10块新疆哈密沙漠陨石的类型及其岩石矿物学特征

赖永旺, 王桂琴

(1. 中国科学院 广州地球化学研究所 同位素地球化学国家重点实验室, 广东 广州 510640; 2. 中国科学院大学, 北京 100049)

0 引 言

陨石是从行星际空间穿越大气层经过烧蚀后到达地表的流星残留体, 保留了太阳系形成前后的物质组分, 是人类认知太阳系形成和演化的重要窗口[1]。南极和沙漠具有单一的颜色背景、较好的通视条件、干燥的气候条件和更少的人为破坏和覆盖, 是保存和富集发现陨石的最佳地点。迄今为止, 南极收集到的陨石样品总数达 4万余块[2], 沙漠陨石的发现数量也在不断增加, 世界上已知的陨石约 25%发现于沙漠地区, 近 70%发现于南极冰原[3]。1989年人类首次在非洲撒哈拉沙漠发现了许多集中分布的陨石样品, 为此民间的陨猎者于1990、1991年分别组织了两次撒哈拉沙漠陨石寻找和回收的野外考察,收获颇丰[4]。国际上对非洲撒哈拉地区[5–6]、阿拉伯半岛[7]、澳大利亚西南荒漠地区[8]和美国的新墨西哥州[9]等地区数次成功的陨石搜寻和回收的野外考察获得了大量陨石样品, 表明了沙漠是仅次于南极的另一陨石富集区。

虽然我国具有广阔的沙漠面积, 包括塔克拉玛干沙漠、库姆塔格沙漠、古尔班通古特沙漠、巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠等, 但有组织的沙漠陨石搜集工作一直没有展开。2008年, 新疆陨石爱好者首先在新疆哈密库姆塔格沙漠发现陨石, 并于2009年获国际命名为库姆塔格陨石(Kumtag), 定为 H5型[10]。2013年5月, 由中国科学院地质与地球物理研究所、中国科学院广州地球化学研究所、中国科学院地球化学研究所和桂林理工大学等国内开展陨石研究的单位组成了我国第一个专业沙漠陨石考察队, 对该地区进行了首次专业的沙漠陨石搜寻。此次共回收到46块陨石样品, 划分出3种化学-岩石类型: L3.4、L5和H5, 已申请国际陨石协会命名为: Kumtag014、AM001―AM042和 Hami003―Hami005。此次考察在4个区域内(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ)搜集到陨石, 并以此确定了 3个陨石富集区: Alatage Mountain(Ⅰ)、Hami(Ⅱ、Ⅳ)和 Kumtag(Ⅲ)。这是我国沙漠陨石搜集工作的一个良好开端, 沙漠陨石考察计划的持续开展和更多沙漠陨石富集区的确立, 将为国内沙漠陨石的回收工作提供参考, 提高稀有类型陨石样品回收的可能性。我国开展的沙漠陨石的发现和研究工作, 将会与南极陨石的研究工作一样取得大量原创性成果, 必将丰富研究样品的类型, 促进我国陨石学和天体化学的发展。

表1 10块沙漠陨石的手标本信息Table 1 Sample information for the ten desert meteorites from Hami, Xinjiang

随着大量陨石样品的收集, 陨石分类成为陨石研究中的重要内容[11]。陨石分类是开展陨石深入研究工作的前提, 对了解和探索太阳星云凝聚与分馏作用、吸积形成陨石母体的过程, 不同类型陨石母体在太阳系形成的部位、形成的物理化学条件及形成类地行星的初始物质都具有重要的理论意义和参考价值。本次研究拟选取富集区域和类型上均具代表性的10块陨石样品开展化学组成、岩石结构和矿物成分的研究, 并进行二维(包括岩石学和矿物化学特征)陨石类型的划分, 为这些陨石的进一步研究工作奠定基础。

1 样品与实验方法

本次研究的10块沙漠陨石编号分别为AM007、AM008、AM011、AM015、AM020、AM027、Hami003、Hami004、Kumtag014和 Hami005。这 10块样品中, AM008、AM015和AM027为浑圆状, 其余均为棱角状。AM007、AM015、Hami003、Hami004和Kumtag014残留部分熔壳, AM011和Hami005熔壳呈斑驳状, AM008熔壳覆盖完整, AM020和AM027几乎没有熔壳。10块陨石均具有明显的球粒结构, 初步确定为普通球粒陨石。详细手标本信息见表1。

原始样品使用低速金刚石切割机(SYJ-160)进行切片, 使用环氧树脂注胶后磨制光片, 以上全部过程在无水条件下进行。光片在光学显微镜(OLYMPUS-BX51)下进行岩相观察, 包括结构特征、不透明矿物的种类、含量和分布、冲击变质特征和风化程度。硅酸盐矿物成分由中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室用电子探针(JEOL 8100)测定, 不透明矿物成分由桂林理工大学用电子探针(JEOL 8230)测定,加速电压15 kV、束流20 nA, 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。

2 实验结果

2.1 岩石学特征

Kumtag014陨石球粒含量大于70% (体积浓度,下同); 边界清晰, 呈圆形或次圆形; 类型多样, 以斑状球粒为主, 其次为放射状球粒和炉条状球粒(图1); 大小不一, 直径最大约为3.2 mm, 最小约为 0.1 mm, 大部分为几百 μm。球粒之间的细粒基质为隐晶质, 基质所占体积较小, 没有发生重结晶,样品中没有观测到次生的长石。球粒的主要组成矿物是橄榄石和辉石, 橄榄石颗粒完整。不透明矿物主要是铁镍金属和陨硫铁, 约占 3.2%(体积浓度)。它们呈3种形式分布: Fe-Ni金属和陨硫铁共同构成近浑圆的团块状(100～700 μm); Fe-Ni金属和陨硫铁呈细小颗粒(10～40 μm)并沿球粒周边分布; 细小的Fe-Ni金属和陨硫铁颗粒随机分布在基质或球粒中。部分Fe-Ni金属边缘出现少量褐铁矿。

AM007(图 2a)、AM008、AM011、AM015、AM020、AM027和Hami004这7块陨石的球粒分布不均匀, 大部分球粒轮廓较模糊, 局部球粒结构和轮廓仍可分辨, 可见有放射状球粒、炉条状球粒, 球粒直径一般小于1 mm。基质中等重结晶, 主要组成矿物包括橄榄石、低钙辉石、次生斜长石、铁镍金属、陨硫铁和褐铁矿。7块陨石的不透明矿物的含量(体积浓度)分别为 4.2%、4.5%、5.2%、5.1%、4.6%、4.2%和6.5%。AM007、AM008和AM011表面金属熔滴广泛分布; AM015、AM020、AM027以及Hami004陨石橄榄石破碎, 没有发现金属熔滴。Hami004陨石褐铁矿仅分布在 Fe-Ni金属边缘;AM007、AM008、AM011、AM015和AM020陨石部分Fe-Ni金属表面褐铁矿化; AM027陨石褐铁矿沿裂隙发育, 部分Fe-Ni金属完全褐铁矿化。

图1 Kumtag014陨石中的球粒Fig.1 Microscopic characteristics for chondrules in Kumtag014 meteorite

图2 5型普通球粒陨石的球粒Fig.2 Characteristics of chondrules in type 5 ordinary meteorite from Hami, Xinjiang

Hami003(图 2b)和 Hami005陨石大部分球粒模糊不清, 局部球粒轮廓仍可分辨, 可见斑状球粒和炉条状球粒或其碎块等。基质中等重结晶, 表面裂隙发育, 金属熔滴广泛分布。主要组成矿物与上述7块相同, 这两块陨石的不透明矿物的含量分别为8.5%和 9.2%(体积浓度), Hami003不透明矿物主要为 Fe-Ni金属和陨硫铁, 有少量的褐铁矿分布在Fe-Ni金属边缘; Hami005比Hami003有更高含量的褐铁矿, 部分Fe-Ni金属表面褐铁矿化。

2.2 矿物成分组成特征

10块样品的橄榄石和低钙辉石以及铁纹石的矿物化学组成均使用电子探针进行分析测定, 测定结果见表2和表3。

Kumtag014陨石的橄榄石和辉石的化学组成很不均一, 橄榄石Fa值和辉石Fs值变化大。不仅球粒之间的成分差异很大, 而且部分球粒内的铁镁质硅酸盐矿物也呈明显的环带特征(图 1b), 表现为橄榄石核部富 Mg, 边部富 Fe(图 3), 如核部的Fa值为9.1, 边部的Fa值可以达到33.59。不同橄榄石颗粒, 橄榄石的 Fa值的变化范围在9.1～48.3之间, 平均值为25.0, 其PMD值为51.0。辉石矿物晶体环带不明显, 但Fs值的变化范围在2.8～30.3之间, 平均为17.6, PMD为 54.2。铁纹石Co含量(%)变化范围在 0.81～2.0之间, 平均值为1.1, PMD为38.0。

AM007、AM008、AM011、AM015、AM020及AM027的化学组成相似。它们橄榄石Fa值范围在23.9～24.5之间, PMD在1.0～3.4之间; 低钙辉石Fs值范围在 20.2～20.6之间, PMD在 1.6～3.2之间;AM008、AM011、AM015和 AM020铁纹石 Co含量(%)范围在0.65～0.80之间, PMD在8.0～15.4之间。

图3 Kumtag014陨石中橄榄石颗粒剖面FeO-MgO成分分布Fig.3 Cross section of an olivine grain in Kumtag014 showing FeO and MgO variations

表3 8块沙漠陨石代表性铁纹石的电子探针分析结果(%)Table 3 Composition of kamacite in 8 desert meteorites from Hami, Xinjiang as analysed by electron microprobe (%)

Hami004的橄榄石 Fa值为 23.1(22.6～24.2),PMD 为 2.4。低钙辉石的 Fs值为 18.5(17.6～19.6),PMD为 4.2。铁纹石 Co含量(%)为 0.70(0.59～0.79),PMD为11.8。

Hami003和Hami005化学组成相似。它们的橄榄石Fa值的变化范围为18.2～20.8; 平均Fa值分别为18.8和 19.2; PMD分别为2.0和3.2。低钙辉石Fs值的变化范围为16.0～17.8, 平均Fs值分别为16.5和17.0, PMD分别为3.5和1.0。铁纹石Co含量(%)变化范围为 0.31～0.62, 平均值分别为 0.52和 0.50,PMD分别为10.1和6.1。

3 10块陨石的化学-岩石类型划分

陨石的分类方法和标准主要以 Van Schmuset al.[12]提出的化学-岩石学分类体系为基础, 同时参考其他普通球粒陨石的分类资料[13–16]。普通球粒陨石的化学群划分, 依据橄榄石的 Fa值(H群16.9～20.4、L 群 21.0～26.0、LL 群 26.6～33.0)、辉石的 Fs值(H 群 15.7～18.1、L 群 18.7～22.6、LL 群23.2～25.8)以及铁纹石 Co含量(H 群 0.4～0.5、L群0.6～1.1、LL 群 1.5～3.0)。Van Schmuset al.[12]依据陨石的岩石矿物学特征(球粒的清晰程度、基质的重结晶程度、橄榄石和低钙辉石的成分均一程度)将普通球粒陨石的岩石类型划分为3―7型。其中3型为非平衡型陨石, 经历了最低程度的热变质和水蚀变,保存了原始太阳星云的信息, 对太阳系的起源、形成和演化等有重要的研究意义[17–18]。非平衡型陨石在形成后经历高温热变质作用, 球粒逐渐变模糊、基质重结晶程度增强、矿物化学成分趋向均一, 转变成4―7型的平衡型陨石。依照以上分类方法, 本次测定的10块陨石分别划分为H5型、L5型和L3.4型(表 4)。

表4 10块沙漠陨石的岩石学和矿物学特征Table 4 Petrography and mineral chemistry characteristics of 10 desert meteorites from Hami, Xinjiang

3.1 L3型普通球粒陨石

Kumtag富集区的 Kumtag014陨石组成很不均一, 橄榄石的Fa值和低钙辉石的Fs值分布范围宽。但其Fa平均值为25.0, 落在L群范围内(图4a); 辉石的Fs平均值为17.6, 落在H群范围内, 这可能是因为辉石抵御热变质的能力大于橄榄石, 辉石颗粒与细粒富 FeO硅酸盐颗粒之间缺乏平衡造成的[19];铁纹石Co含量平均值为1.1, 也落在L群范围内(图4b), 由于金属中 Co的扩散速度比硅酸盐的 Fe和Mg快, 因此对于某些非平衡型陨石尽管橄榄石成分变化大, 但其铁纹石成分是均匀的, 仍然可以利用铁纹石Co含量来划分其化学群。同时, Kumtag014陨石不透明矿物含量约为3.2%, 与L群陨石的金属含量较为吻合[20], 综合以上描述, Kumtag014陨石应为L群。

图4 普通球粒陨石分类图Fig.4 Classification diagram for ordinary chondrite groups from Hami, Xinjiang

Kumtag014陨石球粒非常清晰, 类型多样, 是本次研究的10块陨石中较为特殊的惟一1块3型陨石。图1b所示的球粒中, 橄榄石颗粒呈现明显的环带结构, 体现了成分不均一性。这种环带结构的形成是由于在球粒形成的快速冷却和结晶过程中, 组成矿物的离子来不及扩散达到平衡, 同时, 陨石形成后没有经历任何显著的高温事件, 因此这种成分的不均一性才得以保留, 这也是 3型陨石又被称为非平衡型陨石的原因。尽管非平衡型陨石受到热变质程度影响最小, 但其内部(即不同 3型陨石之间)存在着热变质程度的差异, 陨石的岩石学和矿物学特征也会存在一定差异。3型陨石没有或者很少经历后期事件的作用, 包含了更多陨石形成初期的原始信息, 因此进一步将它们进行了次类型划分。Searset al.[21]根据热释光(TL)差异反映 3型陨石热变质程度, 将它们划分为3.0―3.9共10个级别。另外, 陨石橄榄石 Fa值的 PMD、低钙辉石 Fs值的PMD、铁纹石的Co含量的PMD等随着热变质程度的增高也相应地发生变化(即 Fe在橄榄石和辉石扩散程度以及Co在铁纹石中的扩散程度, 与热变质程度相关)。Searset al.[22]以橄榄石Fa的PMD为参数进行了亚类划分, 见图5。Kumtag014陨石的橄榄石Fa的PMD为51.0(3.4型: PMD在50～60之间); 由于低钙辉石成分变化太大, Fs的PMD与亚型的对应范围较宽, 因此, Searset al.[22]没有确定岩石类型亚型对应的确切的Fs值的PMD。但是, 经过与Searset al.[22]的代表性陨石亚型的对比, Kumtag014陨石PMD(Fs)对应于 3.0―3.4型之间, 由于低钙辉石的成分均一性滞后于橄榄石, 造成由低钙辉石Fs值的PMD对应的亚型一般略低于真实的热变质程度[23],即其亚型应在3.4型及以上。另外, Grossmanet al.[24]发现, 岩石类型在3.2型以上, 其橄榄石Cr2O3平均含量小于 0.2, 且标准偏差小于 0.1。Kumtag014陨石橄榄石的Cr2O3平均含量为0.07, 标准偏差为0.08,因此其亚型应在 3.3型及以上。综上可以确定Kumtag014陨石的岩石类型为3.4型。

3.2 L5型普通球粒陨石

由图4可看出, 除了Kumtag014外, L群普通球粒陨石共 7块, 包括 AM007、AM008、AM011、AM015、AM020、AM027和 Hami004, 分别位于Alatage Mountain(AM)和Hami富集区。这7块陨石样品中, 除 Hami004外, 其余 6块陨石橄榄石的平均 Fa值在 23.9～24.5之间, 辉石的平均 Fs值在20.2～20.6之间, 落在 L群范围内; 不透明矿物含量在4.2～5.2之间, 也落在L群范围内。Hami004陨石辉石的平均Fs值(18.46)略低于L群范围, 但其橄榄石Fa值为23.1, 落在L群范围内, 其不透明矿物的含量为6.5, 也在 L群内。由于 AM007和 AM027这两块陨石中的Fe-Ni金属在磨片过程中出现脱落,光片中可分辨的铁纹石颗粒细小, 测得的数据出现较大偏差, 所以未添加这两块陨石铁纹石 Co含量的数据。AM008、AM011、AM015、AM020和Hami004这5块陨石铁纹石Co含量(%)的平均值在0.65～0.80之间, 在L群范围内。综合以上描述, 将这7块陨石划分为L群。7块陨石的橄榄石和辉石的成分均一, PMD分别在 1.0～3.4和 1.6～4.2之间,均小于 5, 且样品球粒轮廓大部分不明显, 只有少量有较清晰的结构和轮廓, 所以将它们的岩石类型定为5型。

图5 3型普通球粒陨石亚类划分(据Sears et al.[22])Fig.5 Classification of subtypes for type 3 unequilibrated ordinary chondrites based on PMD of Fa

3.3 H5型普通球粒陨石

Hami富集区的Hami003和Hami005两块陨石橄榄石的平均Fa值分别为18.8和19.2, 辉石的平均Fs值分别为16.5和17.0, 在H群范围内; 铁纹石Co含量(%)的平均值分别为 0.52和 0.50, 在 H群范围内; 不透明矿物含量分别为8.5%和9.2%, 在H群范围内。综上描述将这两块陨石划分为H群。这两块陨石的橄榄石(PMD分别为2.0和3.2)和辉石(PMD分别为3.5和1.0)成分均一, PMD均小于5, 且样品球粒大部分结构不明显, 部分可分辨轮廓, 所以将它们的岩石类型定为5型。

4 冲击变质特征

冲击变质效应是陨石的一个基本特征, 也是陨石分类工作的重要内容。由于陨石母体在太空中受到其他星体的撞击, 通常会引起陨石的矿物产生多种形式的冲击变质效应, 因此 Stöffleret al.[25]等依据样品橄榄石和长石在光学显微镜下的岩相学特征将普通球粒陨石的冲击程度划分为 S1―S6。S1型,未遭受冲击作用, 橄榄石矿物颗粒完整无破碎, 无金属熔滴; S2型, 没有明显冲击变质特征, 仅经历了非常微弱的冲击变质作用, 橄榄石有裂隙, 无冲击脉和熔滴; S3型, 出现冲击脉和熔滴; S4型, 橄榄石出现较多面状破裂, 出现网状冲击熔脉; S5型,长石普遍发生熔长石化, 广泛发育冲击脉和冲击囊;S6型, 冲击脉边部普遍发育硅酸盐矿物固态重结晶,以出现林伍德石、长石击变玻璃为标志。

根据 10块库姆塔格普通球粒陨石的矿物特征将它们的冲击变质类型分为S1、S2和S3型, 详见表4。S1型1块, Kumtag014(图6a), 橄榄石颗粒完整, 无裂隙, 无金属熔滴; S2型 4块, 分别为AM015、AM020、AM027和Hami004, 橄榄石有裂隙, 无金属熔滴; S3 型 5 块, AM007(图 6b)、AM008、AM011、Hami003和Hami005, 金属熔滴广泛分布。

5 风化程度

风化程度是了解陨石新鲜程度的标志, 是陨石分类工作的重要内容。陨石坠落到地球之后, 受气温和湿度等因素影响, 遭受风化。Wlotzka[26]根据普通球粒陨石中金属与硫化物及硅酸盐矿物的氧化程度, 将其风化程度由低到高依次划分为W0―W6共7种类型。W0代表刚降落的新鲜样品, 未遭受过地球的风化作用影响。W1表示金属和硫化物边缘有少量褐铁矿(＜20%); W2表示金属中等程度风化, 约20%～60%褐铁矿化; W3表示金属和硫化物发生强烈风化, 约65%～95%褐铁矿化; W4表示金属和硫化物几乎全部被取代, 但硅酸盐仍未受到影响; W5表示镁铁质硅酸盐开始氧化, 主要沿陨石内部裂隙;W6表示大范围的硅酸盐被黏土矿物取代。

10块普通球粒陨石的风化程度普遍较低(表 4):W1型 3块, 分别为 Hami003(图 7a)、Hami004和Kumtag014, 这 3块陨石仅仅在金属周边发生轻微的氧化, 褐铁矿＜15%; W2型6块, 分别为AM007、AM008、AM011、AM015、AM020 和 Hami005, 这些陨石的铁镍金属和陨硫铁有中等程度的风化, 表面约30%～60%发生氧化; W3型1块, AM027(图7b),Fe-Ni金属和陨硫铁发生强烈风化, 90%以上被氧化成褐铁矿。

6 结 论

(1) 根据 10个库姆塔格陨石的岩相学特征和矿物化学特征进行了球粒陨石的化学群-岩石类型划分,其中2个H5型: Hami003和Hami005; 7个L5型:AM007、AM008、AM011、AM015、AM020、AM027和Hami004; 1个原始类型L3型: Kumtag014。

图6 S1和S3型的冲击变质特征Fig.6 Micrographs showing the shock metamorphic features of S1 and S3 meterorites from Hami, Xinjiang

图7 W1型和W3型的风化特征Fig.7 Micrographs showing the weathering scales of W1 and W3 meteorites from Hami, Xinjiang

(2) 确定了 L3型, Kumtag014的次分类型为L3.4。

(3) 10块陨石冲击变质程度分别为: 5块S3型(AM007、AM008、AM011、Hami003和 Hami005); 4块 S2型(AM015、AM020、AM027和 Hami004); 1块S1型(Kumtag014)。

(4) 10块陨石风化程度普遍较低。其中有3块W1型(Hami003、Hami004和Kumtag014); 6块W2型(AM007、AM008、AM011、AM015、AM020 和Hami005); 1块W3型(AM027)。

沙漠陨石的收集与南极陨石收集相比成本低,可以在更大的面积范围内发现和回收, 提高了稀有陨石样品回收的可能性。因此, 我国广阔的戈壁和沙漠区域具有巨大的回收潜力, 沙漠陨石的搜集和研究必将和南极陨石一样, 取得大量原创性成果,丰富研究样品的类型, 促进我国陨石学和天体化学的发展。

本研究的样品由首次沙漠陨石考察队以下成员共同搜集: 林杨挺研究员、缪秉魁教授、尹庆柱教授、戴德求副教授、李世杰副研究员、沈文杰副教授、胡森博士、王鹏高级工程师、雷克斯、张洁、夏志鹏等。三位匿名审稿人提出了建设性修改意见,在此一并表示诚挚的谢意！

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