铁陨石中陨磷铁镍矿的矿物学特征及微区特征研究

李健 姚瑶 邓松良 岳蕴辉 王玉山

摘  要：铁陨石中常发现有陨磷铁镍矿包体，该特征矿物镜下特征、晶体结构、物化性质、成因等特征研究较少或尚不明确。通过电子显微镜、电子探针分析，对铁陨石中陨磷铁镍矿的矿物学特征、显微形貌特征进行研究，为陨石的演化形成过程等研究工作奠定基础。结果表明：陨磷铁镍矿晶形呈四方长柱状，自形程度高，截面呈四边形或长方形，立体空间上大体呈3个方向定向平行排列，形态类似混凝土的钢筋架构，表明陨磷铁镍矿结晶早于铁纹石及镍纹石。铁陨石母体内P元素的存在，在铁陨石的母体元素演化过程中对微量元素分配系数的影响起主导作用，可能影响微量元素丰度的分配，对元素固化分析系数影响很大。

关键词：陨磷铁镍矿;矿物学特征;微区特征

陨石由太阳系早期物质演化而成，记录有宇宙射线的辐射历史，保存了不同星体母体的物质来源。随着探月工程及火星探测等空间科学研究的持续深入，陨石研究备受国内外学者的关注。陈永亨等人研究了新疆铁陨石的矿物学特征及母体形成条件[1];侯渭等对陨石矿物种类及矿物表进行了总结[2];缪秉魁等人对南极陨石进行了基础分类及研究意义探讨[3];沈文杰等研究了陨石岩矿特征及化学-岩石类型[4];赖永旺等探讨了10块新疆哈密沙漠陨石的类型及岩石矿物学特征[5]。近年来，陨石研究主要侧重于岩石矿物学、冲击变质特征、地球化学特征及陨石分类、收集、富集机制等方面[6-9]，对陨石中特定矿物的矿物学特征及微区特征研究较少。本文通过电子显微镜下岩矿鉴定、电子探针矿物成分分析及扫描电镜图像观察，对铁陨石中陨磷铁镍矿的矿物学特征、显微形貌等特征进行研究，并探讨陨磷铁镍矿的形成条件和成因，为陨石的内部微区特征研究奠定基础。

1  实验方法

将4件铁陨石样品制成光片进行观察。镜下岩矿鉴定采用Leica DFC420电子显微镜，元素分析及微区形貌分析采用新疆矿产实验研究所日本JXA-8230电子探针分析仪。加速电压15-20 kV、束流电流：10 nA;束斑直径：10 um。硅酸盐采用天然矿物标样，金属采用金属或氧化物标样。分析数据采用ZAF（原子序数、吸收效应及荧光效应）法校正。

1.1  矿物组合、岩相学特征

D01陨石主要由铁纹石、镍纹石及少量陨磷铁镍矿构成（图1-a），呈块状产出。样品局部边缘遭受震碎及次生蚀变，蚀变矿物褐铁矿沿铁陨石菱形格子（部分呈方格状）交代铁纹石或镍纹石（图1-b）。镍纹石含量约18%，白色，反射率较高，均质体，镜下分不清颗粒间界线，与铁纹石呈格子状连生。铁纹石含量约80%，灰蓝色，反射率较低，均质体，呈叶片状与镍纹石呈格子状连生。陨磷铁镍矿量少，约占2%，他形粒状，多具圆滑外形，粒径0.05～0.25 mm，呈星点状包裹在铁纹石中。

LBP-1铁陨石主要由镍纹石和铁纹石构成，其中含少量陨磷铁镍矿及蚀变矿物褐铁矿，呈块状产出。镍纹石含量约35%，反射色为白色，反射率较高，均質体，镜下分不清颗粒间界线，作为陨石基底部分存在。经电子探针能谱分析，镍纹石中Fe含量80.68%，Ni含量19.32%。铁纹石含量约62%，反射色为浅蓝灰色，反射率较铁纹石低，均质体，多呈细长条状分布，两端趋于尖灭状（部分呈纺锤形）。长宽比较大，多在5∶1～8∶1，呈交叉状穿插在镍纹石中（图1-c），形成格子状构造。经电子探针能谱分析，铁纹石中Fe含量93.99%，Ni含量6.01%。陨磷铁镍矿量少，含量约2%，他形粒状，部分呈长粒状，多具圆滑外形，粒径约0.02～0.25 mm，呈星点状与铁纹石连生并包裹在镍纹石中。经电子探针能谱分析，陨磷铁镍矿中P含量14.90%，Fe含量35.46%，Ni含量49.64%。在陨石边部分布有次生褐铁矿，由铁纹石或镍纹石经氧化蚀变形成。部分铁纹石被褐铁矿取代，仍保留其纺锤状外形（图1-d）。

YS-1铁陨石主要由铁镍合金矿物铁纹石和镍纹石构成（图1-e），含少量陨磷铁镍矿及褐铁矿等，呈块状产出。铁纹石含量约79%，反射色为白色微带黄色，反射率较高，均质体，镜下分不清颗粒间界线，作为基底部分存在。镍纹石含量约18%，反射色为浅粉红色，反射率较高，均质体，形态较特殊，呈炉条状分布在铁纹石中（图1-f）。陨磷铁镍矿含量较少，约为3%，他形粒状、拉长状分布，粒径约0.60～1.80 mm，主要呈星点状包体包裹在铁纹石中，并被次生褐铁矿沿边缘交代。经电子探针能谱分析，样品中陨磷铁镍矿P含量15.04%，Fe含量47.51%，Ni含量37.45%。

1.2  矿物成分组成特征

样品中铁纹石、镍纹石及特征矿物陨磷镍铁矿电子探针波谱分析结果见表1，2，3。表1中铁纹石矿物化学成分较为稳定。Fe元素含量91.58%～94.07%，平均93.06%。Ni元素含量4.98%～7.63%，平均6.37%。Co元素含量较少，含量0.48%～1.07%，平均0.64%。基本不含Zn，Cu，Cr，S，P元素。镍纹石中铁镍元素化学成分变化非常明显（表2）。Fe元素含量64.11%～81.71%，平均值71.61%。Ni元素含量16.83%～37.01%，平均27.91%。化学组成与矿物颗粒大小有关，颗粒越小，Ni元素含量越高。Co元素含量同铁纹石中Co元素含量较为接近，为0.12%～0.91%，平均值0.28%。Cu元素含量0%～0.34%，平均0.14%。Co元素在铁纹石和镍纹石中普遍以微量存在，含量均不高，而Cu，Cr元素在铁纹石中含量极少但普遍存在，可能是镍纹石早于铁纹石结晶析出，与镍元素的类质同象及亲和力有关。基本不含Zn，Mn，S，P元素。

表3中陨磷铁镍矿电子探针分析结果表明，其化学组成非常稳定。包体颗粒的大小对Ni元素的含量影响较大，颗粒越小，Ni含量越高。Cu，Co元素在陨磷铁镍矿中普遍以微量存在，含量均不高。P元素作为阴离子存在，其含量变化很小。Zn，Mn，Cr，S元素含量基本为零。

铁陨石中陨磷铁镍矿-陨硫铁的各种包体特征较为独特，且具一定晶形，内部微区形貌分析极具特殊意义。早期对新疆铁陨石的多元素丰度分布及化学分类方面有过相关研究，据微量元素、结构构造、特殊矿物组成等参数将新疆铁陨石分为不同母体来源的化学群。群与群之间经历的岩浆作用与非岩浆作用形成的铁陨石表现出不同化学、矿物学特征，群内微量元素丰度变化较大，其母体形成条件及成因的深入研究，将为太阳系行星的形成和演化提供有力的资料和证据。

1.3  微区形貌分析

通过电子显微镜下观察，发现铁陨石的矿物组合特征具典型的维斯台登构造、合纹石构造。内部包含陨磷铁镍矿、陨硫铁、陨硫铬铁矿、闪锌矿的包体，缺少陨碳铁包体和硅酸盐包体。但因矿物成分及含量较为相近，镜下结构构造不是特别明显，不易分清颗粒间界线。经显微镜下观察，陨磷铁镍矿主要呈单个颗粒为厘米级大小的包体，含量少，他形粒状，部分呈长粒状，多具有圆滑外形，粒径很细，以环带状围绕陨硫铁包体;陨磷铁镍矿在铁纹石中呈不规则状、楔状和液滴状包体;在铁纹石、镍纹石边界呈细颗粒状、星点状分布。陨硫铁呈椭球状包裹团，直径小于200 μm，产于陨磷铁镍矿包裹体附近的铁纹石中，少量陨硫铁与陨磷铁镍矿伴生。陨碳铁镍矿在铁陨石中较发育，具非均质性的陨碳铁镍矿呈碎晶颗粒在合纹石中产出，硬度和组成与均质颗粒相同。

通过化学试剂处理及电子探针背散射图像微区形貌分析，陨石内部矿物晶体形态、组合、结构、构造更直观清晰。D07铁陨石在电子显微镜下见有一粒自形矿物包裹在复杂混合交生的铁纹石和镍纹石集合体中（图2-a），该矿物形态完整，呈菱形状分布，粒径较大，长度达2.8 mm。而经电子探针背散射图像40倍观察发现（图2-b），该矿物表面具平行相间晶纹，局部放大950倍（图2-c）后结合探针能谱分析结果显示，为陨硫铁和陨硫铬铁矿两种矿物规则连生构成，界限清晰，以聚片雙晶连生的方式产出。铁纹石与镍纹石镜下分不清颗粒间界线，呈不规则复杂混合交生的集合体。

YS-1陨石经腐蚀后矿物组合特征明显。经电子探针二次电子像观察，铁纹石呈粒状、板状或条带状，宽度约0.3～1.1 mm，边缘较为平滑，与合纹石共生。镍纹石呈细条状和梳状产出，与铁纹石基底共同构成合纹石。陨磷铁镍矿呈大小约0.5 mm的不规则大包体包裹在铁纹石中（图2-d），此外见有四方长柱状陨磷铁镍矿，晶体自形程度高，截面呈四方形或长方形，柱长小于8 um，晶体结晶程度、大小、长度不等，微细晶体呈毛发状，结晶程度低，长柱状晶体在立体空间上大体呈3个方向定向平行排列（图2-e～h），结晶程度高，构成铁纹石内部钢筋构架。由此可看出，其形态类似混凝土钢筋架构，陨磷铁镍矿结晶时间早于铁纹石、镍纹石，且具不同结晶期次。

2  结论

（1） 将铁陨石表面腐蚀处理后发现陨磷铁镍矿的完整晶体形态结构，其结晶形态并非光片下所见的圆粒状、板状或针状，而是呈四方长柱状，晶体自形程度高，截面呈四方形或长方形。晶体大小、长度不等，在立体空间上大体呈3个方向定向平行排列，表明陨磷铁镍矿结晶时间上早于铁纹石及镍纹石，构成铁纹石的内部钢筋构架，其形态类似混凝土钢筋架构。

（2） 磷元素在铁陨石母体元素演化过程中，对微量元素分配系数的影响起主导作用。高温岩浆作用使含磷化合物在金属熔体中的溶解度增大，使含磷化合物在金属中的不溶性增加且聚集，导致含磷化合物与其他金属充分分离。被圈闭在其他含铁、镍元素高的金属中形成滴状包体，随着温度的下降，陨磷铁镍矿广泛析出，早期形成的颗粒发育生长愈大，导致其在良好环境下形成四方长柱状。

（3） 铁陨石母体中，磷元素的存在可能影响微量元素丰度的分配，对元素固化分析系数影响很大。

参考文献

[1]    陈永亨，王道德. 新疆铁陨石的矿物学特征及其母体形成条件[J].矿物学报，1989，9 （2）：119-125.

[2]    侯渭，谢鸿森.陨石矿物种类的研究进展和矿物表[J].地球科学进展，2000，15（2）：228-236.

[3]    缪秉魁，王道德.南极格罗夫山陨石的分类及其研究意义[J].极地研究，2008，20（2） ：95-104.

[4]    沈文杰，胡森，林杨挺，等.荷叶塘陨石岩矿特征及化学-岩石类型研究[J].极地研究，2013，25（4）：386-393.

[5]    赖永旺，王桂琴.10块新疆哈密沙漠陨石的类型及其岩石矿物学特征[J].地球化学，2015，44（3）：301-310.

[6]    计江龙，胡森，林杨挺，等.曼桂陨石的岩石矿物学和冲击变质特征[J].科学通报，2019，5（64）：579-587.

[7]    周剑凯，陈宏毅，谢兰芳，等.一块新发现的月球陨石 NWA 12279 的岩石矿物学、源区和冲击变质作用[J].岩石矿物学杂志，2019，4（38）：521-534.

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[9]    陈宏毅，缪秉魁，夏志鹏，等.南极格罗夫山陨石收集、研究进展和富集机制[J] .极地研究，2020，4（32）：417-434.