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        俄羅斯車(chē)?yán)镅刨e斯克州隕石化學(xué)成分分析

        2021-10-26 02:25:32張艷霞章亦文孫德群
        關(guān)鍵詞:隕石樣品含量

        張艷霞,章亦文,孫德群

        (西南科技大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院,四川 綿陽(yáng) 621000)

        北京時(shí)間2013年2月15日12時(shí)30分左右,一顆隕石降落在烏拉爾山脈東側(cè)的車(chē)?yán)镅刨e斯克州,伴隨隕石高空爆炸,其碎片零星的分布山脈東麓。據(jù)美國(guó)國(guó)家航天航空局報(bào)道,此隕石以小于20°的角度極速進(jìn)入大氣層,后自東向西的方向以時(shí)速20km/s運(yùn)行,最終在車(chē)?yán)镅刨e斯克州20km高空處發(fā)生爆炸,此次爆炸產(chǎn)生超強(qiáng)聲波、次聲波和地震波[1]。其經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重,造成10億盧布損失,對(duì)當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施和建筑造成嚴(yán)重破壞,造成3 000座建筑物受損,同時(shí)還有將近1 500多人受傷并于醫(yī)院治療[2]。此次隕石墜落事件是自1908年通古斯隕石爆炸事件以來(lái)最大規(guī)模的一次隕石墜落事件,伴隨著國(guó)內(nèi)地球化學(xué)、天體物理學(xué)的進(jìn)步和對(duì)于宇宙探索的熱情,車(chē)?yán)镅刨e斯克州的隕石墜落引起科學(xué)界以及無(wú)數(shù)天文愛(ài)好者的廣泛討論與研究。

        從獲得地外樣品的途徑來(lái)看,除了登月獲得月壤這種成本高昂、可攜帶樣品稀少以外,隕石是唯一可以提供研究且保存量相對(duì)較大的地外物質(zhì)。因此,它對(duì)人們來(lái)說(shuō)是一種極其有價(jià)值的材料。進(jìn)入21世紀(jì),迎來(lái)了一個(gè)空前未有的發(fā)展階段,中國(guó)的科考船5次登陸南極,在南極格羅夫山地區(qū)進(jìn)行科研活動(dòng),在其間獲得超過(guò)1萬(wàn)塊隕石樣本,這對(duì)于我們來(lái)說(shuō)是重大的時(shí)機(jī)[1]。按照天體化學(xué),隕石保存了原始的化學(xué)和演示特征,尤其是球粒隕石,其受變質(zhì)作用發(fā)生次生變化的可能低,會(huì)貯藏于太陽(yáng)系內(nèi)長(zhǎng)達(dá)幾十億年。通過(guò)隕石的深入分析,我們能知曉太陽(yáng)系內(nèi)固體物質(zhì)的演化時(shí)標(biāo)和年代,確定其從合成到形成固體之間的時(shí)間間隔,通過(guò)對(duì)其同位素檢驗(yàn),還能確定其是否來(lái)自太陽(yáng)系之外。為了更好地研究,在理論技術(shù)發(fā)展的同時(shí),大科學(xué)儀器設(shè)備也源源不斷地加入對(duì)于地外物質(zhì)探索之中。隨著國(guó)家高精度ICP-MS原位微區(qū)分析平臺(tái)的建設(shè)完成,我們將運(yùn)用于巖石微量元素和物相結(jié)構(gòu)與組成的技術(shù)經(jīng)過(guò)改造升級(jí),為地外隕石樣品提供了更加精準(zhǔn)和可靠的技術(shù)支撐,如能夠在原始隕石樣品以及星際顆粒中,發(fā)現(xiàn)僅300nm的太陽(yáng)系外成因硅酸鹽。還有通過(guò)高分辨率成像,清晰完整的拍攝到火星地形原貌,推測(cè)出火星上存在過(guò)液態(tài)水和水流,由此可見(jiàn),像大科學(xué)裝置這樣的前沿科技發(fā)揮著巨大的作用[3]。

        對(duì)于隕石樣品的處理過(guò)程中,我們?cè)讷@得一份隕石樣品后,往往會(huì)將隕石進(jìn)行分類,根據(jù)不同隕石之間的組成成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造,以及根據(jù)不同隕石在宇宙間所形成演化過(guò)程的差異,隕石可以被分為兩大類型,即未分異型和分異型[4]。其中未分異型隕石約占中國(guó)隕石研究總量的91.5%,主要是球粒隕石;分異的隕石約占中國(guó)隕石研究總量的8.5%,其包含石鐵隕石、鐵隕石、無(wú)球粒隕石[5]。而無(wú)球粒隕石又分為月球隕石、火星隕石等[6];石鐵隕石可分為中鐵隕石和橄欖隕石;鐵隕石細(xì)分為非巖漿型和巖漿型[7]。這種分類主要是由于隕石在宇宙演化過(guò)程中經(jīng)歷了不同的熱歷史,導(dǎo)致其化學(xué)組成成分,礦物構(gòu)成和內(nèi)部構(gòu)造發(fā)生相應(yīng)的改變,而產(chǎn)生不同類型的隕石。然而,前者的母體形成過(guò)程中未經(jīng)歷了明顯的分餾作用,以及熔融和分離結(jié)晶作用,故其元素豐度與太陽(yáng)的組成成分相近,后者則經(jīng)歷了明顯的分離結(jié)晶作用[8]。

        隕石的分類管理方法有很多,按照隕石中硅酸鹽和金屬含量的差異,可將隕石分為:石隕石、鐵隕石和石鐵隕石[9]。在隕石中,90%以上為石隕石,其含量占比最多,但其鐵鎳金屬含量較少,通?!?0%,故稱為石隕石,并且其主要成分為鐵、鎂和硅酸鹽,礦物成分主要為橄欖石和輝石;而鐵隕石數(shù)量在隕石總量中約占6%,其主要成分由鐵和鎳組成,總含量大于或等于95%,還有鈷、磷、硅、硫、銅等微量元素;除此之外,石鐵隕石所占的比例相對(duì)較少,約占隕石總量的2%,與鐵隕石相比其鐵鎳金屬含量在30%~65%之間,按照其形成過(guò)程,它被視作為是鐵隕石和石隕石的過(guò)渡形態(tài)[10-11]。而石隕石因具有極其容易風(fēng)化而碎成渣的特點(diǎn)以及其數(shù)量極少,故石隕石在市場(chǎng)上幾乎沒(méi)有流通;鐵隕石其重要特點(diǎn)為外表裹有黑色或褐色1mm的熔殼,并且具有大量不同大小的氣印,此外具有不同形狀的熔溝,以上特點(diǎn)為辨別鐵隕石的重要條件,石鐵隕石由于其數(shù)量稀少,不易獲得,導(dǎo)致其商業(yè)價(jià)值最高[12]。

        隕石化學(xué)成分的測(cè)定是研究隕石的重要方法之一,其可揭示太陽(yáng)系的化學(xué)組成成分,形成與演化以及元素分布,并提供重要的科學(xué)信息以及合理的依據(jù),對(duì)隕石化學(xué)群的合理分類提供了重要的依據(jù)[13]。因此,為仔細(xì)可靠的研究隕石,化學(xué)成分的分析為不可或缺的一部分工作。然而有關(guān)化學(xué)成分的分析方法有X射線熒光光譜法(XRF法)、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS法)、納米級(jí)的掃描探針?lè)ǖ取F渲蠿射線熒光光譜法其原理主要利用初級(jí)X射線激發(fā)待測(cè)物質(zhì)中的原子,使得待測(cè)物質(zhì)產(chǎn)生熒光,從而進(jìn)行物質(zhì)化學(xué)成分的分析和研究[14]。XRF法其優(yōu)點(diǎn):①在于其儀器具有分析速度快,自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)以及其分析方法為物理分析方法,分析精度高;②其測(cè)量方法與元素的化學(xué)結(jié)合狀態(tài)無(wú)關(guān),測(cè)量誤差少;③其制樣簡(jiǎn)單且形式多樣化,與其他發(fā)射光譜相比,較為簡(jiǎn)單,易于定性分析。相對(duì)的ICP-MS也常常被應(yīng)用于無(wú)機(jī)多元素的分析,但由于其具有運(yùn)行費(fèi)用高,操作復(fù)雜,樣品介質(zhì)影響較大以及ICP高溫導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)具有多樣化,干擾測(cè)量結(jié)果的缺點(diǎn)。筆者使用XRF法來(lái)檢測(cè)隕石中的元素組成,依照其測(cè)出來(lái)的相應(yīng)元素含量進(jìn)行分類。根據(jù)其常量元素的含量初步鑒定為一號(hào)隕石樣品為石鐵隕石,二號(hào)隕石樣品為鐵隕石。其主要方法:①將樣品進(jìn)行研磨,制成粉末顆粒;②與硼酸混合均勻后進(jìn)行壓板;③放入熒光儀進(jìn)行鑒別。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 儀器與試劑

        1.1.1 儀器。

        表1 實(shí)驗(yàn)儀器

        1.1.2 試劑。硼酸,乙醇。

        1.2 方法

        分別取一號(hào)、二號(hào)隕石樣品經(jīng)過(guò)破碎,過(guò)20目篩后,將一號(hào)、二號(hào)隕石樣品放在振動(dòng)研磨機(jī)上研成粉末,放在烘箱中烘烤4h,用酒精擦拭模具,分別精密稱取2.0g隕石樣品和已經(jīng)經(jīng)過(guò)烘干的硼酸2.0g,將隕石樣品在瑪瑙研缽中研磨15min,放在模具中攤平,后用硼酸粉末填滿空隙后進(jìn)行壓片,40t壓力下保持60s,將壓好的隕石樣品分別寫(xiě)上標(biāo)簽,待XRF測(cè)樣品元素含量。

        2 結(jié)果與討論

        用XRF法對(duì)兩份隕石樣品進(jìn)行元素測(cè)定,測(cè)定結(jié)果如表2所示。

        一號(hào)隕石樣品中含量較多的元素為Fe、Si、Mg,其中Fe、Si、Mg的元素含量分別為46.04%、25.03%、16.36%,含量較少的元素為Ca、S、Al、Ni,其元素含量均在2%~3%之間,元素之間含量差異較小,并且在此隕石樣品中仍存在含量極小的常見(jiàn)元素,如Na、Cr、Mn、Ba、P、K、Cl、Zn,其元素含量均在1%以下,除常見(jiàn)元素以外,此隕石還存在少量的稀有元素,如Ti、Co、Cu,其元素含量均低于0.2%以下。二號(hào)隕石樣品中含量較多的元素為Fe,其中Fe的元素含量為96.09%,含量較少的元素為Mn,其元素含量為1.19%,并且在此隕石樣品中仍存在含量極小的常見(jiàn)元素,如Si、Cu、Cl、Cr、Al、Ni、S、Na、P、K、Ca、Sn、Zn、Mg、Mo,其元素含量均在1%以下。一號(hào)隕石樣品與二號(hào)隕石樣品相比,F(xiàn)e均為含量最多的元素,且一號(hào)樣品中的Si、Mg的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二號(hào)樣品中的Si、Mg的含量,一號(hào)樣品中的Ca、S、Al、Ni的含量大于二號(hào)樣品中Ca、S、Al、Ni的含量,一號(hào)樣品中具有Ba、Ti、Co元素,二號(hào)樣品不具有。二號(hào)隕石樣品測(cè)出具有Mo、Sn元素,一號(hào)隕石樣品不具有。

        表2 隕石樣品元素含量分析 單位:%

        3 結(jié)論

        對(duì)于來(lái)自俄羅斯車(chē)?yán)镅刨e斯克州的兩塊隕石,可測(cè)得一號(hào)隕石樣品中鐵鎳含量分別為46.04%、2.02%,元素含量總和在30%~65%之間,并且一號(hào)隕石樣品含有Co、S、P、Cu、Cr等特有元素,可初步鑒定一號(hào)隕石樣品為石鐵隕石,二號(hào)隕石樣品中鐵鎳含量分別為96.09%、0.16%,元素含量總和在95%以上,并且二號(hào)隕石樣品具有Cr、P、Sn、Mo等稀有元素,可初步鑒定二號(hào)隕石樣品為鐵隕石。

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