曼桂陨石熔壳和球粒特征研究

仝记

（桂林理工大学地球科学学院，广西 桂林541004）

1 概述

2018 年6 月1 日晚上9 点40 分左右一道亮光划破天空，有居民听到天空传来轰轰声，随着几声巨响亮光消失。后经科学家确认发生了陨石坠落事件，降落地在我国云南省西双版纳傣族自治州勐海县境内，后被国际陨石命名委员会命名为曼桂陨石。曼桂陨石由南向北进入地球大气层，有很多目击者和视频记录到坠落过程。通过陨石回收地点的范围确定散落在长12公里、宽2 公里的区域内。本次陨石降落在人口密集区，虽然击穿了多处居民的房屋，但并未造成人畜受伤，因降落地相对寻找方便，为后续陨石收集提供了便利。本次陨石坠落一共收集到1000 多个个体，总重50 公斤左右，其中最大的一块重1228g[1]（图1）。

本文将着重研究曼桂陨石的熔壳和球粒特征，利用新降落陨石熔壳受地球环境影响较小的优势，对熔壳特征进行研究，更准确的掌握陨石熔壳形成信息。陨石的形成是太阳星云演化的结果，地球因为经历过广泛的岩浆熔融分异，把自身形成时的早期信息都已抹去，而陨石中的球粒没有经历岩浆熔融就已经快速冷却，因此保留了星云凝聚的原始信息，这些信息对研究太阳系形成过程、地球的起源等重大科学问题，具有重要意义[3]。

本次降落陨石属于普通球粒陨石，普通球粒陨石中的球粒是陨石重要组成部分，研究不同化学群和不同岩石类型的陨石对丰富太阳系的形成演化史有重要作用。

2 陨石样品与实验方法

为收集到的较大的两块个体

本次样品购自当地居民手中，熔壳完整呈亮黑色，陨石表面有凹坑，有微熔流流动痕迹，表明样品被剥离母体后发生了继续燃烧。获得样品后在桂林理工大学天体化学实验室使用金刚石线切割机切片，取样位置位于陨石的中部，样品使用AB 胶黏合，经过：粗磨→细磨→抛光最后制作成光薄片和光片各一个。矿物化学分析使用桂林理工大学JXA-8230 型电子探针完成，工作电压15KV，加速电流20Aa,电子束斑5μm。首先对陨石进行了化学群分类，对陨石内的主要组分进行了岩石学矿物学研究。

表1 曼桂陨石内部和次生熔壳的橄榄石电子探针数据

表2 曼桂陨石内部和次生熔壳的辉石电子探针数据

其次结合陨石内的特点对特殊现象进行了研究，为了研究降落过程的升温对陨石内主要矿物的影响，分别选取样片中间部位和熔壳内的橄榄石辉石进行能谱和波谱分析。对样品的结构特征和重结晶程度使用显微镜进行了研究，使用扫描电镜对熔壳和球粒内的微区进行了观察。

3 实验结果

3.1 曼桂陨石化学群划分

通过实验观察曼桂陨石具有明显的普通球粒特征。其主要由橄榄石、辉石、长石、铁纹石和镍纹石、陨硫铁、磷灰石等矿物组成。橄榄石的Fa=24.34，辉石Fs=20.49，Wo=1.43，橄榄石和辉石的成分都十分均一，PMD 都小于5，根据陨石Fa、Fs 分类标准确定曼桂陨石化学群为普通球粒陨石L 型[4]。根据Fa、Fs 确定曼桂陨石化学群为普通球粒陨石L 型。陨石的岩石类型根据陨石中的球粒轮廓大部分较为模糊、基质重结晶程度较高几乎都已发生重结晶、长石的结晶颗粒粗大（≤0.25mm）自形程度高等岩石学特征和橄榄石、辉石化学成分的离散程度，确定曼桂陨石岩石类型为6 型。

3.2 曼桂陨石熔壳特征

样品熔壳保存完整，呈亮黑色，表面有熔融物流动痕迹。光薄片在显微镜下观察：在正交光和单偏光镜下都不透明，熔壳呈一条黑色条带分布在陨石的周围，与陨石接触部位呈暗褐色，样品熔壳厚度并不均匀，平均厚约0.25 毫米；在反光镜下可以看到条带主要由两部分组成，一是最外侧包含气泡的完全熔融层，二是靠近陨石一侧的过渡层。

（1）外层。外层是陨石受热温度最高的地方，也是陨石温度变化最剧烈现象最极端的部位。因为和空气的高速摩擦，外层基本是完全熔融的玻璃质物质，局部在玻璃质中包裹着未完全熔融的矿物残块。呈熔融状的陨石物质在气流的作用下飞离陨石。在反光镜下可见有气泡混入，气泡大小不一，形态并不规则，熔壳外层在厚度上差别较大，在局部观察到厚度呈逐渐变化趋势，熔壳内的气泡多分布在熔融和未熔融的边界，这充分说明了较厚熔壳是熔融物异区堆积形成的，表明陨石熔融物在这一层发生了流动堆积现象。在局部熔壳较厚的部位熔壳可分为三层结构（图3）熔壳外层可分为两部分：一部分是熔融未结晶玻璃质层，另一部分是含金属较高的似堆晶状集合体层。在未完全熔融的矿物在高倍扫描电镜下可以观察到碎块的周围玻璃质重结晶现象，未熔融矿物内部因高温熔离成密集的团块状个体，分布在残余矿物内；有些残余矿物形成熔离环带周围被骸晶包围（图6b）。在靠近内层的边界处，局部观察到重结晶矿物骸晶平行排列，结晶方向一致（图6c）。局部观察到从矿物熔离碎片——完全熔融物——玻璃质重结晶的分层结构，清晰的展现了不同陨石矿物熔融过程（图6）。

图3 不同部位熔壳的背散射图片

图4 不同类型球粒的背散射图片

（2）内层。内层熔壳是陨石表层高温向内传导，导致陨石矿物发生物理化学变化形成，温度较外层大幅下降，但矿物薄片在显微镜的正交光和单偏光下都为暗黑色无法区分结构，但该层保存完整厚度较匀。在反光镜和背散射电子图像下可以区分不同矿物结构，该层硅酸盐矿物受高温影响在成分上发生变化，矿物晶格遭到破坏导致显微镜下为不透明。不同矿物受影响程度不同，熔点越低的矿物受影响越大。层内的陨硫铁颗粒变圆,和长石共生密切，呈脉状分布的陨硫铁细脉沿矿物破裂面产生，观察到多处近似平行、垂直、互为120°等夹角的细脉组合呈勾连状分布，局部有细脉在熔壳内的金属颗粒附近富集现象，且围绕着长石颗粒呈放射状或包裹状分布，但很少有细脉切穿长石的现象产生。在内外层的交界处产生近似于垂直裂隙向内层延伸，并逐渐尖灭，裂隙被熔融的玻璃质填充。局部观察到熔融物沿裂隙被外层抽蚀的现象，抽蚀通道有熔融物质已发生重结晶现象。

3.3 曼桂陨石的球粒特征

曼桂陨石作为普通球粒陨石，球粒是它的重要组成部分，球粒重结晶程度是陨石岩石类型判断的主要依据[2]，因为经历了后期热变质事件，所以薄片中观察到的都是残余球粒，球粒重结晶现象明显，大部分球粒边界辨识度较低，从矿物结晶形态和分布规律可以把球粒与周围重结晶的基质矿物区分，球粒主要由炉条状球粒、斑状球粒、放射状球粒等不同类型球粒。炉条状球粒在重结晶后还保留着长条状的矿物结构组合，主要由橄榄石、辉石、长石等矿物组成，在长石颗粒中大部分发育有次生矿物集合体。斑状球粒主要由大颗粒的橄榄石、辉石组成，矿物晶体较大，大都较为破碎，常常和基质物质一起重结晶。能分辨轮廓的球粒直径约为0.5mm～2mm 不等，且球粒越大边界越清晰，小的球粒几乎辨认不出来。有的球粒和基质物质一起重结晶成较大的矿物颗粒，对球粒轮廓破坏较大，这可能是未热变质前的球粒物质和球粒周围的基质物质在矿物成分上比较接近，在后期的热变质过程中结合为较大矿物颗粒。

图5

样品中球粒主要由橄榄石、斜方辉石、斜长石组成，次要矿物有FeNi 金属、陨硫铁、铬铁矿等矿物组成。在某些球粒内辉石间隙的长石内发育有不规则状矿物，经能谱分析为磁铁矿和铬铁矿集合体，是球粒重结晶过程中产生的次生矿物集合体，这些矿物集合体都分布在长石颗粒内，在辉石和长石颗粒内还分布着近球状陨硫铁颗粒，球粒内的陨硫铁颗粒粒度较小。

4 讨论

4.1 陨石熔壳特征研究

陨石因为快速进入大气层，在陨石前端，气体受冲击波作用温度剧烈升高，陨石表层会被加热到3000℃～3500℃[10]。曼桂陨石的熔壳形成也分为两部分：一是最外面完全熔融的玻璃质；最外面的玻璃质层内普遍含有气孔构造，陨石熔融物质形成后因为陨石的高速前进，造成熔融物在陨石表面快速挥发并向后流动，在局部产生堆积，在熔壳堆积较厚的地方气孔位于熔融层和次生变质层交界处，而不是最外面，这表明气孔构造的形成是熔融的陨石物质流动造成的。本次样品个体较小，阻重比相对较大，产生烧蚀的雷诺数就较低，在大气层中发生层流烧蚀，所以才看起来本次样品的熔壳比图1、2 较大个体的熔壳更显黑亮。二是玻璃质层到内部陨石物质之间的次生变质层，普遍认为次生变质层是陨石表层高温向内传导，导致陨石内矿物在高温下发生不可逆的物理化学变化形成；矿物升温后打破了晶格排列，虽未完全形成熔融的玻璃态，但在偏光显微镜下已经观察不到晶体的偏光特性。

在以往的熔壳研究，更多是从高温热的传导对熔壳内物质影响进行研究，忽略了冲击波和高压对陨石外层的作用；在冲击波的作用下陨石的表层和内部裂隙会快速熔融，熔融的液体在高压下更加快速的向陨石内部熔蚀，次生熔壳边部常发育熔融的裂隙，这是陨石“迎风面”快速分解剥离的重要原因（图6a、b、c、d）。通过参考资料，冲击波作用在固体物质上可以在作用深度上剧烈升高固体的温度，极大改变固体物质结构，呈几何级的提高物质活性[11]。而陨石进入大气层时的高速会在陨石的表层产生剧烈的激波。这可能也是造成陨石快速分解和剧烈空爆的重要原因。

经对次生熔壳内矿物电子探针成分分析（表1、2），曼桂陨石次生熔壳内的橄榄石、辉石成分发生了变化，综合来看橄榄石中的FeO、TiO2、MnO 含量均有不同程度降低。辉石中的FeO、TiO2、Cr2O3、MnO 有不同程度的降低。说明在高温下有部分橄榄石、辉石中的氧化物被高温还原了[3]。

4.2 次生熔壳内陨硫铁脉的成因

熔壳中陨硫铁细脉分布在矿物颗粒的裂隙中，在三维空间呈层状分布逐渐尖灭，在切片中围绕金属、陨硫铁、长石呈放射状密切分布。陨石降落后是以较快速度冷却，但不同矿物间熔点和膨胀系数不同，如图5 斜长石的膨胀系数随温度变化较橄榄石低（Thomas J. Ahrens 1995），在受热升温时所有矿物都在膨胀挤压很难形成裂隙，但在冷却收缩时则留下空间产生裂隙。陨硫铁的熔点相对于橄榄石和辉石较低，裂隙产生时熔融的陨硫铁还未凝固，导致熔融的陨硫铁扩散进入裂隙，最终冷却形成陨硫铁细脉。

4.3 曼桂陨石球粒的形成演化

球粒的形成演化和太阳星云的演化息息相关，通过恒星演化及宇宙年代学模型的计算机模拟，太阳产生于45.9 亿年前的一团氢分子云的快速坍缩。星云凝聚模型有汽——固凝聚和汽——液——固凝聚两种模式[9]；球粒的形成很可能是后一种模式的产物，当星云围绕原恒星运行时不断的向中心坠落，而狂暴的太阳风会把已经汽化的物质重新吹离太阳，在太阳的径向空间形成物质环流[5]。气态物质远离太阳后冷凝成一个个小液滴，这些液滴不断的碰撞融合，在融合过程中因为碰撞或坡印廷- 罗伯逊阻力，导致有的液滴重新向太阳靠近，而有的液滴在亚尔科夫斯基效应、太阳风、碰撞等外力的作用下继续远离太阳，液滴在不断的冷却，在运行中球粒穿过了星云分异形成的富集金属颗粒的区域。不断的吸集金属、基质物质，最终形成了曼桂陨石的母体。

球粒凝聚形成母体后，陨石母体会在内部能量（长、短周期放射性核素衰变能，元素的重力势能等）和外部能量（太阳风、磁暴、撞击等）的共同作用下发生热变质，前人经过对陨石内不同部位的样品研究，发现越靠近母体中心球粒的轮廓越模糊，热变质程度越高；越靠近边缘，球粒轮廓越清晰，变质程度越低。曼桂陨石作为L 型普通球粒陨石，球粒在陨石中的占比应在70%左右，但曼桂陨石中能分辨轮廓的球粒还不到陨石的30%，有大量的球粒已经完全重结晶。球粒作为陨石中较早凝聚的组分，其重结晶程度是陨石热变质程度判定的重要依据。前人研究普通球粒陨石岩石类型为6 型，6 型对应的后期热变质温度在750-950℃[6]。不同类型的球粒重结晶后的矿物结构各有不同，某些球粒物质和基质物质共同重结晶为硅酸盐矿物，说明两者在物质组成上有相似的地方，另外结合在热变质程度较低的普通球粒陨石的球粒内发现有球粒内基质的存在，也表明两者在形成上关系密切。

图6 熔壳的微区高倍率背散射图片

5 结论

根据对曼桂陨石熔壳和球粒特征的观察和成分分析得出以下几点认识：

5.1 样品中清晰观察到不同陨石矿物的分解熔融现象，垂直于熔壳向内发育的熔融裂隙大大加速了陨石外层熔融和剥离的速度。在陨石破碎和表层熔融过程中冲击波发挥着重要作用，加速了矿物裂隙的熔融分裂。熔壳内陨硫铁细脉的形成是由不同矿物膨胀系数不同，受热后快速冷却收缩形成裂隙，在冷却过程中由熔融的陨硫铁填充，最终冷却形成。

5.2 曼桂陨石次生熔壳内的橄榄石、辉石成分发生了变化，综合来看橄榄石中的FeO、TiO2、MnO 含量均有不同程度降低。辉石中的FeO、TiO2、Cr2O3、MnO 有不同程度的降低。说明在高温下有部分橄榄石、辉石中的氧化物被高温还原了。

5.3 曼桂陨石的陨石类型确定为L6型陨石，表明陨石经历了温度在750-950℃[6]后期热变质。热变质导致陨石内矿物重结晶，重结晶导致矿物成分更加均一。曼桂陨石球粒主要由炉条状球粒、斑状球粒、棒状橄榄石球粒、放射状球粒组成，球粒主要由橄榄石、辉石、长石组成，在球粒的长石颗粒内普遍存在次生铬铁矿集合体。球粒和基质在物质来源上可能存在同源性。