硫铁和石英, 证明其母体上发生过热液变质反应[62]。通过氧和铬同位素的对比研究(δ18O‰=3.65, δ17O‰=−0.238±0.001;ε54Cr=−0.32), 推测GRV 13001可能直接起源于一个直径数公里的V型小行星碎片, 该小行星碎片在进入地球轨道之前位于比灶神星更加靠近火星的位置[62]。通过GRV 13001和其他HED族陨石的热变质对比综合研究, Eucrite热变质发育程度最高, 而Diogenite只有微弱的热变质, 组成Howdite不同的角砾具有不同的热变质程度, 玄武岩质Eucrite具有最高程度的热变质, 辉长堆晶岩型Eucrite次之, Diogenite角砾热变质程度最低; 因此, Eucrite热变质的热量最有可能来源于玄武岩浆喷发的覆盖加热[63]。

3.3 橄辉无球粒陨石

橄辉无球粒陨石是一类特殊的无球粒陨石, 既具有高度分异的火成特征, 又具有原始球粒陨石的特征, 对了解太阳系形成和演化有重要意义[64]。我国在格罗夫山成功收集橄辉无球粒陨石11块, 占已分类陨石总数的0.32%, 与国际水平相当(表2), 累计发表科研论文9篇[64-72], 其中, GRV 021788, GRV 024516, GRV 024237, GRV 022888, GRV 052382和GRV 052408在岩石学和矿物化学特征、地球化学特征、宇宙射线暴露年龄和气体保存年龄、冲击变质作用等方面开展了一定的研究工作[64-72]。

GRV 021788由橄榄石、辉石、少量的富碳基质和不透明矿物组成, 橄榄石晶体具有三线共点的三联晶结构和富镁还原边等典型的橄辉无球粒陨石特征。黑色的填隙基质富含碳、金刚石和石墨, 属于单矿I型橄辉无球粒陨石, 可能形成于多阶段部分熔融和堆积[64]。GRV 024516的宇宙射线暴露年龄为33.3 Ma, 气体保存年龄为1 936.8 Ma, 填隙物含金刚石、石墨和无定型碳, 并为主要稀有气体的载体, 且冲击变质效应明显, 导致40Ar部分丢失[65]。GRV 052382遭受了强烈的冲击变质作用, 主要由橄榄石(75%)、易变辉石(5%)、富碳填隙物(20%)和少量金属组成, 橄榄石具有镁质还原边, 辉石成分均匀, 但存在冲击作用影响下的波浪状成分变化, 石墨和金刚石作为填隙物充填在橄榄石裂隙中, 冲击作用的主要表现为橄榄石细晶化、易变辉石中的不规则气孔被金属铁充填、石墨的金刚石相变等, 与GRV 021788一样可划分为富铁的I型[66-68,70]。GRV 024237由粗粒橄榄石(60%)、易变辉石(30%)和不透明矿物组成, 橄榄石具有120°角三联晶、反环带等典型橄辉无球粒陨石特征, 基质富含碳质, 充填于裂隙中, 冲击程度弱, 与GRV 021788同属于单矿I型橄辉无球粒陨石[69,71]。GRV 052408由橄榄石(60%)、辉石(35%)和富碳质填隙物(5%)组成; 而GRV 022888橄榄石含量达98%, 仅有极少量的辉石和含碳质填隙物。GRV 052408和GRV 022888的共同特征是橄榄石具有核部富铁边部富镁的反环带结构, 属于单矿I型橄辉无球粒陨石[72]。

通过以上研究, 可以明确橄辉无球粒陨石的主要特点是: 矿物组成以橄榄石为主, 辉石为辅, 辉石中以易变辉石为主; 填隙物中富含石墨和金刚石; 橄榄石具有120°的三联晶结构和核部富铁边部富镁的反环带, 说明其经历了岩浆结晶后期复杂的重熔或变质作用, 可能起源于陨石母体部分熔融后残余物质的重结晶[64-72]。

3.4 原始无球粒陨石

我国在格罗夫山陨石中识别出两块原始无球粒陨石GRV 021663和GRV 022890[73-77], 亚类分别为Acapulcoite和Winonaite(表2)。Li等[73]对GRV 021663做了报道, GRV 021663主要由原始的镁橄榄石(Fa5.4)、顽辉石(Fs4.7Wo3.0)、透辉石(En53.6Fs2.4Wo44.0)、陨硫铁、铁镍合金和斜长石(Ab74.5Or4.0An21.5)组成, 含有少量的陨磷铁镍石和富钾长石; 全岩的氧同位素组成为δ18O= 7.50‰, δ17O=3.52‰。Zeng等[74]通过对GRV 021663、GRV 022890两块南极格罗夫山原始无球粒陨石, 以及四块西北非原始无球粒陨石综合的岩石学和地球化学特征分析后认为, 原始无球粒陨石母体在演化历史上形成了四层结构: 由球粒陨石物质组成的表层、经历了变质反应和FeNi–FeS部分熔融物质形成的亚层、深部的硅酸盐部分熔融层和最里面不完全分异的金属熔体。

此外, 通过对球粒陨石GRV 020043进行氧和铬同位素测试, 全岩氧同位素组成为: δ18O= 3.226±0.267‰, δ17O=0.797±0.131‰, Δ17O=−0.927± 0.017‰, 全岩铬同位素组成为: ε54Cr =0.48± 0.10‰。同位素组成和普通球粒陨石以及未分组的球粒陨石不同, 而与已知的原始无球粒陨石一致, 从而推测GRV 020043代表了原始无球粒陨石母体形成之前的物质来源[74-76], 并结合部分原始无球粒陨石的研究给出了其母体的可能结构[76]。

3.5 铁陨石

王道德和林杨挺[77-78]对我国在南极发现的第一块铁陨石GRV 98003做了研究, 将其划分为IAB- complex群, 化学类型与南丹铁陨石、邕宁铁陨石和NWA 468铁陨石等一致。与NWA 468相比, GRV 98003具有明显的难熔亲铁元素(Re, Ir)和中等挥发性元素(Ga, Ge)的贫化, 其他的化学组成与NWA 468相似, 两者均可能是在碳质球粒陨石小行星母体表面由表土经过冲击熔融形成的。

3.6 碳质球粒陨石

碳质球粒陨石是我国在格罗夫山发现的陨石中除了普通球粒陨石之外数量最多的陨石类型, 目前已鉴定出21块(表2)。碳质球粒陨石的岩石学矿物学特征, 富Ca,Al难熔包裹体(CAI, Calcium- aluminum Inclusions)特征和成因[79-84], 以及太阳系外颗粒和来源分析[85]等方面是研究的重点。

GRV 020025、GRV 021579、GRV 022459和GRV020017分别被划分为CM2、CO3、CV3和CM2型碳质球粒陨石, 基质和球粒的面积比值分别为2.8、1.2、1.0和2.0, 最大的球粒直径达0.6~ 2 mm(GRV 022459), 4个陨石薄片中共发现30个钙铝包裹体[79]。大部分钙铝包裹体强烈蚀变, 被划分为A型或尖晶石-辉石富集型, 具有类似的岩石学和矿物化学特征, 推测它们具有相似的起源[80]。在GRV 020025和GRV 021579中还发现两个富尖晶石球粒状钙铝包裹体, 分别为3R18和3R15, 3R18中尖晶石含量高, 在球粒的最外边存在严重蚀变的不规则边, 钙钛矿主要分布在靠近边的位置; 3R15的尖晶石中的钙钛矿消失, 发现深绿辉石, 薄薄的蚀变层位于尖晶石核和富钙辉石边之间, TiO2含量较高, 岩石学和矿物化学特征表明, 3R18和3R15都经历过熔融结晶过程, 它们的蚀变均发生在非氧化的含水或无水的环境中[81-82]。GRV 022459的蠕虫状橄榄石集合体中的尖晶石强烈富铁, 说明其形成于高氧逸度的环境[83]。GRV 023155 和GRV 050179分别被划分为CV3和CM2型碳质球粒陨石, 多数难熔包裹体强烈蚀变, 在球粒、基质和包裹体中均发现了层状硅酸盐, 证明在其母体上发生了较强烈的含水蚀变, 所有包裹体被划分为A型或尖晶石-辉石富集型, 可能代表了太阳星云的连续凝聚[84]。

利用NanoSIMS在CR型碳质球粒陨石GRV 021710中发现了前太阳系颗粒(太阳系外颗粒), 在35个异常的含碳颗粒中28个为碳化硅(SiC), 通过N和Si同位素测试, 在7个颗粒中, 1个为新星颗粒、1个为Y颗粒、1个为Z颗粒, 4个为主流颗粒; 112个氧异常的颗粒中有89个属于1组(Group 1), 说明了起源于低到中等质量红巨星和AGB星, 21个属于4组(Group 4)颗粒, 起源于超新星[85]。

3.7 顽辉石球粒陨石

谢兰芳等[86-87]对我国在南极新发现的顽辉石球粒陨石GRV 13100做了系统研究。GRV 13100为EH4型, 冲击变质程度为S2, 风化程度为W2。主要由不同类型的球粒、基质和不透明矿物组成, 球粒及基质矿物组成均以顽火辉石或辉石质玻璃为主, 次要矿物为钠长石、镁橄榄石、方石英和不透明矿物。不透明矿物包括陨硫铁、陨硫铬铁矿、陨硫镁矿、陨硫钙矿、含硅铁纹石(Si含量2.23~3.90 wt.%)、陨磷铁矿、硅磷镍矿等金属硫化物和磷化物, 不透明矿物总含量达21vol.%。陨硫镁矿中FeS含量可以反映母体变质温度, 通过计算和对比, GRV 13100中大部分陨硫镁矿变质温度为200℃~300℃, 个别经历了400℃~800℃的高温, 可能为外来吸入成因或代表了原始星云的凝聚或结晶温度; 陨硫镁矿形成于太阳星云的直接凝聚, 并在橄榄石和顽火辉石冷凝结晶之后形成; 陨硫铁的成因分为原生和次生两种, 原生的陨硫铁由太阳星云直接凝聚而成, 次生的陨硫铁是在后期热变质过程中由铁镍金属经过硫化作用或者由陨硫镁矿分解而形成; 硅磷镍矿可能来自含硅铁纹石的出溶[86-87]。

3.8 普通球粒陨石的冲击变质作用

Feng等[88-92]、Xie等[93-96]、冯璐等[97]、张广良等[98]、王江与缪秉魁[99]、Zhong等[100]、朱佳玲等[101]在南极格罗夫山陨石的冲击变质特征、高压相矿物集合体对温度和压力约束、冲击熔融过程等方面做了积极探索。

通过对93块格罗夫山普通球粒陨石的调查, 它们的冲击变质特征表现为主要组成矿物的破裂、消光、熔融和重结晶等, 存在林伍德石、镁铁榴石、辉石玻璃和熔长石等多种硅酸盐矿物的高压多形。在遭受强烈冲击变质(S4—S5)的23块样品中, 22块为L群, 1块为H群, 且大部分为平衡型(5—6型)陨石, 说明热变质程度高的L群陨石母体遭受冲击变质程度最高[90,97]。陨石遭受强烈的冲击变质可导致球粒的全部或部分消失, 如GRV 052483撞击熔融角砾岩型L6普通球粒陨石[98]。H群普通球粒陨石的冲击变质程度相对较弱, 冲击熔脉宽度较窄, 在调查的47块H型陨石中, 仅在GRV 022469的冲击熔脉中发现了橄榄石的高压矿物相瓦兹利石[99]。GRV 090228(L5)中硅酸盐矿物具破裂、波状消光、击变面状页理, 长石熔长石化, 冲击熔脉中铁镍金属与陨硫铁共熔, 含橄榄石–林伍德石集合体、镁铁榴石等高压矿物组合, 冲击变质程度达到S5, 冲击压力峰值在18~23 GPa, 冲击温度峰值在1 800~2 500℃[101]。

在GRV 052049(L5—6型)中发现了辉石的高压变质矿物镁铝榴石, 限定冲击压力峰值21~ 25 GPa,之后橄榄石及其高压相矿物林伍德石在<10 GPa压力和1 473 K温度下达到平衡, 橄榄石的出溶条带可能在橄榄石向林伍德石和瓦兹利石固相转变以及之后的退变质过程中形成[88]。橄榄石-林伍德石-瓦兹利石共存可能有沿晶界不连贯结晶和共格晶内成核生长两种成因机制, 而在GRV 052049中发现林伍德石和与其共存的瓦兹利石之间存在巨大的成分空隙可能说明还有其他的成因机制[89]。在GRV 052082(L6)的冲击熔脉中发现了钛铁矿的高压相矿物阿基墨石、林伍德石、镁铁榴石与镁铁榴石和辉石固融体共存, 限定冲击压力峰值在18~23 GPa, 温度峰值在2 000~ 2 300℃。熔脉中的低钙辉石角砾已经部分或全部转变为阿基墨石和辉石玻璃集合体, 阿基墨石中Fe含量减少(Fs6-19), 辉石玻璃中Fe含量增加(Fs31-39), 而原始辉石具有均匀中等的Fe含量, 说明冲击导致辉石全部熔融之后重结晶, 阿基墨石先结晶, 辉石质玻璃从残余熔体中快速淬火[92]。GRV 022321发育网脉状的冲击熔脉, 在熔脉中发现了橄榄石和林伍德石集合体, 中心为橄榄石, 边部为林伍德石, 林伍德石(Fa50)比橄榄石(Fa10-30)具有高的铁含量, 该样品有助于合理计算的冲击持续时间内温度的转变[93-94], 利用电子探针、激光拉曼和超薄切片透射电镜相结合的技术, 可以阐明橄榄石和林伍德石中Mg-Fe迁移机制, 并用动力学原理评估冲击持续时间[94,96]。Xie等[95]利用FIB-TEM(Focused Ion Beam-Transmission Electron Microscope, 聚焦离子束超薄切片和透射电镜)技术研究了GRV 022115(L6)中主要硅酸盐相的破裂相变、蒸汽相和纳米铁的形成机制。

由于GRV 052049中的林伍德石具有巨大的成分分带(Fa27.8-86.1), Feng等[91]探讨了拉曼光谱和化学成分之间的关系, 研究发现林伍德石颗粒的Fa值与拉曼谱峰有很好的线性相关。随着林伍德石的Fa值从27.8%升高至86.1%, DB1峰从796.3 cm−1位移至782.7 cm−1; SB1峰从296.0 cm−1位移至284.6 cm−1。从而建立了林伍德石Fa值与拉曼谱峰的关系式, 得到利用拉曼光谱测定林伍德石的化学成分的新方法, 其分析精度好于5 mol%。该项技术具有两个潜在应用, 即在高温高压实验中在线测定橄榄石-林伍德石的相变及其化学组成变化, 以及在深空探测中, 利用拉曼谱仪实现矿物结构和化学组成的同时测定。

3.9 普通球粒陨石的稀有气体

Lorenzetti等[102], Ranjith等[103]先后对格罗夫山普通球粒陨石进行了He、Ne和Ar等稀有气体含量测试。GRV 98002(L5)的宇宙射线暴露年龄(CRE,Cosmic Ray Exposure Age)为(17.0±2.5) Ma, GRV 98004(H5)从母体暴露到地球的时间极短: (0.052±0.008) Ma, 它的岩石学和矿物化学特征与其他H5型陨石也不同, 只有3个陨石具有类似低的CRE年龄: Farmington (L5), Galim (LL6)和ALH 82100 (CM2)。因此, 这些CRE年龄≤0.1 Ma陨石的母体可能是天文观测中那些和地球轨道相交或者主带小行星中接近于弹射共振的小行星[102]。GRV 13095(L5)的K-Ar气体保留年龄为(459±13)Ma,支持发生在470 Ma年前的L型球粒陨石母体的大撞击事件, 利用He、Ne和Ar含量(avg.4He=61.5×10−8ccSTP·g−1, avg.40Ar=173.5×10−8ccSTP·g−1)计算的CRE年龄为14.1±2.5 Ma; GRV 13083(H4)的的K-Ar气体保留年龄为(3.67±0.26) Ga, 落在3.5~4.0 Ga期间H型球粒陨石大撞击范围内, 其CRE年龄为(3.9±0.7) Ma, 比H型陨石CRE年龄峰值年轻[103]。

3.10 陨石的磁化率、风化程度和氧同位素

磁化率是陨石的一个基本物理常数, 对磁化率影响较大的是陨石中铁镍金属的含量, 利用磁化率对未分异型球粒陨石以及铁陨石和中铁陨石等分类可以起到快速、便捷的作用[104]。通过对613块格罗夫山陨石磁化率测量, 结果表明利用磁化率可以划分大部分H、L、LL群陨石。格罗夫山H群陨石的磁化率分布与南极其他地区的陨石十分相似, 两者相对于降落型陨石均向低质量磁化率方向平移0.2(logχ,10–9m3·kg–1), L群陨石的质量磁化率分布同样较降落型陨石偏低0.2左右, 反映了风化作用对南极陨石磁化率的影响程度[105]。

采用对金属和硅酸盐同时进行风化等级划分的办法, 尚颖丽等[106]对南极陨石的风化等级标准进行了重新厘定。金属的风化等级划分为Wm0—Wm4五级, 硅酸盐风化等级Ws0—Ws3四级。按照这个方案, GRV 021588、021636、021772和021957等4块无法用Wlotzka标准确定风化等级的陨石的风化程度被划分为Wm1—Ws1, 而GRV 023312的风化等级为Wm3—Ws0, 相当于Wlotzka标准的W3[107]。

富铝球粒在岩石学矿物学和同位素组成等方面兼具富钙富铝难熔包体和镁铁质球粒的特征, 在GRV 022410(H4)、GRV 052722(H3.7)和Jule­sburg (L3.6)3个普通球粒陨石中发现了7个富铝球粒, 它们的全岩Al2O3含量为17%~33%, 均显示火成结构。富铝球粒的氧同位素成分(δ18O= −6.1‰~7.1‰; δ17O=−4.5‰~5.1‰), 与镁铁质球粒相近, 远比富钙富铝难熔包体(δ18O=−40‰; δ17O=−40‰)亏损16O。在三氧同位素图上, 大部分富铝球粒投在地球分异(TF)线附近, 少部分(含尖晶石)投在TF线和碳质球粒陨石无水矿物(CCAM)线之间。与前人研究结果相比, 更缓的斜率及更贫16O的成分进一步表明普通球粒陨石中的富铝球粒不是CAI与镁铁质球粒简单混合形成的, 相反, 它们很有可能在多次熔融过程中与贫16O的星云气体经历了更高程度的氧同位素交换[108-109]。

4 南极陨石富集机制和规律探讨

自1969年以来, 南极陨石富集机制日益受到各国陨石研究者的关注。南极陨石富集机制是指在数以百万年时间里降落在南极冰盖上的陨石, 在蓝冰中储存、运移, 并随着冰川运动由中心向四周流动, 在接近海岸遇到冰原岛峰或冰下山脉阻挡, 流速减缓, 在下降风的作用下蓝冰消融, 薄层积雪被吹走, 历经数以万年的积累, 储存在蓝冰中的陨石逐渐被暴露, 并在强风作用下产生分选和富集的过程[110-111]。在南极大陆目前已经发现了50多个陨石富集区, 大部分沿着横贯南极山脉分布, 少部分位于东南极的冰原岛峰, 如大和山区、拉扎列夫站和格罗夫山等地(图1)。

陨石的富集与搁浅区的地形地貌条件、冰盖流动速率、蓝冰的消融速率、下降风和盛行风的作用等因素密切相关[112]: (1)携带陨石的蓝冰从冰原高地向海边运动过程中遇到山脉阻挡, 流速减缓, 如维多利亚地东部先锋山区的冰流遇到山脉阻挡后, 流速从100 cm·a−1降低到10 cm·a−1[113], 强烈的下降风吹走表层冰雪, 消融浅层蓝冰, 携带在蓝冰中的陨石暴露于冰层表面; (2)根据多个陨石富集区的统计数据, 陨石搁浅冰面的海拔高度一般在2 000 m左右[8], 这个海拔易于使流入搁浅区的冰和流出及消融的冰保持动态平衡(陨石富集区的冰流条件必须满足: V流入≥V流出+V升华, V指蓝冰的体积); (3)陨石搁浅区必须是裸冰区, 裸冰具有动态消融过程, 根据多个陨石富集区裸冰消融率测试, 南极蓝冰平均消融速率为5~6 cm·a−1,如先锋山区蓝冰消融率为6.5 cm·a−1[25], 艾伦丘陵为4 cm·a−1[114], 大和山区为5 cm·a−1[115]; (4)蓝冰的消融使陨石暴露于冰面产生富集的时间最长可达5万年[113]; (5)艾伦丘陵的强风可以移动冰面上重量小于100 g的陨石[115], 而先锋山区的强风和冰碛共同作用可以搬运小于200 g的陨石[111]。

格罗夫山地区平均海拔为2 000 m左右, 符合陨石搁浅冰面海拔的最佳条件。根据卫星影像数据, 格罗夫山地区的蓝冰在9—12月份体积明显增加, 在1月中下旬达到最大值, 2—4月份面积显著减少[116]。蓝冰具有动态流动和变化过程, 蓝冰体积增大主要原因是覆盖在上面积雪的融化或者被盛行风吹走造成的, 蓝冰体积最大的时候也是收集陨石的最佳时刻。利用Envisat ASAR数据对格罗夫山冰流数据提取表明, 受角峰群的影响, 格罗夫山的冰流十分复杂, 外围的两大主冰流流速最高可达40 m·a−1[117]; 中国第22次南极考察队测得从中山站行进到格罗夫山地区7个观测点的冰流速率介于7.6~21.3 m·a−1之间, 位于格罗夫山上游4个点的冰流平均速率8 m·a−1, 而在格罗夫山岛峰内部的14天内冰流运动了0.282 m, 平均合计7.35 m·a−1[13]; 而在格罗夫山内部的威尔逊岭、哈丁山和阵风悬崖北段之间的几十平方公里冰面上, GPS实测的7个竹竿标志点(图2)的冰流速度分别为3.54、1.11、0.62、5.98、7.32、5.40和12.34 m·a−1;同时, 将DInSAR和偏移量跟踪得到的二维平面相应点的流速分别为2.82、1.39、1.43、7.09、9.19、5.60和10.84 m·a−1[118]; 两种方法数据规律基本一致, 流速差值分别为11.72 m·a−1和9.45 m·a−1。因此, 格罗夫山岛峰对于冰流减速十分显著, 但在岛峰内部冰流速率有非常大的差值, 这是造成格罗夫山冰裂隙发育的主要原因[118], 广布的冰裂隙对陨石收集队员的安全构成了巨大的威胁, 是不利于陨石收集的自然因素。

至今依然没有格罗夫山蓝冰消融率的确切数据, 而冰流在遇到山脉岛峰阻挡之后的流速依然远大于维多利亚地东部先锋山区的冰流速度, 格罗夫山的盛行偏东风能够搬运多大重量的陨石, 也没有做过相应的现场实验。因此, 作者在2015—2016年的考察季在格罗夫山阵风悬崖北段和中段设置了4处蓝冰消融率和冰流速度的监测点, 计划下次科考再在不同岛峰之间设置5个类似的监测点(图2)。每个监测点由点距50 m的测量用花杆和竹竿阵组成, 以期采集到近5年来的蓝冰消融率和冰流速度, 建立格罗夫山陨石富集规律模型。此外, 格罗夫山地区的下降风和流行风特别强烈, 夏季5级以上大风占62.9%以上, 富集的陨石在强风作用下易发生碰撞破碎和风化, 这个结论和在格罗夫山收集到0.1~0.5g重量的陨石占比最多一致。

5 结论、问题分析和建议

我国经过7次南极格罗夫山考察, 成功回收陨石12 665块, 证明格罗夫山为南极陨石富集区。但相对于南极其他的陨石富集区, 我国在格罗夫山收集的陨石数量多, 平均重量小, 特殊类型陨石所占比例偏低, 至今没有发现月球陨石。主要原因为: (1)相对于国际上研究程度高的陨石富集区, 格罗夫山冰流速率快、流向复杂、冰裂隙发育、夏季盛行偏东风且风力大, 可能是格罗夫山陨石碎块相对富集的客观原因; (2)我国在格罗夫山收集陨石基本采用徒步方式, 可搜寻的范围非常有限, 与美国在横贯南极山脉等地采用雪地摩托车大范围的搜寻方式有很大不同, 搜寻方式的差别可能是造成格罗夫山回收陨石数量多但质量小的主要原因; (3)在历次格罗夫山陨石考察中, 回收的蓝冰型陨石总体上逐步下降, 第5—7次考察收集的小质量陨石大部分发现于冰碛带中, 这些陨石成对的比例较大; (4)限于冰裂隙发育等安全因素考虑, 我国并未在蓝冰区开展大面积陨石搜寻工作。

为了持续有效开展我国南极陨石回收工作, 提高特殊类型陨石回收比例, 以产生更有价值的科研成果, 建议: (1)制定周密的野外工作方案, 利用雪地摩托车在格罗夫山扩大蓝冰区的搜寻范围, 进一步提高陨石单块重量和特殊类型陨石比例; (2)尽快采集格罗夫山地区的蓝冰消融率、不同区域冰川流向和流速、全年的气象条件等方面的数据, 建立健全格罗夫山陨石富集机制模型, 对合理规划格罗夫山陨石科考和探索新的陨石富集区具有重要意义; (3)陨石的富集需要几千年甚至上万年的时间, 格罗夫山富集区可回收的陨石资源量所剩不多, 急需要探测新的陨石富集区, 依托于中山站的南查尔斯王子山和罗斯海新站的横贯南极山脉南延部分是下一步陨石勘探的潜力区。

致谢: 中国历次南极格罗夫山科考队和中国极地研究中心提供了部分资料, 匿名审稿人提出了很好的修改意见, 在此一并感谢。

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RECOVERIES, RESEARCH PROGRESS, AND CONCENTRATION MECHANISM OF METEORITES IN THE GROVE MOUNTAINS, ANTARCTICA

Chen Hongyi1, Miao Bingkui1, Xia Zhipeng1, Xie Lanfang1, Zhao Sizhe1,2

(1Guangxi Key Laboratory of Hidden Metallic Ore Deposits Exploration, Guangxi Key Laboratory of Planetary Geological Evolution, Research Center of Meteorites and Planetary Materials, Guilin University of Technology, Guilin 541006, China;2Center for Lunar and Planetary Sciences, Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang 550081, China)

China has successfully recovered 12 665 meteorites in the previous seven expeditions to the Grove Mountain region of Antarctica, unarguably demonstrating that the Grove Mountains are a meteorite concentration area. However, meteorites recovered from the Grove Mountains display larger numbers, lower average weights and smaller proportions of specific types of meteorites compared with other meteorite concentration areas in Antarctica. A total of 9 802 meteorites (106.5 kg) were collected in the third and fourth Grove Mountains expeditions, accounting for 77.4% and 82.5% of the total amount and weight, respectively. Then, the number and weight of meteorites recovered in the Grove Mountain region continually decreased from 1 618(17.1 kg) to ~600 (~2.0 kg)in the following three missions. Compared with mature meteorite concentration areas in Antarctica, the ice flow rate of the Grove Mountains is fast, the flow direction is complex, the crevasses of glacier are well developed, and the prevailing easterly wind in summer is strong, which may be the reasons for the relative enrichment of meteorite fragments in the Grove Mountains. However, the data of ablation rates of blue ice, glacier velocity, and annual meteorological conditions are insufficient. Therefore, it is of great significance to collect glacier change and meteorological data as soon as possible and to establish a model of the meteorite concentration mechanism in the Grove Mountains for reasonable planning of meteorite scientific expeditions to the Grove Mountains and the exploration of new meteorite concentration areas.

Antarctica, Grove Mountains, meteorite recovery, research progress, concentration mechanism

2020年2月收到来稿, 2020年3月收到修改稿

国家自然科学基金(41866008, 41776196)、桂林理工大学科研启动金(RD19200001)、广西科技计划项目(桂科AD16450001, 桂科AD1850007)资助

陈宏毅, 男, 1980年生。博士, 主要从事陨石学和天体化学研究。E-mail: Chy@glut.edu.cn

10. 13679/j.jdyj.20200006