俄罗斯车里雅宾斯克州陨石化学成分分析

张艳霞，章亦文，孙德群

(西南科技大学 生命科学与工程学院，四川 绵阳 621000)

北京时间2013年2月15日12时30分左右，一颗陨石降落在乌拉尔山脉东侧的车里雅宾斯克州，伴随陨石高空爆炸，其碎片零星的分布山脉东麓。据美国国家航天航空局报道，此陨石以小于20°的角度极速进入大气层，后自东向西的方向以时速20km/s运行，最终在车里雅宾斯克州20km高空处发生爆炸，此次爆炸产生超强声波、次声波和地震波[1]。其经济损失严重，造成10亿卢布损失，对当地基础设施和建筑造成严重破坏，造成3 000座建筑物受损，同时还有将近1 500多人受伤并于医院治疗[2]。此次陨石坠落事件是自1908年通古斯陨石爆炸事件以来最大规模的一次陨石坠落事件，伴随着国内地球化学、天体物理学的进步和对于宇宙探索的热情，车里雅宾斯克州的陨石坠落引起科学界以及无数天文爱好者的广泛讨论与研究。

从获得地外样品的途径来看，除了登月获得月壤这种成本高昂、可携带样品稀少以外，陨石是唯一可以提供研究且保存量相对较大的地外物质。因此，它对人们来说是一种极其有价值的材料。进入21世纪，迎来了一个空前未有的发展阶段，中国的科考船5次登陆南极，在南极格罗夫山地区进行科研活动，在其间获得超过1万块陨石样本，这对于我们来说是重大的时机[1]。按照天体化学，陨石保存了原始的化学和演示特征，尤其是球粒陨石，其受变质作用发生次生变化的可能低，会贮藏于太阳系内长达几十亿年。通过陨石的深入分析，我们能知晓太阳系内固体物质的演化时标和年代，确定其从合成到形成固体之间的时间间隔，通过对其同位素检验，还能确定其是否来自太阳系之外。为了更好地研究，在理论技术发展的同时，大科学仪器设备也源源不断地加入对于地外物质探索之中。随着国家高精度ICP-MS原位微区分析平台的建设完成，我们将运用于岩石微量元素和物相结构与组成的技术经过改造升级，为地外陨石样品提供了更加精准和可靠的技术支撑，如能够在原始陨石样品以及星际颗粒中，发现仅300nm的太阳系外成因硅酸盐。还有通过高分辨率成像，清晰完整的拍摄到火星地形原貌，推测出火星上存在过液态水和水流，由此可见，像大科学装置这样的前沿科技发挥着巨大的作用[3]。

对于陨石样品的处理过程中，我们在获得一份陨石样品后，往往会将陨石进行分类，根据不同陨石之间的组成成分和结构构造，以及根据不同陨石在宇宙间所形成演化过程的差异，陨石可以被分为两大类型，即未分异型和分异型[4]。其中未分异型陨石约占中国陨石研究总量的91.5%，主要是球粒陨石；分异的陨石约占中国陨石研究总量的8.5%，其包含石铁陨石、铁陨石、无球粒陨石[5]。而无球粒陨石又分为月球陨石、火星陨石等[6]；石铁陨石可分为中铁陨石和橄榄陨石；铁陨石细分为非岩浆型和岩浆型[7]。这种分类主要是由于陨石在宇宙演化过程中经历了不同的热历史，导致其化学组成成分，矿物构成和内部构造发生相应的改变，而产生不同类型的陨石。然而，前者的母体形成过程中未经历了明显的分馏作用，以及熔融和分离结晶作用，故其元素丰度与太阳的组成成分相近，后者则经历了明显的分离结晶作用[8]。

陨石的分类管理方法有很多，按照陨石中硅酸盐和金属含量的差异，可将陨石分为：石陨石、铁陨石和石铁陨石[9]。在陨石中，90%以上为石陨石，其含量占比最多，但其铁镍金属含量较少，通常≤30%，故称为石陨石，并且其主要成分为铁、镁和硅酸盐，矿物成分主要为橄榄石和辉石；而铁陨石数量在陨石总量中约占6%，其主要成分由铁和镍组成，总含量大于或等于95%，还有钴、磷、硅、硫、铜等微量元素；除此之外，石铁陨石所占的比例相对较少，约占陨石总量的2%，与铁陨石相比其铁镍金属含量在30%～65%之间，按照其形成过程，它被视作为是铁陨石和石陨石的过渡形态[10-11]。而石陨石因具有极其容易风化而碎成渣的特点以及其数量极少，故石陨石在市场上几乎没有流通；铁陨石其重要特点为外表裹有黑色或褐色1mm的熔壳，并且具有大量不同大小的气印，此外具有不同形状的熔沟，以上特点为辨别铁陨石的重要条件，石铁陨石由于其数量稀少，不易获得，导致其商业价值最高[12]。

陨石化学成分的测定是研究陨石的重要方法之一，其可揭示太阳系的化学组成成分，形成与演化以及元素分布，并提供重要的科学信息以及合理的依据，对陨石化学群的合理分类提供了重要的依据[13]。因此，为仔细可靠的研究陨石，化学成分的分析为不可或缺的一部分工作。然而有关化学成分的分析方法有X射线荧光光谱法(XRF法)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS法)、纳米级的扫描探针法等。其中X射线荧光光谱法其原理主要利用初级X射线激发待测物质中的原子，使得待测物质产生荧光，从而进行物质化学成分的分析和研究[14]。XRF法其优点：①在于其仪器具有分析速度快，自动化程度高的特点以及其分析方法为物理分析方法，分析精度高；②其测量方法与元素的化学结合状态无关，测量误差少；③其制样简单且形式多样化，与其他发射光谱相比，较为简单，易于定性分析。相对的ICP-MS也常常被应用于无机多元素的分析，但由于其具有运行费用高，操作复杂，样品介质影响较大以及ICP高温导致化学反应具有多样化，干扰测量结果的缺点。笔者使用XRF法来检测陨石中的元素组成，依照其测出来的相应元素含量进行分类。根据其常量元素的含量初步鉴定为一号陨石样品为石铁陨石，二号陨石样品为铁陨石。其主要方法：①将样品进行研磨，制成粉末颗粒；②与硼酸混合均匀后进行压板；③放入荧光仪进行鉴别。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

1.1.1 仪器。

表1 实验仪器

1.1.2 试剂。硼酸，乙醇。

1.2 方法

分别取一号、二号陨石样品经过破碎，过20目筛后，将一号、二号陨石样品放在振动研磨机上研成粉末，放在烘箱中烘烤4h，用酒精擦拭模具，分别精密称取2.0g陨石样品和已经经过烘干的硼酸2.0g，将陨石样品在玛瑙研钵中研磨15min，放在模具中摊平，后用硼酸粉末填满空隙后进行压片，40t压力下保持60s，将压好的陨石样品分别写上标签，待XRF测样品元素含量。

2 结果与讨论

用XRF法对两份陨石样品进行元素测定，测定结果如表2所示。

一号陨石样品中含量较多的元素为Fe、Si、Mg，其中Fe、Si、Mg的元素含量分别为46.04%、25.03%、16.36%，含量较少的元素为Ca、S、Al、Ni，其元素含量均在2%～3%之间，元素之间含量差异较小，并且在此陨石样品中仍存在含量极小的常见元素，如Na、Cr、Mn、Ba、P、K、Cl、Zn，其元素含量均在1%以下，除常见元素以外，此陨石还存在少量的稀有元素，如Ti、Co、Cu，其元素含量均低于0.2%以下。二号陨石样品中含量较多的元素为Fe，其中Fe的元素含量为96.09%，含量较少的元素为Mn，其元素含量为1.19%，并且在此陨石样品中仍存在含量极小的常见元素，如Si、Cu、Cl、Cr、Al、Ni、S、Na、P、K、Ca、Sn、Zn、Mg、Mo，其元素含量均在1%以下。一号陨石样品与二号陨石样品相比，Fe均为含量最多的元素，且一号样品中的Si、Mg的含量远远大于二号样品中的Si、Mg的含量，一号样品中的Ca、S、Al、Ni的含量大于二号样品中Ca、S、Al、Ni的含量，一号样品中具有Ba、Ti、Co元素，二号样品不具有。二号陨石样品测出具有Mo、Sn元素，一号陨石样品不具有。

表2 陨石样品元素含量分析 单位：%

3 结论

对于来自俄罗斯车里雅宾斯克州的两块陨石，可测得一号陨石样品中铁镍含量分别为46.04%、2.02%，元素含量总和在30%～65%之间，并且一号陨石样品含有Co、S、P、Cu、Cr等特有元素，可初步鉴定一号陨石样品为石铁陨石，二号陨石样品中铁镍含量分别为96.09%、0.16%，元素含量总和在95%以上，并且二号陨石样品具有Cr、P、Sn、Mo等稀有元素，可初步鉴定二号陨石样品为铁陨石。