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南极陨石收集与研究对深空探测的意义

归档日期:10-19       文本归类:冲击变质作用      文章编辑:爱尚语录

  仰望星空,无数遥远瑰丽的天体神秘闪烁着,令人遐想无限。美丽的金星,红色的火星,威武的猎户座,浩瀚的银河系,还有,天文学家告诉我们关于宇宙的故事-不可思议的大爆炸,恒星的诞生与消亡,虫洞,暗物质,暗能量……这一切都是真的吗?人类可以用实物来证明它们吗?

  当我们仰望星空时,常见到耀眼的流星电光火石般划破夜空,它们就是来自遥远宇宙深空的客人,携带着丰富的宇宙信息进入地球大气层。其中没有燃烧完的部分坠落到地表,就是宇宙深空送给人类最珍贵的科学礼物-陨石。

  迄今为止,人类获得的绝大部分陨石来自南极冰盖,今年在非洲撒哈拉沙漠和我国新疆戈壁也回收了一批陨石。

  1998年,国家海洋局极地考察办公室领导决定派遣4名考察队员前往南极冰盖内陆格罗夫山地区开展首次综合科学考察,期间收集到了4块南极陨石,这是中国南极考察队第一次收获的南极陨石。当时,考察队员根据各南极陨石的富集规律,格罗夫山冰原岛峰的地理地貌特征,以及与南极已知陨石富集区大和山的详细对比,大胆提出格罗夫山地区是一个新的南极陨石富集区的假说。以后的4次格罗夫山地区考察,考察队果然先后寻找并回收到11452块陨石,使我国一跃成为世界第三大陨石样品拥有国。今年我国又派出第6次格罗夫山考察队,可以预见我国的南极陨石拥有量将会有新的大幅度增长。

  通过对大量格罗夫山陨石的基础分类工作,发现了许多特殊类型陨石,其中大部分是我国第一次收集到的陨石类型,包括火星陨石、灶神星陨石、橄辉无球粒陨石、石铁陨石,以及一些碳质球粒陨石等(见附录)。

  格罗夫山大量陨石的发现已成为我国南极科学考察的一大亮点,为我国陨石学和比较行星学的发展提供了重要的机遇,并为我国月球和深空探测战略工程的科学研究提供了有利的条件。

  实际上,绝大部分陨石形成于太阳系最初时的星云时期。那时,大量飞散于太阳周边的星云粉尘(前世代各种恒星演化晚期抛射出的气体凝聚形成,包括超新星爆炸后残留的较重元素及矿物微粒)和气体首先形成毫米-厘米大小的球状颗粒(球粒)、金属-硫化物团块,以及其他集合体。

  这些球粒、各种固态集合体,以及尘粒等在引力作用下,继续吸积增大变为公里一百公里大小的星子,其中运气特别好的保存下来成为小行星,而绝大部分通过低速碰撞聚集成类地行星(如水星、金星、地球、火星)和巨行星。

  由于碰撞的动能、吸积的势能,以及放射性同位素的衰变等转化为热能,星体的内部温度逐渐升高。星体越大,其内部温度越高,从而使行星和大的小行星内部物质发生熔融。较重金属在引力作用下下沉集中于行星核部,从而发生金属与硅酸盐的分异。那些保存下来的最原始的小星体,代表了太阳系形成过程中残留的“化石”,集中分布于火星与木星之间的小行星带。

  在46亿年的漫长历史中,有很少量小行星逃离到地球轨道附近,成为近地小行星,其中的极少数最终与地球相撞,成为了陨石。通过对这些“化石”的研究,可以揭示包括地球在内整个太阳系的形成和演化历史。当然,还有特别珍贵的一些陨石来自月球和火星,它们是小行星与地球或火星发生强烈撞击,将后者表面的岩石抛射出来而形成。

  研究陨石的第一步是进行基础性的岩石矿物学分析,划分其岩石类型、化学群,以及冲击变质程度和风化程度等。首先需要根据原始陨石形成之后是否经历过高温熔融阶段(小行星-行星阶段),而将其划分为未分异型和分异型两大类。显然,未分异型陨石更为原始,是构成地球、月球、火星等的“砖瓦”。球粒陨石如果受到高温加热,就成为分异型陨石。按照金属与硅酸盐含量的比例,分异型陨石被划分为铁陨石、石铁陨石和无球粒陨石。

  根据陨石的全岩化学组成、氧同位素组成,以及岩石矿物学特征等,我们进一步讲球粒陨石划分为不同的化学群,包括顽辉石球粒陨石的高铁(EH)和低铁(EL)群,普通球粒陨石的高铁(H)、低铁(L)和低铁低金属(LL)群,富170的R群;以及许多碳质球粒陨石化学群(CI、CM、CO、CV、CR、CH、CB、CK等)。它们代表了不同的小行星母体,形成于太阳星云不同的空间区域。

  铁陨石主要根据其尽享特征和微量元素的变化趋势划分为不同的化学群和结构类型,也分别来自不同小行星母体的核部。石铁陨石包括包括橄榄陨铁和中铁陨石二大类,前者可能代表小行星的金属核-硅酸盐幔边界的物质,后者可能来自灶神星陨石,它们还细分为各种岩石类型。还有一类无球粒陨石虽然经历了熔融作用,但金属与硅酸盐之间没有发生明显的分离,属于原始无球粒陨石。

  球粒陨石在其小行星母体中,还经历了不同程度的热变质作用和水蚀变,因此,在化学群分类的基础上,根据热变质和水蚀便的强弱将它们的岩石类型划分为1-6型,其中热变质的强度与水蚀变呈消长关系。岩石类型1-3为非平衡型(矿物化学组成没有达到平衡状态),且1-2型陨石往往是通过小行星之间的撞击抛射而离开母体,因此,普遍遭受程度不等的冲击变质改造,甚至发生局部熔融,并形成一系列高压-超高压矿物,据此将普通球粒陨石的冲击变质程度划分为S1-S6等级。此外,陨石的形成条件与地表有很大的差异,陨石降落地表之后即开始经受风化作用,随着时间的增加,其中的金属和硫化物逐渐被氧化,甚至硅酸盐矿物也产生水的蚀变,据此将其风化程度划分为W0-W6等级。

  总之,陨石是除了美国和前苏联登月取回的月球岩石样品以外,是人类唯一能获得的宇宙深空的岩石样品。开展陨石研究,可以使我们对于太阳系的形成演化,对太阳系外的物质组成等一系列重大基础科学问题有直接的了解,为更加深入理解宇宙的本质提供了宝贵的科学资源。

  我国在南极发现的陨石中,有两块已确证来自火星,其编号分别为GRV99027(9.97g)和GRV020090(7.54g)。他们均是完整的陨石,而不是降落在南极冰盖后由于冰川搬运等原因破碎成的小碎块。GRV99027表面有近一半熔壳已脱落,而GRV020090的熔壳非常完整,呈明显的釉质光泽和流纹特征。

  GRV99027是人类发现的第4块二辉橄榄岩质火星陨石,其火星来源为氧同位素组成和富的氢同位素组成证实。该陨石与其他3块同类型火星陨石(ALH77005,Y-793605,LEW88516)一样,由斑状结构和粒间结构(或非斑状结构)二部分构成。

  斑状结构部分主要由粗粒斜方辉石包裹自形橄榄石和铬铁矿晶体组成,且斜方辉石主晶和橄榄石斑晶可见熔融包裹体。

  粒间结构部分主要由等粒半自形斜方辉石、普通辉石、橄榄石组成,其中斜方辉石和橄榄石可含铬铁矿和熔融包裹体,粒间充填长石,以及少量磷酸盐和钛铁矿。橄榄石和铬铁矿晶体具有定向排列的特征,且在斑状结构和粒间结构之间完全相同,反映了火星深部岩浆房的堆晶生长过程。主要矿物相的稀土等微量元素离子探针分析结果进一步表明,该陨石由相对封闭的岩浆房分异结晶形成,其岩浆结晶温度约1100-1200,氧逸度(相对石英-铁橄榄石-磁铁矿体系)Igo2(QFM)=2.0±0.4。该陨石形成之后,经历了强烈的冲击作用,使硅酸盐部分熔融形成熔融囊,同时长石在高压下形成玻璃相(即击变玻璃,又称熔长石)。但是,与其他3块二辉橄榄岩质火星陨石不同,GRV99027在强烈冲击变质后又被火星表土深埋,经历了缓慢的冷却过程,使熔长石重新脱璃化。约在4.4±0.6Ma,一次撞击作用将GRV99027陨石从火星表面挖掘出来,并抛射进入近地轨道,最后降落在南极冰盖。

  GRV99027的全岩化学组成具有贫轻稀土的特征,表明其母岩浆源于亏损火星幔的部分熔融,并且基本上没有受到火星壳的混染。该陨石具有的Ni和Co含量,与深部岩浆洋的金属-硅酸盐分异一致。相对难熔程度相似的亲石元素,W和Ga没有贫化,反映了火星的金属-硅酸盐分异发生在比地球更氧化的条件下。铂族元素具有球粒陨石的比值,且含量(0.004-0.008CI)远高于与金属保持平衡的硅酸盐幔的值,指示了火星核-幔分异后少量球粒陨石物质的吸积增生。

  GRV020090为第6块二辉橄榄岩质火星陨石,与GRV99027相比,贫橄榄石而富长石,铁镁质硅酸盐含较高的FeO,表明形成于一个相对富FeO的岩浆。微量元素的离子探针分析发现,GRV020090与其他二辉橄榄岩质火星陨石非常不同,具有富集稀土等大离子亲石元素的特征,并且轻稀土没有明显贫化特征,很可能来自无明显亏损的火星地幔。该陨石还含较多的斜锆石(~5微米),提供了U-Pb同位素定年的机会。此外,GRV020090经历了强烈的冲击变质,并且随后的快速冷却使冲击变质特征得以最好的保存。该陨石的长石全部转变为熔长石,精细的冲击熔脉中发现橄榄石的高压多形(林伍德石)和磷酸盐的高压相(涂氏磷钙石),以及自然界中首次发现的橄榄石玻璃相等。

  灶神星陨石是除月球和火星陨石之外,唯一已知的玄武岩质陨石。该类陨石(简称HED)包括钙长辉长无球粒陨石(E)、奥长古铜无球粒陨石(D)、古铜钙长无球粒陨石(H),其后者是前二类陨石的混合角砾岩。此外,中铁陨石由近似等量的金属盒硅酸盐部分构成,其中硅酸盐部分与HED陨石具有相同的岩矿特征和氧同位素组成。中铁陨石很可能是一个尚未完全固结的小行星金属核与灶神星相撞击混合形成。我国已分类的格罗夫山陨石中有两块为钙长辉石无球粒陨石,7块中铁陨石,提供了研究灶神星的重要样品。

  两块灶神星陨石的编号分别为GRV99018和GRV051523。GRV99018重0.23g,呈小碎块,主要由钙长石和辉石组成,含少量二氧化硅和不透明矿物。GRV99018的结晶温度约1100±50,冷却速率约为0.02/年,对应于较深的埋藏深度。随后一次强烈的冲击事件,将该陨石从灶神星的深处挖掘出来,并产生较大程度的部分熔融,然后重新被热的抛射表土掩埋而缓慢冷却。最近的一次撞击事件使GRV99018离开灶神星,并被地球所俘获。

  GRV051523重0.8g,呈拉长球形,具有完整的熔壳,部分熔壳呈透明状,可见其下覆白色粗粒长石角砾。该陨石与GRV99018具有相似的矿物组成,主要矿物为粗粒辉石和长石,含少量细粒富FeO橄榄石、二氧化硅,以及铬铁矿和陨硫铁等不透明矿物。辉石和橄榄石相对富MnO,其FeO/MnO比值落在灶神星陨石范围。辉石主要为普通辉石和易变辉石,二者均普遍出现出熔结构,出熔晶片厚度大部分1-3微米,少量可达10微米,与较深部位岩浆结晶后期的缓慢冷却速率相一致。该陨石还具有已重结晶的冲击熔脉,可能是强烈冲击变质后再经深埋而重结晶。此外,局部局域还发现由不透明矿物的微细圆球与玻璃质硅酸盐组成的冲击熔融细脉,指示了灶神星表面的另一次小行星撞击事件。

  GRV99018和GRV051523的岩石矿物学特征揭示了灶神星表面多次复杂的冲击-热变质历史,并表明冲击可能是小行星早期烟花的主要热源之一。中铁陨石的研究还在进行之中,尚待发表。

  已鉴定出的橄辉无球粒陨石共有6块。繆秉魁等报道了其中2块橄辉无球粒陨石(GRV021512,022931)的岩矿特征。除GRV052382外,其他3块橄辉无球粒陨石也具有相似的矿物组成和结构。这些橄辉无球粒陨石主要由粗粒的橄榄石和易变辉石,以及细粒的富碳粒间充填物和反应产物组成,但相对含量有较大的变化。粗粒橄榄石和辉石不可见120度角接触关系,且沿颗粒边缘和裂隙出现宽窄不等的还原反应边,反映了一次强的热变质作用及其伴随的还原反应(碳质可作为还原剂)。富碳的粒间充填物均含微米级大小的金刚石,其他碳质物质包括石墨等。金刚石可能在一次强烈的冲击事件中由石墨的相变形成,但该事件应早于上述强的热变质事件,后者抹除了其他的冲击变质现象。

  GRV052382是一块特殊的橄辉无球粒陨石。除与其他橄辉无球粒陨石相似的矿物组成、含金刚石的富碳粒间填隙物,以及橄榄石的还原反应边结构外,该陨石的粗粒橄榄石实际上已发生再结晶,形成微细的(10-20微米)橄榄石晶体。粗粒易变辉石颗粒的成分不均一,呈斑块状变化,并出现较多的微气孔,可能在高温高压条件下发生分解或相变。GRV052382可能是迄今发现的保存最强烈冲击变质特征的橄辉无球粒陨石,将对认识该类陨石的成因提供重要的启示。

  格罗夫山陨石的分类工作发现,其中L群平衡型陨石有相当大比例的样品遭受了强烈冲击变质,形成冲击熔脉和熔融囊。对其中一个L5型陨石(GRV052049)的研究发现,该陨石的冲击熔脉主要由粒度可达3微米的镁铁馏石-镁铝馏石固熔体组成。熔脉中硅酸盐角砾的棱角被熔蚀、呈圆滑状,其中绝大部分角砾的橄榄石颗粒沿边缘或裂隙由固-固相变形成林伍德石。一些大颗粒橄榄石边缘也常见由林伍德石多晶体构成的区域。林伍德石的FeO含量变化很大,Fa值从36至75mol%,而与林伍德石共生的橄榄石其Fa值呈现明显的降低(Fa8-14)。上述矿物成份的变化,反应了高温高压条件下,Fe和Mg在林伍德石与橄榄石(或具有橄榄石成份的熔体)之间的平衡扩散,并且这一扩散过程持续了相当长的时间。熔脉中一些大的橄榄石颗粒发现同心环带结构,由低铁(Fa13-17)与高铁(Fa26-28)条带相间构成,但二者的拉曼光谱均为橄榄石。一种可能的解释是该橄榄石在强烈冲击波作用下,固-固相变形成高铁的林伍德石和低铁的瓦茨利石,随后二者均退变质为橄榄石。此外,熔脉两壁人橄榄石仅有很薄一层(10微米),可能发生相变形成林伍德石,反映了矿物高压相变过程中温度的重要作用。

  对格罗夫山陨石中林伍德石进一步的分析发现,其拉曼光谱的主要谱峰位置随FeO的含量发生有规律的偏移。通过对大量不同Fa的林伍德石的激光拉曼光谱测定,建立了拉曼谱峰位置与Fa值得相关性。这一重要发现将有可能通过拉曼光谱的测定,不仅鉴定器矿物相结构,同时还获得林伍德石的化学组成。该发现可应用于未来的深空探测,利用拉曼光谱的测定,可以从行星表面撞击坑、包括月球南极大撞击坑的底部识别出林伍德石,同时给出该林伍德石的化学组成。另一个可能的应用是在线高温高压实验的即时测量,如利用金刚石压腔实时测定相变形成的林伍德石的化学成分。

  陨石从小行星母体经撞击事件被挖掘出来,并抛射进入太空,直至降落在地球表面,一直受到宇宙射线的辐射,形成宇宙成因稀有气体和短寿命放射性核素。对于给定化学组成的陨石,并假定宇宙射线的组成和通量恒定,则产生的宇宙成因稀有气体的量与陨石在太空的暴露时间正相关。而短寿命核素在达到饱和前,其含量(或不同核素之间的比值)也与暴露时间相关。当陨石降落后,则各种短寿命核素的量随放射性衰变而减少,故可以获得其降落的时间(又称居地年龄)。

  选择格罗夫山不同富集区手机的代表性陨石,通过国际合作,开展了宇宙成因稀有气体同位素的研究。对近20个陨石的测定发现,其稀有气体主要成因是宇宙线辐射,而由风华作用混入的地球大气组分很少,反应了南极寒冷干燥条件对陨石样品的很好保存。

  稀有气体的分析还发现一个陨石(GRV98004)具有异常短的宇宙线Ma),是迄今为止已知的4个宇宙线Ma的陨石之一。对上诉陨石同时还开展了10Be和26AI分析,其含量和比值除与陨石的宇宙线暴露年龄和轨道相关外,更重要的是获得其居地年龄。

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