内蒙古林东普通球粒陨石的角砾特征

2020-08-18欧荣林缪秉魁黄丽霖班振瑶

桂林理工大学学报 2020年2期

欧荣林, 缪秉魁, 黄丽霖, 班振瑶

(桂林理工大学 a.广西隐伏金属矿产勘查重点实验室; b.陨石与行星物质研究中心;c.广西天体化学与行星科学院士工作站; d.行星地质演化广西高校重点实验室, 广西桂林 541006)

因母体小行星表面频繁地撞击作用而形成含有两个或两个以上不同岩性的角砾岩型陨石称为复矿角砾岩陨石, 如LL群普通球粒陨石角砾岩中包含的H5型球粒碎屑[1]以及在H群普通球粒陨石角砾岩中发现的CM2和LL5球粒陨石碎屑[2-3]。

陨石中角砾的形成一般与母体的吸积过程或后期撞击事件有关, 因此, 研究这些角砾对研究陨石母体的演化历史及小天体的撞击过程具有重要意义, 如陨石母体的吸积过程、母体的岩性、冲击变质历史、以及后期的压实和成岩固化等过程[4-5]。几乎所有的陨石母体在太空历史中都会遭受其他小星体的碰撞, 碰撞的速度有快有慢, 形成疏松多孔的表层角砾岩的碰撞速度相对低, 一般不低于1.3 km/s[6-7]; 但是要形成碎屑角砾岩或者表层角砾岩中含有熔融的岩石碎屑的碰撞速度相对高, 不低于4.5 km/s[8]。然而，碰撞作用形成的碎屑岩基质不同于球粒陨石中星云凝聚作用形成的基质[9-10]。

林东陨石是一块完全由角砾碎屑及基质组成的陨石, 被划分为LL5-6型普通球粒角砾岩陨石(https://www.lpi.usra.edu/meteor/metbull)[11]。从手标本新鲜面上即可看到大小不一、颜色不同的角砾和矿物碎屑镶嵌在基质中, 由此可以看出林东陨石的角砾类型非常丰富。普通球粒陨石中常见有角砾现象, 但角砾的含量低且类型单一，而林东陨石的角砾不仅含量高, 而且角砾岩石类型多样, 显然是由不同类型陨石撞击混合而成的。林东陨石丰富的角砾碎屑表明该陨石来自其母体表面, 为表土角砾岩。因此, 该陨石对了解普通球粒陨石母体表面的撞击历史具有重要意义。本文主要是分析角砾的岩石矿物学特征, 讨论角砾的陨石类型, 进而探讨该陨石母体发生的撞击历史及其表面的热变质作用。

1 样品和实验

林东陨石主体样品表面大部分覆盖有熔壳, 但熔壳出现斑驳状脱落, 样品总质量约18 kg。本次实验样品大小约27 mm×22 mm×8 mm, 质量15.6 g(图1), 该样品较新鲜, 破裂面呈灰白色, 局部呈浅褐色, 表明轻微风化, 其中可见黑色、灰色以及浅灰色的角砾碎屑, 约占样品的50%。由于样品较疏松且容易脱落, 因此, 先对其进行环氧树脂注胶, 待其硬化, 将注胶样品切割成切片, 最后制作成光薄片。在光学显微镜、扫描电镜、电子探针下观察岩石矿物学特征, 利用扫面电镜背散射图片(BSE)对该陨石的矿物模式含量进行统计。矿物的化学成分定量分析在桂林理工大学广西地质工程中心重点实验室完成, 采用JEOL-8230型电子探针, 实验条件:加速电压15 kV、束流20 nA, 用自然和合成矿物作标样, 测试结果分析数据采用ZAF法校正。

图1 林东陨石原石样品Fig.1 Lindong meteorite sample

2 岩石学特征

2.1 岩石整体结构

林东陨石具有十分明显的角砾结构, 陨石样品表面(图1)、背散射图像下(图2)均显示大小不等的角砾, 角砾的轮廓非常清晰, 边界轮廓非常容易分辨, 角砾有岩屑、矿物屑和球粒3种。陨石的矿物组成有橄榄石、低钙辉石、 Fe-Ni金属和陨硫铁, 再生长石和少量高钙辉石。在单偏光下, 碎屑之间基质不透明—半透明。本次工作把角砾和基质粒度界限人为设定为0.1 mm, 据此, 角砾和基质约各占一半, 总体Fe-Ni金属和硫化物约占4.1vol%。角砾轮廓浑圆度存在明显不均一性, 大多数角砾的棱角比较明显, 近似三角形或四边形, 浑圆度较差；少量为次棱角状, 边缘形状不规则, 浑圆度较好。角砾粒度和类型的分布不均匀, 表明岩石角砾分布不存在分选性。另外, 大部分球粒以角砾形式存在, 粒度大于0.1 mm, 少部分球粒或球粒碎片小于0.1 mm, 分布在基质中, 球粒的类型以炉条状橄榄石球粒为主, 斑状橄榄石球粒、放射状辉石球粒、斑状橄榄石辉石球粒为次。大部分球粒的轮廓清晰, 重结晶程度低, 部分球粒发生脱玻化形成辉石和长石微晶。

2.2 角砾的类型与特征

林东陨石具有结构复杂和类型多样的角砾, 不同角砾表现出强烈差异的性质, 如光学显微镜下有些角砾不透明, 有些透明; 在电子显微镜背散射电子图像(BSE)下, 角砾结构多样, 如球粒结构、轻微重结晶、强烈重结晶, 甚至无球粒结构。

为了给不同角砾编号,首先对薄片的BSE图像全拼图进行区域划分, 然后给每个角砾进行编号命名, 如图2横坐标网格以字母A→K标示, 纵坐标网格以数字1→10标示, 以角砾所在方格的横纵坐标表示, 如C8; 倘若一个方格中出现2个以上角砾时, 根据每个方格中角砾的面积由大到小在编号后再加序号, 如D1-2。根据结构、矿物组合和冲击变质特征等, 陨石中角砾被划分为LL5型、 LL4型、 LL冲击熔融型、 LL5型球粒、 LL3型球粒、 H5型和无球粒陨石型7种类型, 除了LL5型角砾含量大(41.7%，体积分数，下同)外, 其他类型角砾含量都在1%～2%, 无球粒陨石型角砾仅见1颗(0.5%)(表1), 不同类型角砾和基质的模式含量见图3, 不同类型角砾和基质的Fe-Ni金属及硫化物模式含量见图4。

图2 林东陨石薄片背散射电子图像全拼图Fig.2 BSE images of the Lindong meteorite thin section 图中代表性角砾编号通过二维字母和数字设定

图3 不同类型角砾和基质的模式含量直方图Fig.3 Histogram of different breccia types and matrix with their volumes matrix—基质; 其余类型编号见表1

图4 不同类型角砾和基质的Fe-Ni金属及硫化物模式含量直方图Fig.4 Histogram of different breccia type and matrix with Fe-Ni metal and sulfide pattern content

表1 不同类型角砾的岩石学特征Table 1 Petrological characteristics of different breccia

2.2.1 角砾类型1(LL5型, 如F7) LL5型角砾在林东陨石中含量最多(41.7%), F7是该类型的代表性角砾(图5)。在单偏光下, 该类型角砾呈浅色透明, 岩石学特征表现为主要由浅色矿物组成, 可见残留球粒结构, 如放射状辉石残余球粒和炉条状残余球粒, 球粒轮廓模糊, 大小分别为2.0和1.1 mm。大部分球粒和球粒间的基质发生了重结晶, 呈半透明—透明状; 陨石的矿物组合是橄榄石、低钙辉石、再生长石以及少量不透明矿物。橄榄石大小在50～100 μm, 最大粒径达到500 μm, 长石颗粒大小在10～150 μm, 大部分集中在20 μm。不透明矿物主要为Fe-Ni合金和陨硫铁, 呈细小浑圆状较均匀地分布在整个角砾中, 颗粒大小在1～100 μm, 个别可达到200 μm, 其中硫化物颗粒居多, 偶尔可见陨硫铁与Fe-Ni金属、铬铁矿集合体现象。F7角砾中出现脉状重结晶现象, 可能指示了该角砾也为角砾岩, 其中角砾间基质发生了重结晶。该类型角砾部分矿物颗粒发生不规则破裂, 橄榄石波状消光, 冲击程度为S2, 金属和硫化物附近有轻微的黄褐色, 风化等级为W2。

图5 LL5型角砾(F7)Fig.5 LL5 brecciaa—角砾中主要矿物成分为橄榄石、辉石、斜长石以及Fe-Ni金属和硫化物, 图中白色虚线区域内为富斜长石带; b—角砾局部放大, 可见大颗粒自形的橄榄石, 斜长石呈他形粒状, 粒径>20 μm。 ol—橄榄石; py—低钙辉石; pl—斜长石; rich-pl-v—富斜长石带

2.2.2 角砾类型2(LL4型, 如C8) 该类型角砾具有斑状结构(图6), 斑晶为橄榄石及少量辉石, 基质单偏光下为黑色不透明状。在C8角砾中, 可见一炉条状橄榄石残余球粒, 轮廓不清晰, 球粒大小约300 μm(图6d)。橄榄石斑晶自形程度高, 晶型轮廓非常清晰, 大部分呈长条状, 宽度大于40 μm, 长度可达400 μm。基质为细粒斑状结构, 斑晶为他形-半自形粒状橄榄石和辉石, 粒径<10 μm, 斑晶之间为隐晶质基质。在BSE图像下, 基质分布在橄榄石和辉石斑晶间隙中, 在高倍反光镜下可见基质中含有微米级大小的金属。不透明矿物主要为陨硫铁、少量Fe-Ni合金, 颗粒大小约1～20 μm, 二者常共生产出；斜长石颗粒大小≤2 μm。该角砾未发现冲击融脉, 少量橄榄石发生面状破裂, 波状消光, 冲击程度为S2, 金属和硫化物附近浸染轻微的黄褐色, 风化等级为W2。该角砾具有橄榄石晶体非常自形, 基质黑色，橄榄石TiO2含量高等特征。

图6 LL4型角砾Fig.6 LL4 brecciaa—C8角砾BSE图像; b—C8角砾局部放大, 大颗粒的橄榄石斑晶和辉石微晶; c—C8角砾单偏光图像, 可见透明的斑晶和黑色的基质; d—C8角砾中可见一残余的炉条状球粒

2.2.3 角砾类型3(LL冲击熔融型, 如D2) 该类型角砾在单偏光下几乎呈黑色, 为冲击熔融型角砾。角砾由于遭受到强烈的冲击熔融重结晶, 硅酸盐矿物发生了暗化, 表面发黑。少量浅色矿物为结晶程度较好的斑晶, 主要为橄榄石, 粒径约20～100 μm。其他暗色部分为玻璃质基质, 未发生脱玻化, 不透明, 在高倍镜下可见微米级大小的金属(图7)。同时, 在BSE图像下可见大量细小结晶物质, 为雏晶, 重结晶程度低, 在正交光下无光性反应, 主要由橄榄石和辉石微晶组成, 呈针簇状。陨硫铁大多数沿角砾的弧形边缘分布, 粒径<50 μm, 未发现Fe-Ni金属。

图7 LL冲击熔融型角砾(D2)Fig.7 LL impact melt brecciaa—角砾单偏光图像, 黑色基质和透明斑晶清晰可见; b—角砾BSE图像, 金属和硫化物富集在角砾边缘; c—大部分为橄榄石斑晶, 少量辉石斑晶; d—呈长条状的橄榄石斑晶中心析出辉石微晶, 微米级大小的金属充填在基质中。trl—陨硫铁

2.2.4 角砾类型4(LL5球粒型, E1) 该类型角砾是炉条状橄榄石球粒, 基质重结晶程度高，橄榄石斑晶占85%, 呈短柱状, 最大粒径约200 μm。在BSE图像下(图8), 大颗粒橄榄石未发现成分环带, 成分较均一; 且大部分橄榄石斑晶呈定向分布, 边界清晰, 自形程度高, 在正交光下消光位一致, 少量橄榄石为不定向分布, 消光位不平行分布。暗色部分为基质, 已发生较强烈的重结晶, 主要形成再生长石、高钙辉石以及细颗粒铬铁矿。BSE图像下可见再生长石填隙于橄榄石和辉石之间, 颗粒粒径为5～25 μm。铬铁矿呈长条间断状细脉镶嵌在大颗粒的橄榄石中或呈单颗粒充填在橄榄石与斜长石间隙中, 大小约1～5 μm。少量硫化物和金属不均匀地分布在整个角砾中。

图8 LL5球粒型角砾(E1)Fig.8 LL5 chondrite brecciaa—角砾BSE图像, 由橄榄石和少量基质组成; b—主要成分为橄榄石、少量高钙辉石、长石以及铬铁矿, 结晶顺序应为橄榄石—高钙辉石—长石—铬铁矿, 其中长石和铬铁矿填隙于二者的缝隙中; c—角砾单偏光图像; d—角砾正交偏光图像, 大部分橄榄石消光一致。chr—铬铁矿; high-ca-py—高钙辉石

2.2.5 角砾类型5(无球粒陨石型, D1-2) 该类型角砾仅发现1个, 具有粗粒粒状结晶或变晶结构(图9), 主要由浅色矿物以及少量不透明矿物组成。浅色矿物包括橄榄石、低钙辉石和斜长石, 自形程度均较高。最大橄榄石颗粒粒径约200 μm, 长石颗粒大小范围约30～100 μm。不透明矿物主要为陨硫铁和铬铁矿, 呈不规则状粒状随机分布在角砾中, 颗粒大小<70 μm, 其中硫化物颗粒居多, 不含Fe-Ni金属。橄榄石颗粒有轻微不规则破裂, 无冲击融脉, 正常消光, 冲击程度为S1。粗粒结晶结构和缺乏Fe-Ni合金表明, 该角砾为无球粒陨石角砾。

图9 无球粒陨石型角砾(D1-2)Fig.9 Achondrite brecciaa—角砾BSE图像, 具有致密的结晶结构或者高度重结晶结构; b—角砾正交偏光图像矿物斑晶粗大, 为粗粒结构

2.2.6 角砾类型6(LL3球粒型, 如D8) 为典型的炉条状球粒, 球粒结构清晰, 呈椭圆形, 由基质和斑晶组成(图10)。斑晶为彼此近似平行的橄榄石和辉石骸晶, 其间被残余的基质隔开, 橄榄石和辉石斑晶呈长条状, 断面为炉条状, 橄榄石和辉石斑晶在偏光镜下消光位完全一致, 为平行消光。基质呈暗色, 少量基质发生脱玻化, 析出少量斜长石微晶, 粒径<2 μm, 呈针状, 自形程度低, 多数基质未发生脱玻化, 为玻璃质基质。在高倍BSE图像下, 可见球粒中含有少量微米级大小的金属(0.5%), 充填在基质和斑晶中。与LL5型球粒相比, 这个类型的球粒基质轻度重结晶, 而前者基质强烈重结晶。

图10 LL3球粒型角砾(D8)Fig.10 LL3 chondrite brecciaa—角砾BSE图像, 球粒的轮廓清晰, 呈椭圆形; b—斑晶为彼此近似平行的橄榄石和辉石, 基质充填在二者间隙, 基质中含有少量的金属和硫化物; c—角砾单偏光图像, 橄榄石和辉石斑晶透明, 基质为暗色不透明; d—角砾正交偏光图像, 橄榄石晶体消光一致。max—基质

2.2.7 角砾类型7(H5型, 如K4) 该型角砾含量约4.2%。该类型角砾的典型特征是富含Fe-Ni金属和硫化物(图11), 根据BSE图像模式统计得出硫化物和Fe-Ni金属约占41.2%, 其中陨硫铁约占35.8%, Fe-Ni金属约占5.4%。从矿物组成上看，主要由橄榄石、辉石及硫化物和Fe-Ni金属组成, 并含有少量长石和铬铁矿。硅酸盐矿物斑晶镶嵌在硫化物和Fe-Ni金属之间, 斑晶主要为橄榄石和辉石, 呈半自形-自形产出; 基质呈半透明状, 中等程度重结晶。其中，硫化物呈不规则团块或细粒状分布在角砾中, 最大颗粒长轴直径可达220 μm, 大部分硫化物发生了破裂, 并且充填了浑圆状的硅酸盐矿物; 金属未发生裂隙或发生破碎, 最大颗粒长轴直径可达300 μm, 未发现硅酸盐充填; 铬铁矿呈浑圆状, 大小约50μm; 常见硫化物与Fe-Ni金属、铬铁矿两者共生。角砾未发现冲击融脉, 硫化物出现了破裂, 橄榄石可见面状裂理和波状消光, 冲击程度为S3, 在显微镜下, 可见金属和硫化物附近发生了黄褐色浸染和氧化边, 风化等级为W2。

图11 H5型角砾(K4)Fig.11 H5 brecciaa—角砾BSE图像, 角砾中富含硫化物和Fe-Ni金属, 硫化物裂隙中充填了硅酸盐矿物; b—部分Fe-Ni金属和硫化物发生了地球风化作用, 黄色虚线区域内为氧化边, 陨硫铁内的细脉为氧化脉。Fe-Ni—铁镍合金; Oe—氧化边; Ov—氧化脉

3 矿物化学特征

对林东陨石7种不同类型角砾和基质碎屑的主要矿物橄榄石、低钙辉石进行了系统的化学成分定量分析, 不同角砾和基质碎屑随机选取了2～28处进行电子探针分析, 分析结果见表2、表3。

3.1 橄榄石

各种角砾类型和基质均出现了橄榄石, 而且在这些产状中均为主要矿物, 为了判断各种角砾的岩石类型和研究其间的关系, 对不同产状的橄榄石进行了电子探针分析, 其代表性电子探针成分列于表2。经过对比分析, 发现这些角砾和基质的橄榄石具有如下成分特征:

(1)虽然不同角砾和基质的橄榄石成分总体上比较接近,但是个别元素表现出一些差异。

(2)在MgO和FeO值上, 除类型7角砾的橄榄石FeO含量略微偏高外, 其平均Fa值(摩尔分数, 下同)为29.8%, 其他角砾(包括无球粒陨石型)非常接近, 其平均Fa值在29.1%～29.4%(表2、图12), 其PMD值(相对标准偏差)均小于2.5%。另外, 在同一类型角砾中, 角砾之间的橄榄石成分也基本相同, 以类型1角砾为例, 其Fa值变化在28.6%～29.5%。

图12 林东陨石不同角砾类型和基质橄榄石Fa值与低钙辉石Fs值分布Fig.12 Fa value of olivine and Fs value of low-Ca pyroxene in different breccias and matrix of Lindong meteorite

(3)各类型角砾的分布范围具有一定程度的交汇,MnO值的分布几乎相同(图13a); 但类型1(LL4型)角砾、类型6(LL3球粒型)角砾和类型7(H5型)角砾表现出Cr2O3和CaO明显偏高特征(图13b、 c); 类型2(LL4型)和类型4(LL5球粒型)角砾中具有明显的高TiO2含量(图13d); 类型3(LL冲击熔融型)角砾含有相对较低的Cr2O3、 TiO2、 CaO值。

(4)基质橄榄石的FeO含量总体比角砾橄榄石的要偏低, 平均Fa值为28.6%; TiO2含量明显高于角砾(表2、图13d)。

图13 林东陨石不同类型角砾和基质的橄榄石微量元素成分分布Fig.13 Distribution of minor elements in olivine from different types of breccia and matrix of Lindong meteorite

表2 林东陨石不同类型角砾和基质橄榄石电子探针分析结果Table 2 Representative electron probe analysis of olivine from different breccia and matrix of Lindong meteoritewB/%

(5)所有橄榄石中NiO、 Al2O3、 Na2O和K2O平均含量均低于0.1%, 无明显变化特征(表2)。

3.2 低钙辉石

作为角砾和基质的主要矿物,通过电子探针对不同产状低钙辉石进行了详细的成分分析。通过数据分析(表3、图14)发现, 不同类型角砾和基质的低钙辉石成分具有如下特征:

图14 林东陨石不同类型角砾和基质的低钙辉石微量元素成分分布Fig.14 Minor elements composition of olivine and low-Ca pyroxene in different breccias and matrix of Lindong meteorite

表3 林东陨石不同类型角砾和基质低钙辉石电子探针成分Table 3 Representative electron probe composition of low-Ca pyroxene from different breccia and matrix of Lindong meteoritewB/%

(1)与橄榄石类型相似,低钙辉石总体成分在各类型角砾和基质上的分布范围相近,如从角砾类型1～7，再到基质, 低钙辉石的平均Fs值(摩尔分数，下同)分别为24.1%、 23.9%、 23.7%、 24.3%、 24.6%、 24.3%、 24.2%、 23.5%, 但基质中的低钙辉石Fs值(平均值为23.5%)比角砾中的低钙辉石Fs值(平均值为24.1%)整体偏小(图12)。另外, 各类型Fs值的相对标准偏差存在较大的变化,PMD为0.9%～4.5%, 而且与对应角砾的橄榄石Fa值PMD要大, 但是类型5(无球粒陨石型)角砾橄榄石Fa和低钙辉石Fs的PMD均不同于其他角砾和基质。

(2)Cr2O3含量: 类型4、类型6、类型7角砾的低钙辉石Cr2O3含量相对较高, 变化范围大, 平均含量(质量分数)分别为0.36%、 0.23%和0.35%; 类型1角砾低钙辉石中Cr2O3含量变化较大, 但平均值偏低(0.17%); 其他类型角砾Cr2O3含量较低, 均在0.10%以下。

(3)TiO2含量:类型1、类型2和类型4低钙辉石TiO2含量相对较高, 平均含量均超过0.30%; 类型3和类型7角砾TiO2含量中等, 为0.27%; 类型6角砾TiO2含量为0.20%; 类型5角砾TiO2含量最低, 为0.16%。

(4)Al2O3含量:类型7角砾低钙辉石中的含量最高, 为0.67%; 类型1、类型4和类型6角砾中低钙辉石的含量中等, 介于0.19%～0.36%; 而类型2、类型3和类型5较低, 在0.11%～0.14%。

(5)MnO含量:所有角砾低钙辉石成分较为相近, 均在0.40%～0.48%。

(6)基质中低钙辉石成分的主量MgFe质成分和微量元素成分均介于各种角砾类型成分之间。

4 讨论

4.1 林东陨石类型划分

对于球粒陨石, Van Schmus等[12]在1967年最早提出了化学-岩石学分类体系, 主要通过陨石中的总铁量、 Fe-Ni合金和陨硫铁的丰度来划分化学群; 同时根据陨石的结构构造和岩石学特征来划分陨石的岩石类型。由于林东陨石是球粒陨石混合角砾岩, 本文结合不同岩石角砾的比例, 对林东的陨石类型进行综合评估和讨论。

4.1.1 角砾的岩石类型分析据上述角砾的岩矿特征分析发现, 虽然不同角砾的橄榄石和低钙辉石的SiMgFe质成分很相近, 但是这些角砾的岩石结构和矿物组合存在明显的差异, 表明这些角砾属于不同的陨石类型。因此, 单凭主要矿物的成分去判定角砾的陨石类型不太合适, 但可以作为一定的参考依据。因此,本文主要根据角砾的岩石结构、矿物组合对角砾的岩石类型及其母体陨石类型进行分析和讨论。

(1)角砾类型1—LL5型(如F7): 该类型角砾呈现残余球粒结构, 具有橄榄石、低钙辉石、 Fe-Ni合金和硫化物等矿物组合, 表明其属于普通球粒陨石。该角砾基质为中等程度重结晶, 再生长石颗粒大小以2～50 μm为主, 少数颗粒在100 μm左右; 主要矿物成分均匀, 橄榄石Fa和低钙辉石Fs的PMD值分别为1.4%和2.1%, 这些特征表明角砾类型1的岩石类型符合5型。另外, 该类型角砾橄榄石平均Fa值(摩尔分数，下同)为29.1%, 低钙辉石的平均Fs值为24.1%, 另外其Fe-Ni金属和硫化物的含量低(3.6vol%), 橄榄石和低钙辉石的MgFe质和金属含量值均落在普通球粒陨石LL群的范围之内[13-16]。因此,将角砾类型1划分为LL5型普通球粒陨石。另外, 橄榄石和辉石具有波状消光现象, 并具有不规则破裂面, 表明其冲击程度为S2。Fe-Ni金属和硫化物附近有轻微的黄褐色, 未发现明显的氧化边, 表明其风化等级为W2[17]。

(2)角砾类型2—LL4型(如C8): 该类型角砾含>70vol%的橄榄石斑晶, 斑晶轮廓非常清晰, 均呈自形。根据高丰度的橄榄石含量, 该角砾陨石与富橄榄石无球粒陨石存在一定的相似性[18], 但如下特征排除了富橄榄石无球粒陨石的可能: ①存在残余球粒结构不同于富橄榄石无球粒陨石的中-粗粒等粒结构[18]; ②该角砾中橄榄石的Fa值为28.3%～29.9%, 平均值为29.4%; 低钙辉石Fs值为23.0%～24.8%, 平均值为23.9%, 均小于富橄榄石无球粒陨石中橄榄石Fa(30%～35%)和斜方辉石Fs值(28%～31%)。该类型角砾具有残余球粒结构, 主要由橄榄石斑晶、少量低钙辉石、斜长石以及Fe-Ni金属和硫化物组成。从矿物组合和结构特征看, 表明该角砾为典型的球粒陨石。其橄榄石成分平均值Fa=29.4%和低钙辉石平均值Fs=23.9%以及Fe-Ni金属和硫化物的模式含量(2.8 vol%)均落在了LL群普通球粒陨石范围之内, 表明其为LL群普通球粒陨石。其橄榄石和低钙辉石成分均达到了平衡(PMD<5%), 基质重结晶程度较低, 斜长石颗粒粒径≤2 μm, 因此, 其岩石类型应划分为4型。角砾未发现冲击融脉, 少量橄榄石发生面状破裂, 波状消光, 冲击程度应为S2。硅酸盐矿物附近浸染轻微的黄褐色, Fe-Ni金属和硫化物未发现氧化边, 其风化等级应为W2。因此, 该角砾被划分为LL4型普通球粒陨石。

(3)角砾类型3—LL群冲击熔融型(如D2):D2角砾主要以橄榄石斑晶为主, 含极少量低钙辉石, 其他组分为基质和少量硫化物。该角砾可能为熔融再结晶的橄榄石球粒, 其依据是:①整个角砾在单偏光下几乎均为黑色, 为冲击过程中硅酸盐矿物发生暗化所致; ②具细粒斑晶结构, 大多数斑晶为橄榄石, 基质重结晶程度较低; ③角砾具有弧形边缘, 弧形边富金属硫化物, 颗粒粒径<5 μm, 另外一边为锯齿状, 为破碎的球粒边缘。根据矿物成分分析, 该角砾的橄榄石(Fa=28.8%～30%, 平均29.4%)和低钙辉石(Fs=22.8%～24.5%, 平均23.7%)成分均落在了LL群普通球粒陨石的范围之内。因此, 判定该角砾的陨石类型为LL群冲击熔融角砾。

(4)角砾类型4—LL5球粒型(如E1):E1角砾为炉条状橄榄石球粒, 球粒的轮廓较清晰, 表明其应为球粒陨石型角砾。斑晶主要由橄榄石和低钙辉石组成, 基质为中等程度重结晶, 无玻璃质基质, 斜长石颗粒大小主要集中在5～25 μm, 并且橄榄石的Fa值相对标准偏差(PMD)为2.2%, 低钙辉石Fs值的PMD为4.5%, 表明其岩石类型应为5型。电子探针数据显示, 橄榄石Fa值范围为28.0%～30.0%, 平均值为29.2%；低钙辉石Fs值范围为23.5%～25.0%, 平均值为24.3%； Fe-Ni金属和硫化物模式含量<1vol%, 成分落在了LL群普通球粒陨石的范围之内。因此, 该角砾类型应为LL5型普通球粒陨石，橄榄石正常消光, 不规则破裂, 冲击程度为S1。

(5)角砾类型5—无球粒陨石型(如D1-2):D1-2角砾在矿物组成、以及矿物成分上与其他角砾的非常接近, 如橄榄石平均Fa值为29.3%, 低钙辉石平均Fs值为24.6%, 陨硫铁的模式含量为6.8vol%。但是它不具有球粒结构, 为粗粒粒状结晶或变晶结构, 橄榄石自形程度非常高, 斜长石颗粒粒径≥50 μm。因此, 这个角砾明显不同于球粒陨石型角砾:①粗粒结晶结构表明它很有可能为无球粒陨石; ②该角砾在岩石结构上与原始无球粒陨石Acapulkoite-Lodranites相似, 但在矿物组合和化学成分上有差别, 缺少了Fe-Ni金属、磷灰石和石墨等, 并且橄榄石Fa值和低钙辉石Fs值均高于原始无球粒陨石Acapulkoite-Lodranites; ③该角砾与Winonaites大致具有相似的矿物组成, 但Winonaites矿物成分介于E和H球粒陨石之间, 并且普遍富含Fe-Ni金属和FeS脉。

(6)角砾类型6—LL3球粒型(如D8): D8角砾是一个典型球粒。它的橄榄石平均成分(Fa=29.2%)、低钙辉石平均成分(Fs=24.3%)、金属含量低(0.5vol%)等表明其为LL群普通球粒陨石。该角砾的球粒结构非常清晰, 球粒中辉石矿物主要以单斜辉石为主, 基质多为玻璃质, 少量发生脱玻化, 几乎不含次生长石, 这些角砾的结构特征指示该角砾的岩石类型为3型。因此, 该角砾的类型被划分为LL3球粒。

(7)角砾类型7—H5型(如K4): 该角砾与其他角砾具有显著差别, Fe-Ni金属和硫化物含量较高(41.2vol%), 其中陨硫铁占35.8vol%, Fe-Ni金属占5.4vol%。虽然结构上没有出现球粒, 但是矿物组成和重结晶结构表明该角砾为球粒陨石。虽然该角砾中橄榄石平均成分(Fa=29.8%)和低钙辉石平均成分(Fs=24.2%)落在LL群范围, 但是其Fe-Ni金属模式含量(5.4vol%)介于普通球粒陨石H群范围之内(3vol%～8vol%), 并且硫化物和Fe-Ni金属总模式含量(41.2vol%)也落在了球粒陨石H群范围之间(40vol%)[13]。根据矿物组成考虑, 该角砾的全岩成分显然落在H群范围, 因此,将该角砾划分为H群。另外, 该角砾中的橄榄石和低钙辉石成分比较均一, 斜长石颗粒大小集中在20 μm, 该角砾的岩石类型属于5型。因此, 该角砾的陨石类型被划分为H5型普通球粒陨石。橄榄石具有面状破裂和波状消光, 冲击程度为S3, 在显微镜下, 可见金属和硫化物附近发生了黄褐色浸染和氧化边, 风化等级为W2。

4.1.2 陨石母体类型划分表土角砾岩是指在母体小行星表面形成的复矿碎屑角砾岩, 以较小天体撞击的机械粉碎为主, 受到太阳风的辐射富集稀有气体, 并可能含有冲击熔融角砾和外来物质[5, 19]。林东陨石为表土角砾岩的证据有: ①整体是角砾, 具有典型的角砾结构; ②基质破碎, 整体松散;③具有大小不等、颜色不同的角砾, 角砾类型丰富; ④角砾边界清晰, 棱角分明, 并具有复合角砾。林东陨石的形成过程为:陨石母体表面经历了各种小天体的反复撞击导致母体表层基岩发生强烈破碎并因此混合有多种角砾碎屑而后逐渐压实固结成岩, 最后经一次大的撞击事件脱离了母体。一般来说, 相对于体积较大的陨石母体, 外来撞击陨石角砾的含量相对较低, 因此陨石母体中数量最多的角砾类型应代表该陨石母体的陨石类型。根据岩石矿物学分析以及BSE全拼图统计(图2), LL型的角砾类型含量所占的比例最大(约占47.4vol%), 所含角砾的陨石类型有:LL5型角砾、 LL4型角砾、 LL冲击熔融型角砾、 LL5球粒型角砾、无球粒陨石型角砾、 LL3球粒型角砾、 H5型角砾, 并且主要以LL5型角砾为主(约占41.7vol%)。因此, 林东陨石母体应为LL5普通球粒陨石。

4.2 林东陨石冲击历史与成因

上述林东陨石不同类型角砾的特征研究表明,林东陨石已发现了7种角砾类型,充分证明该陨石来自其母体表面,为表土角砾岩。同时,这些复杂多样的角砾类型也证明林东陨石母体经历了复杂的撞击历史。假如每次撞击体属于不同的陨石类型,那么陨石母体每发生一次撞击事件,其表层应该增加一种角砾类型。现在林东陨石中已经发现了7种岩石类型的角砾,排除陨石母体受撞击破碎而成为其中一种角砾类型外,林东陨石的角砾形成至少需经历6次撞击事件,也就是说,林东陨石7种类型角砾至少代表了6次撞击事件。

既有球粒陨石也有无球粒陨石, 既有LL群又有H群, 既有非平衡3型也有平衡型5型。一般来说, 虽然球粒陨石在岩石结构、矿物学、总体化学成分以及同位素方面存在一定的相似性和共性, 但不同球粒陨石化学群代表了不同的母体来源, 因此, 这些化学群在岩石学、矿物学、化学成分和同位素成分特征会存在一定差异[18, 20]:如H群、 L群和LL群, 橄榄石和低钙辉石受Prior定律影响, 它们Fa和Fs产生相应的变化, 从H群—L群—LL群, Fa和Fs逐渐增高, 如Fa值的变化H(17.3%～20.2%)—L(23.0%～25.8%)—LL(26.6%～32.4%)。然而, 林东陨石的角砾从结构和矿物组成表现出强烈差异, 说明这些角砾属于不同类型陨石, 有些甚至是不同化学群。但是, 这些不同类型的角砾在橄榄石和低钙辉石矿物主要成分(Si、 Mg、 Fe)上非常相近, 如：(1)它们的橄榄石MgFe质成分非常相近, Fa值在28.0%～30.4%, 尤其是H5型角砾和无球粒陨石角砾; (2)低钙辉石MgFe质成分在不同角砾之间几乎没有太大变化, Fs值介于22.8%～24.8%, 这些成分均分布在LL群范围内[12, 14]; (3)橄榄石和低钙辉石颗粒之间成分相对均一; (4)单个橄榄石和低钙辉石颗粒没有明显的成分环带。

但是值得注意的是, 橄榄石和低钙辉石在微量元素成分上,还是存在较明显的差异, 主要是Cr2O3、 TiO2、 Al2O3等。(1)橄榄石成分对比表明, 角砾类型1、类型6和类型7具有较高的Cr2O3和TiO2含量, 而角砾类型2和类型4具有较高的TiO2含量; (2)低钙辉石成分对比表明, 角砾类型4、类型6和类型7具有较高的Cr2O3含量, 而角砾类型1、类型2和类型4具有较高的TiO2含量, 只有类型7具有相对高的Al2O3。

为什么这些不同类型或群的角砾具有如此相近的橄榄石和低钙辉石的主要元素成分特征? Prior定律认为主要硅酸盐矿物中FeO含量与母体环境的氧化程度是正相关关系, 因此, 这种现象似乎与Prior定律相矛盾。难道这些角砾是陨石母体的不均一性原因造成的?该陨石是强烈的角砾状结构, 显然不同于普通的球粒陨石, 如前文讨论该陨石为母体表面的表土角砾岩, 它是陨石母体表面多次撞击作用的结果。陨石母体不均一性原因可以解释部分角砾结构和矿物组成存在差异而矿物成分相同的现象, 但是无球粒陨石结构现象完全可以不同于其他球粒陨石角砾, 显然是外来的。因此, 陨石母体不均一性无法解释全部角砾矿物成分相同的现象。该陨石不同类型角砾的橄榄石和低钙辉石与其来源母体发生了镁铁质成分交换, 即成分平衡作用。岩石结构和矿物组合是陨石类型划分最重要的参数和证据, 一般而言, 不同陨石类型, 尤其是不同氧化还原程度的陨石, 镁铁质矿物成分应该存在明显差异。但是, 林东陨石中的H群角砾具有LL群矿物成分就是林东陨石不同角砾与主岩LL型母体发生了MgFe质成分平衡交换的有力证据。

矿物平衡交换作用的条件是一定的温度条件。为林东陨石母体表面产生矿物成分平衡的热力学机制有两种可能性:冲击变质作用和母体热变质作用。林东陨石的角砾结构和多种类型角砾的存在, 证明了母体经历了复杂撞击历史, 另外, 其中也有LL撞击熔融型角砾也说明了冲击变质作用。但是, LL撞击熔融型角砾数量不多, 说明没有发生广泛的产生矿物成分平衡均一化的冲击熔融事件。

球粒陨石不同岩石类型研究表明, 随着岩石类型从3型到6型, 橄榄石和低钙辉石的MgFe质成分也就趋于平衡, 其中3型球粒陨石PMD>5%, 橄榄石和低钙辉石颗粒存在强烈的成分环带, 而4型—6型球粒陨石中,PMD<5%, 橄榄石和低钙辉石颗粒MgFe成分是均一的。球粒陨石主要矿物成分平衡均一化的原因是球粒陨石母体的热平衡作用。因此, 本文认为母体的热变质作用是最可能的原因。橄榄石和低钙辉石中MgFe质在热变质条件下易于迁移, 而微量元素Cr、 Ti、 Ca等元素在不同角砾中还存在一定差异可能是这些元素相对惰性造成的。由于林东陨石为表土角砾岩处于母体的表层, 理论上变质温度比较低, 难以形成平衡型球粒陨石。如果林东陨石是因为母体位置日心距很小, 环境温度高, 从而造成不同角砾矿物成分平衡作用的话, 林东陨石的深入研究对了解小行星母体环境和位置具有重要意义。