中国科学D辑SCIENCE IN CHINA2000　Vol.30　No.2　P.123-127

球粒陨石天然和实验冲击特征对小行星冲击事件P-T条件的启示

谢先德　陈鸣　戴诚达　A.El Goresy

摘要　通过对球粒陨石的天然和实验冲击特征加以比较,探讨用实验结果来校正H-和L-群球粒陨石天然冲击特征的可行性.实验中对吉林陨石(H5)样品施加的冲击载荷分别为12,27,39,53,78,83,93和133 GPa.当压力大于78 GPa时球粒陨石质熔体开始产生,压力达133 GPa时形成占体积约60%的熔体.在所有受冲击样品中,无论在陨石的变形区或熔融区,均未发现高压相矿物.实验冲击样品的结构特征和矿物组合可与天然受强烈冲击岩庄陨石(H6)相比较,但显然与天然受强烈冲击的L6球粒陨石不相同.L6球粒陨石冲击脉体包含橄榄石和辉石的高压多型以及高压液态相.
关键词　球粒陨石　实验　冲击特征　小行星　P-T条件

　　根据陨石冲击成因脉体的产状和矿物组合,受强烈冲击球粒陨石能被划分为两种类型.类型1陨石冲击脉体(宽度达10 mm)含有两种高压相组合:(1) 在冲击压缩期间橄榄石和辉石发生固态相转变形成的高压相组合,如林伍德石、瓦士莉石和镁铁榴石,这些高压相以粗粒多晶碎屑产出[1～5]; (2) 由于在高压下发生冷却而从硅酸盐熔体中以液态相形式结晶的镁铁-镁铝榴石+ 镁方铁矿组合(如寺巷口L6球粒陨石,寺巷口类型),高压相以微粒状产出[4],L6 Tenhan球粒陨石脉体含有石榴子石+磁铁矿组合,而L6 Peace River球粒陨石脉体的细粒基质由石榴子石+林伍德石+瓦士莉石组成[2,5].类型2陨石含有冲击产生的熔体瘤和脉体,一些受强烈冲击的H6球粒陨石(如岩庄陨石,岩庄类型)中的熔体瘤粗达数厘米,而脉体宽达10多毫米.熔体瘤和脉体的细粒基质不含高压相,由淬火橄榄石和辉石的树枝状微晶、铁镍-陨硫铁共结团粒和玻璃相基质等组成[1].很明显,以上两种类型球粒陨石冲击熔体形成期间的P-T条件是完全不同的.与寺巷口类型熔体脉相比较,岩庄类型熔体物质显然是在压力释放后从冲击产生的熔体中固化结晶的.在本研究中我们探讨这样一个重要问题:球粒陨石的冲击实验结果是否能合适地用于解释和推断L- 和H-球粒陨石中的不同冲击特征.

1 样品准备

　　两个特殊陨石,吉林(H5)和岩庄(H5-6)球粒陨石,被用于该研究.按照Stöffler等人[4]的球粒陨石冲击分类,吉林陨石经受的冲击压力＜15 GPa.既然吉林陨石仅遭受过较弱的冲击变质(冲击阶段S2～3),因而它是进行冲击实验和探讨实验冲击特征的理想样品.由于岩庄陨石在一次宇宙冲击事件中遭受了非常严重的冲击变质[1,6],它在该研究中被用于调查天然的冲击效应.按照球粒陨石冲击分类[4],岩庄陨石的冲击阶段为S6.
　　Dai等人[7]曾成功地利用二级轻气炮进行了陨石的冲击回收实验.吉林陨石样品在冲击实验中经受的峰压分别为12,27,39,53,78,83,93和133 GPa.这些冲击实验的压力明显要比Sears等人[8]和Schmitt等人[9]以Kernouve H6 陨石为样品的冲击实验压力(达60 GPa)更高.Dai等在其先前的研究工作中制作了一批吉林陨石冲击实验样品的抛光薄片并作了初步观察,在本研究中我们再次详细地分析了这些薄片.岩庄陨石样品同样被制成抛光薄片.利用MPV-SP光学显微镜、带Link-ISIS300能谱分析系统的扫描电子显微镜(SEM),以及透射电子显微镜(TEM)等分析技术,对岩庄陨石和吉林陨石样品作了岩石和矿物学研究.

2 结果

2.1 冲击载荷吉林陨石样品的冲击特征
　　在峰压12 GPa时,岩石和矿物发生碎裂和变形.硅酸盐矿物包括橄榄石、辉石和长石出现强烈的波状消光和面状裂隙.在27 GPa时,橄榄石和辉石颗粒发育3到4组面状裂隙和较弱的镶嵌状结构,少于或等于10%的长石颗粒转变为击变玻璃.在39 GPa时,橄榄石和辉石颗粒中产生粒度约为10～20μm的强烈镶嵌状结构,约30%的长石转变为击变玻璃.
　　在53 GPa时,全岩被强烈破碎或角砾化.橄榄石和辉石镶嵌结构以及长石击变玻璃广泛发育(图1(a)).约60%的长石转变为玻璃态.初始冲击成因脉体和冲击瘤形成,脉体和瘤中的金属和陨硫铁被熔融并产出为珠球状颗粒,橄榄石和辉石被碾碎成微米级大小的微粒并发生了部分熔融(图1(b)).图1 吉林陨石的BSE 图像(冲击压力53 GPa)
(a) 橄榄石(Olv)和辉石(Pyx)中镶嵌状结构和长石击变玻璃(Gls)广泛发育,
(b) 初始冲击脉体(Vein)由长石玻璃(Gls)
金属和陨硫铁珠球(亮灰色)以及发生部分熔融的细粒橄榄石和辉石碎屑组成

　　在78～83 GPa时,70%的全岩破碎成粒度小于30μm的颗粒,橄榄石和辉石的光学双折射率明显降低,全部长石转变成熔体玻璃.在SEM的背反射电子(BSE)图像上,我们观察到长石熔体玻璃沿着橄榄石和辉石中的裂隙和解理渗透分布的现象.冲击成因的硅酸盐熔体脉和瘤(图2(a))在这个压力范围开始形成.微结构证据显示,熔体脉和瘤中的所有硅酸盐包括橄榄石和辉石都发生了熔融(图2(b)).化学分析揭示,硅酸盐熔体脉的化学成分与吉林陨石化学成分相同(表1),这表明陨石局部发生了全岩成分的熔融.在78 GPa,约15%的全岩熔融产生; 而在83 GPa,我们观察到约20%的全岩被熔融.

图2 吉林陨石的BSE 图像(冲击压力83 GPa)
(a) 冲击产生的硅酸盐熔体瘤(Melt)及橄榄石和辉石碎屑,
(b) 冲击产生的硅酸盐熔体玻璃和发生部分熔融的橄榄石碎屑

表1 吉林陨石和冲击熔体的平均成分a)

序号

冲击压力/GPa

分析数

SiO2

TiO2

Al2O3

Cr2O3

FeO

MnO

MgO

CaO

K2O

Na2O

总计

1

未受冲击

50.28

0.28

2.81

0.54

10.60

0.39

31.35

2.55

0.15

1.15

100.00

2

83

5

50.61

0.16

2.79

0.70

11.35

0.41

30.67

1.72

0.14

0.38

98.93

　　a) 1为引自王道德等人[10]的吉林陨石分析结果并扣除了金属和陨硫铁以及重新计算为100％后得出的化学成分,2 是利用EDS技术对不含金属和陨硫铁区域的冲击产生的硅酸盐熔体玻璃分析后得出的平均化学成分
　　在93 GPa时,约80％的全岩被碎裂为小于20μm的颗粒,其中小于5μm的微粒达40%.通常产生被裂碎的橄榄石和辉石碎屑“浸泡”于长石熔体玻璃中的现象,这表明斜长石熔体在高压高温下具有较大的流动性.约30%的全岩发生了熔融.大部分冲击成因的硅酸盐熔体产出为“玻璃态”,但我们仍然发现了这种熔体固化结晶的证据.研究还发现一些熔体瘤由橄榄石和辉石细条状或树枝状微晶(1～3μm)、金属、陨硫铁和硅酸盐熔体玻璃相等组成.这些细粒的低压相组合,即橄榄石+辉石,是从冲击产生的硅酸盐熔体中结晶的,属于液态相.
　　冲击载荷达133 GPa的样品发生广泛的熔融,熔体体积占60%以上.受冲击样品通常由强烈角砾化的硅酸盐碎屑和熔体玻璃相混合物(图3(a))或含硅酸盐矿物碎屑的熔体瘤(图3(b))等构成.大部分橄榄石和辉石碎屑展示非常低的双折射率或均质的光学性质,这表明其矿物结构遭受了强烈的破坏.

图3 吉林陨石的BSE 图像(冲击压力133 GPa)
(a) 冲击产生的硅酸盐熔体玻璃粘结了发生部分熔融的硅酸盐碎屑橄榄石和辉石;
(b) 熔体瘤中含橄榄石碎屑, 熔体瘤中的亮灰色点是金属和陨硫铁颗粒

　　冲击载荷从12到133 GPa的所有样品中,均没有发现橄榄石和辉石发生固态高压相转变,没有发现橄榄石发生崩解反应生成镁方铁矿+钙钛矿结构相的相组合,也没有发现硅酸盐熔体中有高压液态相形成.
2.2 天然受冲击岩庄陨石的冲击特征
　　天然受冲击球粒陨石通常出现非平衡的冲击效应.受岩庄陨石展现的天然冲击变形特 征[11]可与吉林陨石实验冲击样品比较.在岩庄陨石中,我们观测到4个冲击变质区:(1) 占陨石总体积约40%的弱变形球粒陨石区,硅酸盐矿物发育多组面状裂隙和弱的镶嵌状结构; (2) 占体积约20％的角砾化球粒陨石区,硅酸盐矿物碎屑粒度小于15 ?m,橄榄石和辉石发育强烈的镶嵌状结构,长石转变为击变玻璃; (3) 占体积约10％的部分熔融、重结晶和角砾化球粒陨石区,在靠近冲击熔体脉附近区域的长石转变为熔体玻璃相(图4(a)); (4) 占体积约30％的冲击熔体脉(宽度达15 mm)和熔体瘤,熔体脉和熔体瘤由粒度小于5μm的自型状或树枝状橄榄石和辉石微晶、再结晶的橄榄石和辉石多晶碎屑、铁镍-陨硫铁共结团、和玻璃相等组成(图4).在熔体脉和熔体瘤中,从熔体中结晶的低压液态相组合是橄榄石+辉石(图4(b)).在上述4个冲击变质岩石单元中,既未发现橄榄石和辉石发生固态高压相转变,也未发现任何高压液态相.

图4 (a) 天然受冲击岩庄陨石的BSE 图像,
(b) 岩庄陨石的TEM 亮场图像

3 讨论

　　吉林陨石冲击载荷53 GPa以下样品的冲击特征可与Schmitt 和 Stöffler进行的60 GPa以下冲击实验结果[9]相比较,并可与 Sears等人[8]在 Kernouve陨石进行的40 GPa冲击实验结果相比较.此外,值得注意的是,在对Leedey L6球粒陨石进行高达70 GPa的冲击载荷实验时,它既未能形成任何高压相,又未能产生全岩组分的熔融[12].
　　吉林陨石冲击实验产生的变形特征与岩庄陨石中的4个冲击变质区相类似并能加以比较.但这些冲击特征与在受强烈冲击L6球粒陨石中看到的现象有明显的不同[1～5].尝试利用吉林陨石冲击实验样品中发现的类似特征去校正岩庄陨石中的冲击变形特征显然是合理的.然而,要对实验结果作任何进一步的评价,并将其应用于推断球粒陨石冲击事件的峰压范围时,以下问题必须加以强调:(1) 既然受强烈冲击的L-和H-群球粒陨石包含冲击熔体脉,那么在寺巷口和岩庄两种陨石类型脉体中遇到的前者含高压相、后者只含低压相组合的产状差异是由于冲击峰压范围的差异(即动力学效应?),或是由于寺巷口类型(Mg/Fe = 0.66,Fe/Si = 1.09)和岩庄类型(Mg/Fe = 0.50,Fe/Si = 1.64)的总体化学组成差异,或由于数种因素的综合作用? (2) 既然受强烈冲击L-群球粒陨石中高压液态相的存在表明冷却期间的高压持久度较长[2,5],而受强烈冲击的H-群球粒陨石中无高压相存在表明冷却时期高压持续时间较短和冷却速率较快[6],那么,是否L-球粒陨石质小行星比H-球粒陨石质小行星受更大的冲击体所轰击? (3) 吉林陨石中实验产生的冲击效应是否明确表明实验和天然事件具有相同的P-T条件? 正是由于必须考虑以上这些未知参数,我们认为,如果将毫米级样品的实验冲击变形特征用于比较发生在千米级小行星上的变形特征,很可能会忽视值得考虑的冲击体规模比例问题.
　　L- 和H-群球粒陨石冲击熔体脉的矿物组合类型差异以前未被注意[1,4].然而,陨石冲击熔融发生的同时,前者出现高压相组合,后者只出现低压相组合,表明了受冲击的球粒陨石质小行星在P-T条件和冲击事件持久度的明显差异.为了估计冲击熔体脉和其他陨石区域的物理参数、结构和化学变化,要求对寺巷口类型和岩庄类型陨石作进一步的调查分析[13].

谢先德(中国科学院广州地球化学研究所,广州　510640)
陈鸣(中国科学院广州地球化学研究所,广州　510640)
戴诚达(中国科学院广州地球化学研究所,广州　510640)
A.El Goresy(Max-Planck-Institut für Chemie,Mainz 55128,Germany)

参考文献

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11，Chen M,Xie X.Na behavior in shock-induced melt phase of the Yanzhuang (H6) chondrite.Eur J Mineral,1996,8:325
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13El Goresy A,Wopenka B,Chen M,et al.Evidence for two different shock induced high-pressure events and alkali-vapor metasomatism in Peace River and Tenham (L6) chondrites.LPS,1997,28:329