南极GRV 090196普通球粒陨石熔壳特征及其成因探讨

孙云龙 缪秉魁 黄丽霖 张川统 夏志鹏

研究论文

南极GRV 090196普通球粒陨石熔壳特征及其成因探讨

孙云龙1,2,3缪秉魁1,2,3黄丽霖1,2,3张川统1,2,3夏志鹏1,2,3

(1广西隐伏金属矿产勘查重点实验室, 桂林理工大学, 广西 桂林 541004;2陨石与行星物质研究中心, 桂林理工大学, 广西 桂林 541004;3行星地质演化广西高校重点实验室, 桂林理工大学, 广西 桂林 541004)

熔壳是陨石在穿过大气层时因摩擦发热熔融所形成的表层皮壳。由于进入速度差异和大气层的结构变化, 陨石可能产生不同的熔壳结构特征和类型, 因此, 熔壳的研究对探索陨石穿过大气层过程和反映当时的大气层结构具有一定意义。因为南极特殊的地理气候条件, 很多南极陨石样品保存了原始或完整的熔壳结构, 因此, 南极陨石是研究熔壳的理想对象。GRV 090196是H5型普通球粒陨石, 具有完整的熔壳结构, 而且存在定向飞行的特征, 前后存在结构不同和厚薄不一的熔壳, 即四层结构的Ⅰ号熔壳(1.3 mm厚)和二层结构的Ⅱ号熔壳(0.4 mm厚), 是一块研究熔壳形成过程的理想样品。本文对GRV 090196的熔壳开展了系统的岩石学和矿物学研究, 对熔壳成因进行了讨论。Ⅰ号熔壳由外向里分为四个不同结构层。第一和第二层主要由辉石质玻璃质组成, 可见橄榄石斑晶, 说明发生了完全熔融和重结晶。这两层熔壳橄榄石斑晶的形态与成分有明显的差别, 表明它们为二次熔融体的冷凝形成。第三层熔壳发生部分熔融, 大部分矿物颗粒发生圆化, 其中含有少量气泡。第四层熔壳产生热变质, 单偏光下不透明, 反光下发黑, 这可能是高温还原的暗化现象, 该层岩石结构特征与陨石内部相似。Ⅱ号熔壳由外向里分为三层, 第一层硅酸盐颗粒发生过部分熔融且可见大量金属颗粒, 第二、三层特征与Ⅰ号熔壳三、四层基本相同。通过对比研究, 我们认为熔壳可以由陨石熔融物堆积作用产生并且可以利用其判断陨石降落的方向性。Ⅰ号熔壳存在两层玻璃质层且橄榄石斑晶发生了重结晶, 判断在陨石降落过程中, 陨石头部因摩擦发热而产生的熔融物质受到气流驱动而在陨石定向飞行的尾部产生堆积, 二次熔体的形成可能反映了该陨石运行时穿过两层密度相对大的大气结构层, 而Ⅱ号熔壳位于陨石的前侧部, 熔化物质仅有少量保留, 形成了很薄的玻璃质熔壳。

普通球粒陨石 熔壳 堆积成因 南极

0 引言

陨石是地外行星或小行星物质穿越大气层后并降落到地球表面的残留体。它们穿过大气层的速度在12—70 km·s–1之间, 与空气分子摩擦产生高温(2 000—12 000 K)和高压(2—5 MPa)并且发生熔融烧蚀, 这个烧蚀的过程仅持续5—40 s, 一个普通球粒陨石将损失掉它质量的75%—90%, 熔壳就是在这个条件下所形成的熔融物质层[1]。熔壳记录了陨石降落过程中所经历的熔融气化、烧蚀、熔体流动、微粒堆积等物理化学过程[2], 它们不但是鉴定陨石的重要特征和依据, 而且对研究陨石在穿过大气层过程中与大气的自然作用方式和程度都具有重要的指示意义[3]。因为陨石熔融物在大气层飞溅后可形成圆球形的微陨石, 因此有人认为陨石的熔壳和球粒的形成条件是相似的, 熔壳的形成过程在某种程度上也可以作为一种天然模拟球粒的形成过程的方法[4]。

虽然每块陨石都会有厚度不一的熔壳, 但是前人对熔壳研究较少。早在20世纪六七十年代, 陨石熔壳的开创性研究提供了许多关于其矿物学的有趣见解[5-6], 例如陨硫铁经过大气层后发生熔融作用, 与周围其他物质重新融合, 融合后可以生成磁铁矿、铬铁矿和钛铁矿等物质。由于受到分析技术的限制, 以前对熔壳的研究主要集中在受烧蚀方式所影响的外部形态结构及熔壳熔融区域。另外, 通过研究熔壳可以对陨石的居地年龄进行测量[7], 且可对形成熔壳时大气的浓度进行计算[8]。直到20世纪末, 陨石熔壳的研究才得到了较大的发展[9-10], 例如可通过人工模拟陨石进入大气过程中所经历的矿物蚀变[11], 研{Horowitz, 2008 #1663}究熔壳氧同位素组成来探讨和制约母体成分和消融过程等问题[4]。

在陨石穿过大气层时, 因大气层的物理化学条件在时间和空间上的差异, 可能产生了不同的熔壳, 其主要表现在结晶度、晶体形态与磁铁矿丰度等方面[12]。熔壳不是一个均匀的层, 前人对熔壳分层有众多不同的看法, 普遍认为普通球粒陨石熔壳由外向里可以分为三层, 第一层矿物完全熔融后, 冷却时转化为玻璃质; 第二层硅酸盐矿物部分熔融, 由半熔融的硅酸盐矿物和金属颗粒组成; 第三层矿物颗粒不熔化, 与陨石内部结构没明显区别, 仅物理性质表现有差异, 如光学下表现为暗化, 整体呈现黑色, 出现细小金属颗粒。由于研究手段和分析方法的不同, 对熔壳各层的形成原因也有其各自的见解[13-14], 如熔壳成分由底部矿物熔融、矿物部分熔融或两者混合而成, 熔壳气泡形成源于太阳风, 熔壳形成中出现挥发成分的丢失, 富铁熔体的不混熔作用等。本次研究表明, 陨石GRV 090196具有与前人所述不同的熔壳分层结构, Ⅰ号熔壳具有四层不同的熔壳结构并且外面两层形成了玻基斑状结构, 可能指示了该陨石中的熔壳与前人报道的结果具有不同的成因。因此, 对该陨石熔壳的研究不仅可以丰富熔壳的种类, 且对研究陨石降落过程中与大气的自然作用方式和程度提供了重要依据。本文工作, 首先研究该陨石的岩矿特征, 对该陨石进行分类; 然后对该陨石熔壳的结构与矿物学特征进行详细观察和分析, 通过对熔壳各层详细的对比, 探讨该陨石熔壳的形成过程。

1 样品及分析方法

1.1 样品特征

南极格罗夫山普通球粒陨石GRV 090196是本次研究对象(图1)。该陨石是我国第26次南极科学考察队于格罗夫山收集的, 发现于4号碎石带, 地理坐标为75°19′23.5″E、72°46′45.3″S。陨石重量0.58 g, 大小为19 mm×10 mm×9 mm, 不规则状, 局部浑圆状, 陨石整体呈黑色, 底部因氧化生锈呈浅褐色。该陨石具有较完整的黑色熔壳, 厚度在1 mm左右, 陨石发生轻微风化。熔壳表面气印现象明显, 蜡状光泽, 有数条清晰可见的裂纹。由于受风化与冰川搬运等影响, 熔壳呈现局部脱落现象。

图1 GRV 090196陨石照片

Fig.1. Photo of the GRV 090196 meteorite

1.2 分析方法及条件

由于GRV 090196陨石样品较小且质地较为疏松, 薄片制作前对制片样品进行了环氧树脂注胶处理。陨石薄片处理过程为: 先对原石切取小块样品, 对一个较平的切割面用碳化硅砂粉进行研磨, 用环氧树脂粘在磨毛的载璃片上, 粘胶固化后, 再研磨成标准厚度0.03 mm的光薄片。

分析测试工作在桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室和行星地质演化广西高校重点实验室完成。利用光学电子显微镜(Nikon 50iPOL)和场发射扫描电镜(Zeiss Σigma)完成岩石矿物结构观察。矿物的模式含量通过统计背散射图像不同灰度所占像素比获得。矿物成分采用电子探针(JEOL JXA-8230)完成, 分析条件: 加速电压15 kV和束流20 nA。分析数据采用Bence- Albee方法校正。矿物的拉曼定性分析在Renishaw公司生产的inVia型激光拉曼探针上完成, 激光拉曼光源为Ar+激光, 波长532 nm, 最高激光能量为30 mW, 聚焦束斑为1 µm, 采用单晶硅标样进行拉曼峰位标定。

2 陨石岩石学特征

2.1 岩石结构特征

GRV 090196陨石光薄片样品近似等腰三角形, 高6.97 mm, 底宽4.42 mm。底部和左上侧边缘分布不同厚度的熔壳, 右侧为陨石样品的断裂面。该陨石可见球粒和残余球粒, 出现了铁镍合金和陨硫铁, 属于典型的球粒陨石结构, 但球粒间基质组成表现出较严重的重结晶作用。在光学单偏光显微镜下, 该陨石主要呈现细粒-中细粒不等粒重结晶结构, 可见部分残留球粒, 底部具有厚且多层的熔壳——Ⅰ号熔壳, 左上侧二层结构熔壳——Ⅱ号熔壳, 另外, 因金属和硫化物风化产生褐铁矿浸染, 整体呈现黄色调, 有些气孔充填黄褐色褐铁矿 (图2a)。在背散射电子图像(BSE)下, 陨石主要呈不等粒重结晶结构, 表明基质和大部分球粒硅酸盐矿物发生重结晶, 另外, 铁纹石与陨硫铁呈不规则团块状或长条状, 部分铁纹石与陨硫铁风化呈褐铁矿, 部分褐铁矿呈脉状分布。根据背散射拼图统计(图2b), 该陨石主要矿物的模式含量为橄榄石41.2 vol%、低钙辉石31.9 vol%、斜长石12.1 vol%、铁镍金属6.3 vol%和陨硫铁4.4 vol%, 其他副矿物如铬铁矿等约占3.1 vol%及风化的褐铁矿含量约占1.0 vol%。

GRV 090196陨石中球粒大小主要在100—200 μm之间, 个别可达1 mm。球粒形状多呈椭圆形或残缺的不规则形。大部分球粒或残余球粒轮廓模糊, 如粒状橄榄石辉石球粒(图3b), 少数球粒边缘较清晰, 如炉条状橄榄石球粒(图3b)。球粒类型以斑状橄榄石辉石球粒为主, 其次为炉条状橄榄石球粒和粒状橄榄石辉石球粒(图3b)。斑状球粒和炉条状球粒中玻璃基质发生脱玻化, 在光学单偏光镜下为不透明-半透明状, 主要由隐晶质和细晶质组成。球粒基质、大多数小球粒发生了重结晶作用, 单偏光下表现为半透明状(图2a)。硅酸盐矿物重结晶颗粒为它形-自形结构, 粒度细粒-中粗粒, 但橄榄石和辉石颗粒自形程度和大小存在明显差异(图3a)。橄榄石颗粒呈自形到半自形, 矿物颗粒较大, 粒径多为50—200 μm, 个别可达260 μm。低钙辉石半自形到它形, 粒径20—200 μm。次生长石形状不规则, 粒径主要为5—20 μm, 少数超过50 μm。铁镍合金和陨硫铁主要分布在重结晶硅酸盐颗粒之间, 多为不规则团块状或长条状, 大小约50—200 μm, 个别长度可达400 μm(图3a)。球粒中或其边缘很少出现铁镍合金与陨硫铁颗粒。铁镍合金为铁纹石, 几乎未出现镍纹石。铁纹石和陨硫铁大多数为独立的团块, 少部分也出现铁纹石与陨硫铁结合的集合体。

图2 GRV 090196薄片样品整体结构图. a)单偏光照相拼图; b)背散射电子图像拼图. FC-Ⅰ、FC-Ⅱ分别代表Ⅰ号熔壳和Ⅱ号熔壳; Ch–球粒; Ol–橄榄石; Py–辉石; Pl–次生长石; Mt–Fe-Ni金属

Fig.2. Texture mapping of the GRV 090196. a) polarized light image mapping; b) back scattering electron (BSE) image mapping. FC-Ⅰ, FC-Ⅱrepresent fusion crustⅠand fusion crustⅡ; Ch–chondrule; Ol–olivine; Py–pyroxene; Pl–recrystallized feldspar; Mt–Fe-Ni metal

2.2 冲击变质特征

GRV 090196陨石具有较强的冲击变质效应和特征。除铁纹石和陨硫铁颗粒、次生长石外, 所有硅酸盐和氧化物矿物破碎较严重, 均发育有不同程度的不规则裂纹。橄榄石和低钙辉石具有典型的波状消光, 少部分橄榄石颗粒出现平行叶理。参考Stöffler[15]的标准, GRV 090196陨石冲击变质程度被划分为S3级。

图3 GRV 090196陨石主体内部结构. a)基质重结晶形成的不等粒结构; b)残余球粒结构. GOP–粒状橄榄石辉石球粒; BO–炉条状橄榄石球粒; Ol–橄榄石; Py–辉石; Pl–次生长石; Mt–Fe-Ni金属; Chr–铬铁矿

Fig.3. Internal texture of host rock of GRV 090196 chondrites. a) the heterogranular texture formed by matrix recrystallization; b) residual chondrule texture. GOP–granular olivine pyroxene chondrule; BO–barred olivine chondrule; Ol–olivine; Py–pyroxene; Pl–recrystallized feldspar; Mt–Fe-Ni metal; Chr–chromite

2.3 风化特征

所有铁纹石和陨硫铁颗粒均发生不同程度的氧化, 部分颗粒已经全部氧化为团块状褐铁矿(图2b); 铁纹石和陨硫铁部分风化产物褐铁矿迁移沿裂隙分布呈脉状, 在熔壳中充填杏仁状气孔(图2a); 所有硅酸盐矿物均被褐铁矿浸染呈黄褐色; 据矿物模式含量统计, 约有45%铁纹石和陨硫铁被风化成褐铁矿。因此, GRV 090196陨石风化程度属于Wlotzka[17]划分体系的W2级。

3 熔壳结构特征

GRV 090196陨石样品具有较完整的熔壳, 但是, 薄片样品呈三角形, 因切割位置关系仅两条边出现熔壳, 它们出现在薄片样品底部和左侧(图2a), 底部熔壳(FC-Ⅰ)厚度较大, 约1.5 mm, 左上侧熔壳(FC-Ⅱ)厚度较薄, 约0.5 mm。而另一边因靠近陨石内部没有熔壳。为了对比说明Ⅰ号和Ⅱ号两条熔壳的结构异同点, 它们的岩矿特征分别详细描述如下。

3.1 Ⅰ号熔壳

Ⅰ号熔壳位于薄片底部, 具有厚度大、结构层次多的特点(参看表1)。该熔壳长4.4 mm, 从右向左, 厚度逐渐加大, 由1 mm过渡到1.5 mm。根据熔融程度和结构差异, 该熔壳从外向里可区分为四层(图4)。最外两层为透明玻璃质层, 颜色为黄褐色, 第一层(最外层)比第二层颜色偏浅, 两层都含骸晶状的橄榄石斑晶, 这两层之间没有截然界线, 但是它们的颜色、透明度、斑晶形态和定向存在差异, 据此可划分它们之间的边界(图5c)。第三层为半透明、灰黑色的部分熔融层, 局部发生暗化现象, 厚度相对较薄, 但变化大, 主要在100—200 μm之间, 左侧尾部达1 mm左右。第四层为高温暗化层, 呈黑色不透明状, 局部发生暗化。第三与第四层在单偏光下几乎都为黑色不透明, 无法区分它们之间的界线, 但是在背散射电子图像下, 两者存在明显的结构差异, 它们之间表现出明显的物理界线。第三层为有气孔的高温半塑性熔融层, 第四层则与陨石内部的质地相当。第一到第三层的气孔多呈混圆状, 大小不均一, 直径10—100 μm, 第一层气孔的大小和含量明显高于第二和第三层。

3.1.1 第一层: 短粗状斑晶玻璃层

第一层熔壳为短粗状橄榄石斑晶玻璃层。该层熔壳富含气泡, 气泡多为圆形或椭圆形, 少部分因粘连呈不规则状, 气泡大小约20—180 μm, 约占第一层面积的39vol%。该层的形态因气泡的影响非常不规则, 因此厚度也产生了巨大变化, 最薄130 μm, 气泡在边缘凸起处的厚度达410 μm。部分气孔充填有风化产物褐铁矿。单偏光下该层呈粒状结构, 粒状晶体透明无色, 呈短柱状, 晶体之间为褐黑色玻璃(图5a)。

根据扫描电镜观察, 该层熔壳是玻基斑状结构, 由橄榄石斑晶(48.2vol%)、硅酸盐玻璃(44.7vol%)、铁的氧化物(5.6vol%)以及少量铁镍金属颗粒(0.5vol%)组成。橄榄石斑晶长10—60 μm, 宽5—20 μm, 自形到半自形, 形状为棱角分明的骸晶或不规则状, 以短柱状为主, 也呈六边形状或花瓣状, 骸晶中心常有气孔。橄榄石斑晶长轴方向总体趋向顺层分布, 表现出一定的流动性。橄榄石晶面发育较平整, 正交偏光镜下全消光, 斑晶中间充填玻璃质, 边缘被一层比玻璃质亮的边包围。玻璃为成分不均一、含钙铝的硅酸盐物质, 呈花纹状, 高倍镜下可见玻璃中充填细小辉石骸晶, 发育极不完全。

图4 Ⅰ号熔壳结构图. a)单偏光照片; b)背散射电子图像.Ⅰ号熔壳由外向里(即从下向上)分为四层, 依次为L1、L2、L3、L4, 第四层以外为陨石主体(host rock, HR)

Fig.4. Pictures of the structure of fusion crustⅠ. a) taken under plane polorized light; b) BSE mapping. Fusion crustⅠconsists of four layers of L1, L2, L3, L4 from the outside to the inside, the interior is host rock (HR)

3.1.2 第二层: 细长状斑晶玻璃层

该层与第一层相似, 为具有玻基斑状结构的玻璃质层, 厚度110—320 μm。该层气孔比第一层明显少。该层由玻璃质(60.6vol%)、橄榄石斑晶(35.7vol%)、少量铁镍金属、陨硫铁颗粒(3.4vol%)以及铬铁矿(0.3vol%)组成。橄榄石斑晶比第一层要细长(图5c), 呈针状半自形晶, 斑晶长短比例不均一(长20—240 μm, 宽5—15 μm)。在单偏光镜下该层橄榄石呈暗黄色, 周围可见明显的浅色边缘, 只有部分晶面发育完整, 细小气孔散布在其中(图5b)。斑晶之间多呈交织结构, 疏密程度有所差异。基质由未结晶的暗色硅酸盐玻璃组成, 可见细小辉石骸晶, 发育极不完全, 少量含镍金属、陨硫铁、铬铁矿颗粒散乱分布于玻璃质中。

3.1.3 第三层: 半熔融层

该层为半熔融层, 呈半晶质致密结构, 厚度70—290 μm, 主要由半熔融颗粒、金属硫化物以及玻璃质组成。该层可见半熔融辉石矿物残留(图5d), 与陨石内部的矿物相比, 该层矿物裂隙和解理少, 金属颗粒圆形细粒分散, 中心部位有颜色较深的矿物集合体, 偏光镜下呈半透明状。颗粒边缘出现较多小的气孔, 铁镁硅酸盐玻璃含半骸晶状或骸晶状橄榄石。另外该层可见半塑性熔融状态的橄榄石集合体(图5e), 矿物颗粒呈团块状或椭圆状, 无裂隙, 边缘无棱角, 较多1 μm左右的金属颗粒杂乱分布其中, 气孔发育。该层既有结晶矿物又有玻璃质, 与第四层之间界线较明显。

图5 Ⅰ号熔壳不同结构层的岩矿特征. a)第一层熔壳重结晶结构, 单偏光照片; b)第二层熔壳结构, 单偏光照片; c)第一层和第二层熔壳的接触关系, 背散射电子图像; d)第三层部分熔融层, 背散射电子图像; e)第三层部分熔融残留的橄榄石颗粒, 背散射电子图像; f)第四层高温暗化层中的斑状橄榄石球粒(PO), 单偏光照片. Gl–玻璃基质, Fa15–橄榄石铁分子牌号, PO–斑状橄榄石球粒

Fig.5. Petrographic characteristics of the layers of fusion crustⅠ. a) The recrystallization texture of L1, plane polarized light; b) The recrysatllization texture of L2, plane polarized light; c) the contact relation between L1 and L2, BSE image; d) the partial melting texture of L3, BSE image; e) the olivine (Ol) relicts in the L3 partial melting layer, BSE image; f) a porphyritic olivine chondrule (PO) in the L4 high-temperature darken layer, plane polarized light. Gl–glass; Fa15–FeO molecular number of olivine; PO–porphyritic olivine chondrule

3.1.4 第四层: 高温暗化层

该层为高温暗化层, 在结构上与陨石内部结构几乎相同, 但在单偏光下, 该层呈不透明黑色, 与半透明的陨石内部形成鲜明反差。该层厚度120—600 μm, 没有气孔, 保留内部球粒和重结晶结构, 如斑状橄榄石球粒(图5f)。该层以重结晶结构为主, 矿物组成为橄榄石、低钙辉石、次生长石、Fe-Ni合金和硫化物等, 不含高温熔融的玻璃质, 该层与陨石主体没有明显的界线, 矿物组成也没有发生明显变化。该层橄榄石具有一定的晶型, 可见其裂隙发育并被细小富铁脉充填。其他四层熔壳特征对比见表1。

3.2 Ⅱ号熔壳

位于薄片左上侧的Ⅱ号熔壳, 约占薄片面积的1/12(图6a)。该熔壳长约2.5 mm, 宽约0.5 mm。单偏光显微镜下, 整体呈黑色(图6d)。该熔壳外部呈半透明状, 内部为不透明状。将Ⅱ号熔壳由外向里分为三个不同的结构层, 在不同的位置熔壳各层的厚度有很大的差别。

表1 Ⅰ号熔壳结构层岩矿特征对比

Table.1. Textural comparison of different layers of fustion crust I

图6 Ⅱ号熔壳不同结构层的岩矿特征. a)熔壳结构, L1为金属熔融层, L2为部分熔融层, L3为高温暗化层, 背散射电子图像; b)部分熔融层(L2)的粒状结构, 背散射电子图像; c)Ⅱ号熔壳局部为单层结构, 单偏光照片; d)Ⅱ号熔壳局部具有三层结构. Lm–褐铁矿; Tr–陨硫铁

Fig.6. Petrographic characteristics of fusion crustⅡ. a)the texture of fusion crustⅡ, L1 is a melted metal layer, L2 is a partial melted layer, L3 is a high-temperature darken layer, BSE image; b) the granular texture of the L2 partial melted layer, BSE image; c) a part of fusion crustⅡis a kind of single layer, plane polarized light; d) the other part of fusion crustⅡhas three layers. Lm–limonite; Tr–troilite

3.2.1 第一层: 金属熔融层

该层为金属熔融层, 主要由金属(Fe、Ni)和部分熔融硅酸盐颗粒组成。金属颗粒呈树枝状生长, 在BSE图像中呈亮白色, 组合物以铁、镍为主, 在该层中除了金属颗粒析出之外, 橄榄石、辉石、长石等硅酸盐颗粒也发生了部分熔融。边缘可见金属氧化(图6c), 厚度12—35 μm, 主要以氧化的褐铁矿为主, 含有少量镍(1.22wt%), 偏光镜下可见红棕色的金属氧化物团块。该层与第二层界线非常明显。

3.2.2 第二层: 半熔融层

该层在偏光镜下呈半透明状, 该层结构与Ⅰ号熔壳第三层相似。可见橄榄石团块, 边缘圆化明显, 无棱角。辉石和次长石团块部分熔融(图6b), 辉石颗粒中间可见较多细小金属颗粒, 主要为铁镍合金(Ni: 5.68wt%)、陨硫铁、铬铁矿, 大量熔融次生长石颗粒(8—15 μm)散布在辉石和橄榄石团块内部。该层与第三层边界不明显。

3.2.3 第三层: 高温暗化层

黑色的原生层, 发生了暗化现象, 该层结构与Ⅰ号熔壳第四层相似。可见明显的裂纹存在。金属颗粒有较大的尺寸, 通常具有不规则外形。

4 矿物成分特征

4.1 陨石主体矿物成分特征

GRV 0901960陨石中主要硅酸盐矿物为橄榄石、低钙辉石、斜长石, 矿物的电子探针成分分析如表2, 橄榄石(Fo89.2—91.9Fa18.1—20.4)和低钙辉石(En80.7—82.9Wo0.9—1.4Fs16.2—18.2)的成分均一(Fa和Fs的平均标准偏差PMD值为2.48%和4.12%), 次生长石(An9.23—10.24Ab82.9—85.4Or5.42—6.86)成分范围也变化不大。

表2 GRV 090196陨石中主要矿物化学成分表

Table.2. Chemical compositions of main minerals in GRV 090196 meteorite wt%

注: n: 分析点的数量; tr: 微量(<0.01vol%)

4.2 熔壳成分特征

GRV 0901960陨石熔壳各层中主要硅酸盐矿物的电子探针成分如表3。Ⅰ号熔壳第一层橄榄石斑晶具有明显的成分环带, 橄榄石Fa值从斑晶中心的14向边部升高至18.5。而二至四层橄榄石Fa在17.7—20.7之间, 与陨石主体成分基本一致。然而第一、二层辉石质玻璃成分与陨石主体的低钙辉石相比差异较大, Fe含量较高, Fe/(Fe+Mg)值可达到55.2—66.1, 第三、四层辉石成分与陨石主体低钙辉石成分基本相似。Ⅱ号熔壳二、三层硅酸盐成分与Ⅰ号熔壳三、四层的成分基本相同。

表3 Ⅰ、Ⅱ号熔壳各层代表性电子探针分析数据

Table.3. Chemical compositions of different layers of fusion crustsⅠandⅡ wt%

注: tr: 微量(<0.01vol%), 每层橄榄石、辉石各列举3个分散探针点的成分。

4.3 Ⅰ号熔壳与陨石主体成分变化特征

4.3.1 橄榄石

为了了解GRV 0901960陨石Ⅰ号熔壳与主体陨石橄榄石矿物成分的变化, 本次工作按照图7所示箭头方向分析了橄榄石和辉石成分的变化情况。黑色点测橄榄石质元素含量, 白色点测辉石质玻璃和低钙辉石元素含量, 每层各取5个点, 将Ⅰ号熔壳所得成分绘制成图(图8)。橄榄石和低钙辉石的成分变化特征为: (1)橄榄石的主量元素成分在四层熔壳和陨石内部中总体稳定, 变化程度小, SiO2含量几乎没有变化, 但与陨石主体对比, 第一层橄榄石斑晶MgO含量偏高、FeO含量偏低, 而第二层橄榄石斑晶MgO含量偏低、FeO含量偏高, 第三、四层橄榄石MgO和FeO含量与陨石主体中的橄榄石几乎没有差别; (2)橄榄石的微量元素Cr、Ca、Ni、Al含量一、二层高, 向三、四层突然较大幅度地减少; (3)第一、二层辉石质玻璃中的MgO(9.8wt%—13.2wt%)远小于第三和第四层的低钙辉石MgO(38.6wt%—42.1wt%)的含量, 但是在一、二层中的FeO(20.2wt%— 31.4wt%)远大于三、四层的FeO(9.6wt%— 10.3wt%)的含量, 在一、二层的Al和Ca的含量也远大于三、四层, Cr和Ni的含量各层大致相同。

图7 橄榄石和辉石质基质(含辉石)分析点位置

Fig.7. Analytical point positions of olivine and pyroxene matrix (including pyroxene)

图8 矿物成分剖面图. a)和b)为橄榄石, c)和d)为辉石基质和辉石矿物

Fig.8. Chemical composition profile of minerals. a) and b) are olivine, c) and d) are pyroxene matrix and pyroxene mineral

此外, 根据GRV 090196陨石Ⅰ号熔壳一、二层斑晶及陨石主体橄榄石矿物的拉曼谱图分析(图9), 陨石主体的橄榄石在820.7 cm–1和852.5 cm–1附近具有两个主峰, 为典型的橄榄石特征峰; Ⅰ号熔壳一层在821.2 cm–1和852.1 cm–1附近具有两个主峰, 二层在821.0 cm–1和851.378 cm–1附近具有两个主峰。可见一、二层斑晶具有与主体橄榄石矿物相似的特征峰, 得知斑晶也为橄榄石矿物。陨石主体、Ⅰ号熔壳一层、二层橄榄石的半高宽分别为15.27 cm–1、13.55 cm–1和18.63 cm–1。

图9 Ⅰ号熔壳一、二层橄榄石斑晶及主岩橄榄石矿物的拉曼谱图

Fig.9. Raman spectra of olivine phenocryst and host olivine in fusion crustⅠ

4.3.2 辉石及辉石质玻璃

由于熔壳基质玻璃为辉石质, 将Ⅰ号熔壳一、二层的基质, 三、四层和陨石主体的辉石及辉石质玻璃投到辉石成分划分图内(图10), 可以发现一、二层玻璃基质含有较高的Fe含量和Ca含量, 主要落在贫钙铁普通辉石和易变辉石区间内, 而三、四层和陨石主体的辉石基本落在同一区间, 属于低钙辉石类, 但第三层辉石成分FeO含量明显高于主体辉石和第四层辉石。

5 讨论

5.1 陨石类型

GRV 090196陨石属于高铁群普通球粒陨石, 橄榄石Fa值为18.8, 低钙辉石Fs值为16.5, 落在H群范围内(图11)。球粒结构较明显, 轮廓较清晰, 基质半透明, 次生长石颗粒直径在5—20 μm, 这些特征表明该陨石岩石类型为5型。陨石中橄榄石成分较为均一, Fa的PMD为2.48%, 大部分低钙辉石也具有均一的成分, 其Fs的PMD为3.15%。

图10 辉石及辉石质玻璃成分图

Fig.10. Chemical composition plot of pyroxene and pyroxene glass

5.2 GRV 090196陨石熔壳的成因

5.2.1 Ⅰ号熔壳一、二层玻璃质的堆积成因

Ⅰ号熔壳第一、二层都是由斑晶、玻璃质、金属组成, 呈玻基斑状结构, 斑晶均为橄榄石骸晶, 基质均为辉石质玻璃, 这两层熔壳橄榄石斑晶的平均Fa值(18.1—19.7)与陨石主体橄榄石Fa值(Fa18.2—19.5)相比变化不大, 而基质辉石质玻璃中的MgO(9.8wt%—13.2wt%)远小于其他层的MgO(38.6wt%—42.1wt%)含量, FeO(20.2wt%— 31.4wt%)远大于其他层的FeO(9.6wt%—10.3wt%)含量, 表明金属在高温高压作用下, 与硅酸盐矿物重新熔融结合, 从而导致辉石质基质玻璃中FeO含量比主体橄榄石中高。第一、第二层界限不明显, 在个别部位有交叉现象, 并且这两层有高的Ni(2wt%)含量, 表明在相对氧化的条件下结晶[18-19],经历了相似的氧化还原环境。根据Reimold等[20]研究, 摩擦高压必须达到1 500℃以上, 才能使镁橄榄石完全融化, 因此该陨石在降落的过程中其表面物质完全熔融时的温度超过了1 500℃。

Ⅰ号熔壳第一层斑晶呈短柱状、自形到半自形, 晶面发育完全, 第二层斑晶呈细长状、半自形, 晶面发育较完全。在GRV 090196陨石中, 陨石主体、Ⅰ号熔壳一层、二层橄榄石的半高宽分别为15.27 cm–1、13.55cm–1和18.63 cm–1, 也说明第一层橄榄石矿物结晶得更加完全, 而第二层橄榄石结晶程度较低[21]。根据岩石矿物学常识, 相对快速冷却形成的骸晶是细长的, 而相对慢速冷却形成的骸晶是短粗的, 因此, Ⅰ号熔壳第一层(最外层)橄榄石斑晶相对短粗, 表明它形成的冷却速度慢, 而第二层(即里层)橄榄石斑晶相对细长, 表明它形成的冷却速度快, 这完全吻合陨石降落过程中先形成的熔壳应该在更高的大气层, 这里的环境温度低, 冷却速度就快, 而最外的熔壳则形成于更低的大气层, 更靠近地面, 其环境温度高, 因此, 冷却速度就慢。假如这两层的结构差异是原位熔融的熔体因温度梯度造成的, 那最外层冷却速度快, 它的橄榄石斑晶应该更细长, 而不是短粗的, 里层冷却速度慢, 它的橄榄石斑晶应该是短粗的。这恰恰与观察的Ⅰ号熔壳第一、二层的结构特征是矛盾的。

图11 陨石主体橄榄石Fa值与辉石Fs值成分分布图(本图据王道德资料[17]编制)

Fig.11. Distribution diagram of Fa in olivion and Fs in pyroxene (after Reference [17])

另外, GRV 090196陨石Ⅰ号熔壳一、二层分层的另一个理由是: 假定它们是原位熔融形成的, 热是从外向内传导, 最外先熔融, 内部逐步由半熔融向完全熔融过渡, 最里层(即第四层)则是受热烘烤还原发黑。那完全熔融的熔体部分在陨石达到熔融饱和点之后便开始结晶斑晶, 由于温度梯度的作用, 这个熔体部分从外到内斑晶大小变化是过渡的连续的, 中间不会形成结构上的界限或差异。这与第一层与第二层之间结构界限也是不吻合的。因此, Ⅰ号熔壳的第一、二层的形成最可能的成因模式是堆积作用。第一层和第二层是陨石飞行方向前部完全熔融的熔体因气流高压作用, 不断尾部流动堆积, 第二层先堆积冷却结晶, 第一层(最外层)又在其上继续堆积, 进而形成了GRV 090196陨石Ⅰ号熔壳二层橄榄石斑晶玻璃层的现象。

5.2.2 Ⅰ号与Ⅱ号熔壳的对比及其成因

Ⅱ号熔壳第一层可见大量氧化金属颗粒, 单偏光下可见红棕色褐铁矿团块, 可以看出熔壳边部氧化比较严重。金属析出物呈树枝状生长, 表示它们从熔体中快速析出形成, 冷却时间非常短暂[12]。

Ⅱ号熔壳第二层与Ⅰ号熔壳第三层具相似的特征, 为部分熔融结构, 矿物颗粒边缘光滑, 没有完整的晶型, 陨石主体中矿物颗粒常见的裂隙和解理在该层中不常见, 在背散射图像下, 也表现出较光滑特征, 这表明这层已经受到大气摩擦产生的高温影响, 发生了部分熔融。另外, 该层有一些细小气孔, 它们可能是由于高温导致挥发性物质从硅酸盐熔体中析出形成[22]。

Ⅱ号熔壳第三层与Ⅰ号熔壳第四层具相似特征, 为未熔融层, 只是矿物经历高温而发生还原作用, 产生了细小的金属铁颗粒, 矿物表面发生了暗化现象。该层橄榄石、辉石颗粒发育完整, 棱角分明, 矿物间被金属脉充填, 玻璃质含量仅为15%左右, 说明形成于缓慢冷却的环境中。

GRV 090196陨石出现了两种不同特征的熔壳, 其中Ⅰ号熔壳具有四层结构, Ⅱ号熔壳具有三层结构, 这表明该陨石在经过大气层的降落过程中, 熔壳形成的过程中陨石应该是定向飞行的, Ⅰ号熔壳位于陨石飞行方向尾部, 其第一层、第二层熔壳出现由于堆积作用产生的较厚的斑晶玻璃层。而Ⅱ号熔壳位于陨石定向飞行前部, 由于气流驱使, 硅酸盐熔体不易保留, 没有出现较厚的斑晶玻璃质层, 而铁镍合金熔体由于粘稠度大则粘留, 形成熔壳最外层。

6 结论

1.GRV 090196属于普通球粒陨石, 化学群为H群, 岩石类型为5型。该陨石具有完整的熔壳表面, 是研究陨石进入大气层过程中理想的样品。它经历了较弱的冲击变质和中等程度的风化作用, 冲击变质程度为S3, 风化程度为W2。

2. GRV 090196陨石Ⅰ号熔壳形成过程为: 该陨石在降落的过程中, 表面与大气摩擦温度超过了1 500℃, 导致表面完全熔融, 并流向尾部形成Ⅰ号玻璃质熔壳。Ⅰ号熔壳第一、第二层发生了完全熔融作用且在相对氧化的条件下结晶, 这两层为堆积成因。第二层首先在陨石下落方向的陨石尾部堆积, 第一层随后在其上堆积, 第一层矿物的结晶时间大于第二层。第三层发生部分熔融, 处于不完全氧化的环境中, 受到了明显的冲击作用。第四层未熔融, 仅发生热变质, 导致矿物颗粒Fe的还原, 形成了细小金属铁颗粒, 表面发生暗化现象。Ⅱ号熔壳第一层硅酸盐颗粒部分熔融并且富含金属颗粒, 二、三层特征与Ⅰ号熔壳三、四层结构成分基本相同, 说明他们经历了相似的热事件, 具有相同的成因。

3. GRV 090196陨石出现了Ⅰ号和Ⅱ号两种不同特征的熔壳, 这表明该陨石在经过大气层的降落过程中陨石应该是定向飞行的, Ⅰ号熔壳位于陨石飞行方向尾部, 由于堆积作用产生较厚的第一、第二层含橄榄石斑晶的玻璃层。而Ⅱ号熔壳位于陨石定向飞行前部, 熔体不断流失, 最后只保留了粘稠度较大的FeNi金属熔体, 形成熔壳最外层。

致谢:感谢中国极地研究中心提供陨石研究样品！

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FEATURES AND FORMATION OF FUSION CRUSTS ON AN ORDINARY CHONDRITE(GRV 090196) FROM ANTARCTICA

Sun Yunlong1,2,3, Miao Bingkui1,2,3, Huang Lilin1,2,3, Zhang Chuantong1,2,3, Xia Zhipeng1,2,3

(1Guangxi Key Laboratory of Hidden Metallic Ore Deposits Exploration, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China;2Institute of Meteorites and Planetary Materials Research, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China;3Key Laboratory of Planetary Geological Evolution at Universities of Guangxi Province, Guilin University of Technology,Guilin 541004, China)

Meteorite fusion crusts are formed during atmospheric entry and show different textural characteristics based on differences in entry velocity and structural changes in the atmosphere. Therefore, fusion crust study is important to understand atmospheric entry processes and atmospheric structure at that time. Many Antarctic meteorites have retained their original or complete fusion crust because of the region’s unique geographical and climatic conditions, so they are ideal samples for fusion crust research. An ordinary H5 chondrite (GRV 090196) from the Grove Mountains region (Antarctica) was investigated in this study. It has a complete molten fusion crust with some flow lines showing its flying direction. Thin sections showed two intact fusion crusts with thicknesses of 1.3 mm and 0.4 mm. Petrology and mineralogy showed that the first fusion crust (FC-Ⅰ) could be divided into four structural layers (outside to inside). Layers 1 and 2 were melted completely and recrystallized to form porphyritic structures in a glassy matrix, but the morphology and chemical composition of olivine phenocrysts in these layers were very different. This indicates it experienced different atmospheric layers of various densities. In layer 3, partial melting was obvious and mineral residues were observed; crystals were rounded with some bubbles. Thermal metamorphism occurred in layer 4, appearing opaque and black under plane polarized light, with a darkening phenomenon that may be from fine iron precipitation. Its texture was similar to those inside the meteorite. The second fusion crust (FC-Ⅱ) was divided into three layers (outside to inside). Silicates in layer 1 were partially melted and rich in metallic grains. Layers 2 and 3 were similar to layers 3 and 4 in fusion crustⅠ. We suggest that fusion crusts were caused by accumulation and can be used to judge the landing direction of a meteorite. The two glassy layers and olivine phenocrysts in fusion crustⅠas well as the recrystallized olivine phenocrysts indicate that fusion crust melt was moved along the meteorite body by air. The fusion crusts experienced two relatively denser atmosphere layers that formed two glassy layers, and fusion crustⅡwas located in the side of the front. Only a small amount of the molten material remained and formed a very thin glassy fusion crust.

ordinary chondrite, fusion crust, accumulation cause, Antarctica

2019年4月收到来稿, 2019年7月收到修改稿

国家自然科学基金项目(41776196, 41173077)、科技部国家科技基础条件平台项目(2005DKA21406)、广西科技基地及人才专项(桂科AD1850007)资助

孙云龙, 男, 1992年生。硕士研究生, 从事天体化学与对比行星学研究。E-mail: 941823319@qq.com

缪秉魁, E-mail: miaobk@glut.edu.cn

10. 13679/j.jdyj.20190027