梅奧新 徐偉彪

(1 中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái) 南京 210023)

(2 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院 合肥 230026)

1 引言

碳質(zhì)球粒隕石是太陽(yáng)星云凝聚的直接產(chǎn)物,代表了太陽(yáng)系內(nèi)最原始的物質(zhì).基于巖石結(jié)構(gòu)、礦物化學(xué)特征[1]和全巖氧同位素組成[2]上的差異,球粒隕石被分為普通球粒隕石、碳質(zhì)球粒隕石、頑火輝石球粒隕石、R型球粒隕石和K型球粒隕石.根據(jù)巖石結(jié)構(gòu)的不同,球粒隕石又被分成6種巖石類(lèi)型(1-6型),不同巖石類(lèi)型代表在小行星母體上遭受了不同程度的后期水蝕變和熱變質(zhì)作用.其中,根據(jù)全巖元素組成、球粒/基質(zhì)比值、氧同位素組成等特征,碳質(zhì)球粒隕石被歸為8種化學(xué)群,分別是CI、CM、CR、CH、CB、CO、CV和CK群隕石.大多數(shù)碳質(zhì)球粒隕石母體沒(méi)有經(jīng)歷大規(guī)模的熱變質(zhì)過(guò)程[3],巖石類(lèi)型以1-3型為主.但CK型碳質(zhì)球粒隕石主要為平衡型隕石[4-8].它是一類(lèi)高度氧化的碳質(zhì)球粒隕石,母體經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈的熱變質(zhì)作用,峰值溫度變化范圍為550-1270 K[2,4-5,9-15].因此,CK型隕石記錄了大多數(shù)碳質(zhì)球粒隕石所缺失的母體熱變質(zhì)信息,對(duì)研究碳質(zhì)球粒隕石母體的演化歷史和不同碳質(zhì)球粒隕石之間的地球化學(xué)特性和成因關(guān)系有重要的限定意義.

CK型隕石中一般含有豐富的磁鐵礦,體積分?jǐn)?shù)(vol.%)為1-8,平均值為4 vol.%.但鐵鎳金屬匱乏,金屬/磁鐵礦的比值接近零[8,13-14,16-17].這類(lèi)隕石的特征還包括: (1)基質(zhì)比例高;(2)球粒尺寸較大(0.7-1.0 mm),以斑狀結(jié)構(gòu)為主[1];(3)難熔-親石元素豐度介于CV和CO型隕石之間[8,18];(4)氧同位素組成與CV型隕石高度重合[7].

由于CK和CV型隕石在巖石學(xué)、宇宙射線暴露年齡[19]以及氧同位素組成等方面特征相似,它們?cè)徽J(rèn)為來(lái)自同一母體[4,7,18,20].但是,最近的研究結(jié)果表明,兩者在巖相結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成方面仍存在微小差異,例如磁鐵礦中微量元素的含量[6]以及全巖ε54Cr值[21].因此,精細(xì)地區(qū)分和比較兩者的地球化學(xué)特征對(duì)于驗(yàn)證CK-CV單一母體假說(shuō)非常重要.

Northwest Africa (NWA) 13943是2020年在西北非沙漠新發(fā)現(xiàn)的一塊隕石,總重約94 g.Mei等[22]首次報(bào)道了該隕石,并將其歸為CK4/5型碳質(zhì)球粒隕石.本文通過(guò)巖相學(xué)形貌觀察和礦物化學(xué)成分分析,確定了NWA 13943的隕石類(lèi)型.此外,運(yùn)用質(zhì)譜技術(shù)測(cè)定了NWA 13943隕石的全巖氧同位素和鉻同位素組成,并與其它平衡型(CK4-6)和非平衡型(CK3型和CV3型)碳質(zhì)球粒隕石進(jìn)行對(duì)比.

2 實(shí)驗(yàn)方法

本文主要對(duì)NWA 13943隕石的巖石結(jié)構(gòu)、礦物化學(xué)成分以及全巖同位素組成開(kāi)展研究.

首先利用掃描電子顯微鏡(Hitachi S-3400 N)獲取樣品的形貌信息,礦物模式豐度統(tǒng)計(jì)利用Oxford Aztec能譜儀的元素面掃描功能獲得.橄欖石和磁鐵礦的主量和微量元素分析在電子探針(JEOL JXA-8230)上完成,加速電壓設(shè)為15 kV,電流為20 nA.特征峰和背景值測(cè)量時(shí)間一般分別為20 s和10 s,分析K和Na時(shí)分別降為10 s和5 s.使用的標(biāo)準(zhǔn)礦物為美國(guó)SPI (Structure Probe,Incorperated)顯微實(shí)驗(yàn)耗材供應(yīng)公司提供的天然礦物及人工合成化合物,主要選用的標(biāo)準(zhǔn)礦物為赤鐵礦(Fe)、斜長(zhǎng)石(Al)、橄欖石(Si和Mg)、鎳黃鐵礦(Ni)、金屬釩(V)、透輝石(Ca)、氧化鉻(Cr)、金紅石(Ti)和錳硅灰石(Mn).最終數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)ZAF(Atomic number Z,Absorption,Fluorescence)校正.以上實(shí)驗(yàn)均在中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)天體化學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成.

全巖氧同位素分析在南京大學(xué)MAT-253型氣體同位素質(zhì)譜儀上進(jìn)行,取粉末樣品約2.5 mg,具體測(cè)試方法同文獻(xiàn)[23].氧同位素組成一般用δ17O和δ18O值(δ表示樣品中的同位素比值與標(biāo)樣中的同位素比值的相對(duì)偏差的103倍)表達(dá),定義為:δXO (‰)=1000 ×[(XO/16O)sample/(XO/16O)standard-1],其中X=18或17.標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)一般使用維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水.δ18O和δ17O的標(biāo)準(zhǔn)誤差分別是0.3‰和0.05‰.氧-17同位素異常一般用Δ17O (Δ代表同位素分餾值)表達(dá),定義為: Δ17O=1000 × [ln (1 +δ17O/1000) -0.5305 × ln (1+δ18O/1000)].

全巖鉻同位素的組成使用德國(guó)柏林自由大學(xué)地質(zhì)科學(xué)研究所的Triton熱電離質(zhì)譜儀(Thermal Ionization Mass Spectrometry)測(cè)定,粉末樣品質(zhì)量約10 mg.鉻同位素異常一般用ε53Cr或ε54Cr (ε表示樣品中的同位素比值與標(biāo)樣中的同位素比值的相對(duì)偏差的104倍)來(lái)表達(dá),定義為:εXCr=10000× [(XCr/52Cr)sample/(XCr/52Cr)standard-1],X=53或54.使用的標(biāo)樣是NIST SRM (National Institute of Standards and Technology Standard Reference Material) 979.具體的分析和數(shù)據(jù)處理方法見(jiàn)文獻(xiàn)[21].

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 總體巖相學(xué)特征

NWA 13943隕石手標(biāo)本見(jiàn)圖1,表面發(fā)育黑色熔殼,切面外圍有一圈厚度約1.2 mm的風(fēng)化層.圖2為NWA 13943切片的背散射(BSE)全貌圖像及元素分布圖,內(nèi)部可見(jiàn)少量(～7 vol.%)毫米至亞毫米級(jí)(0.6±0.4)mm的硅酸鹽球粒分布在細(xì)粒的基質(zhì)中,其中代表性球粒的BSE圖像見(jiàn)圖3.圖4為樣品中具有代表性的磁鐵礦顆粒及共生礦物.樣品中金屬顆粒匱乏,僅發(fā)現(xiàn)少量鐵鎳金屬氧化物或硫化物(圖4 (a)).次生長(zhǎng)石粒徑變化范圍為(16.9±6.7)μm (長(zhǎng)石數(shù)量=206),基質(zhì)重結(jié)晶程度比較高,偶見(jiàn)呈細(xì)脈狀分布的方解石和細(xì)粒的水蝕變礦物(圖4 (b)).礦物模式豐度統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,樣品由大約51 vol.%的橄欖石、41 vol.%的輝石、5 vol.%的長(zhǎng)石、2.5 vol.%的磁鐵礦以及0.6 vol.%的碳酸鹽組成.

圖1 隕石NWA 13943的手標(biāo)本照片F(xiàn)ig.1 Photo of hand specimen of NWA 13943

圖2 (a) NWA 13943光片的背散射(backscattered electron,BSE)全貌圖像;(b) NWA 13943光片的元素分布圖(Si為綠色;Fe為紅色;Mg為藍(lán)色),白色方框內(nèi)為典型的斑狀球粒,“Ch+數(shù)字編號(hào)”指代樣品中的不同球粒.Fig.2 (a) The overview backscattered electron (BSE) image of NWA 13943 slice;(b) Elemental distribution of NWA 13943 slice(Si: green;Fe: red;Mg: blue),the representative chondrules are marked with white boxes,with “Ch” followed by a number denoting to individual chondrules within the sample.

圖3 NWA 13943中代表性球粒的BSE圖像.縮寫(xiě): Mag: 磁鐵礦;Ol: 橄欖石;Px: 輝石;PO: 斑狀橄欖石球粒;POP: 斑狀橄欖石輝石球粒.Fig.3 BSE images of some representative chondrules in NWA 13943.Abbreviations: Mag: magnetite;Ol: olivine;Px: pyroxene;PO: porphyritic olivine;POP: porphyritic olivine pyroxene.

圖4 NWA 13943中的磁鐵礦及共生礦物.(a)磁鐵礦中的橄欖石、尖晶石和鎳黃鐵礦顆粒;(b)磁鐵礦中包裹斜方輝石顆粒和尖晶石出溶片晶,少量水蝕變礦物分布在基質(zhì)中;(c)磁鐵礦中富含斜方輝石、鎳黃鐵礦和鈦鐵礦顆粒;(d)富鉻磁鐵礦,Cr2O3含量高達(dá)11 wt.%,內(nèi)部干凈.礦物縮寫(xiě):Pent: 鎳黃鐵礦[(Fe,Ni)9S8];Sp: 尖晶石;Opx: 斜方輝石;Ilm: 鈦鐵礦;Cr-rich Mag: 富鉻磁鐵礦.Fig.4 Magnetites and coexisting minerals in NWA 13943.(a) Olivine,spinel and pentlandite grains within magnetite;(b)Orthopyroxene grains and exsolved spinel crystals within magnetite,few aqueous alteration minerals have been found in the matrix;(c) Magnetite with abundant plagioclase,pentlandite and ilmenite inclusions;(d) Clean chromium-rich magnetite with up to 11 wt.% Cr2O3.Mineral abbreviations: Pent: pentlandite [(Fe,Ni)9S8];Sp: spinel;Opx: orthopyroxene;Ilm: ilmenite;Cr-rich Mag: chromium-rich magnetite.

NWA 13943中的球粒輪廓不清晰,多呈圓形或橢圓形,破碎程度較嚴(yán)重,常發(fā)育裂紋(圖3).未見(jiàn)CAI(Ca,Al inclusions)和AOA(ameboid olivine aggregates)等特殊結(jié)構(gòu),球粒主要為斑狀橄欖石球粒(Porphyritic Olivine,PO)和斑狀橄欖石輝石球粒(Porphyritic Olivine-Pyroxene,POP).

3.2 磁鐵礦

NWA 13943中的磁鐵礦分為三種產(chǎn)狀: (1)分散在細(xì)粒的基質(zhì)中;(2)出現(xiàn)在球粒內(nèi)部;(3)分布在球粒邊緣.大多數(shù)磁鐵礦邊角比較圓滑,內(nèi)部常包裹橄欖石、斜方輝石顆粒.孔隙度高(圖4 (a)、4(b)和4 (c)),內(nèi)部常見(jiàn)鈦鐵礦和尖晶石出溶(如圖4(b)).少數(shù)磁鐵礦呈半自形、不含包體、無(wú)孔洞(如圖4d).磁鐵礦粒徑變化范圍為5-25μm.

磁鐵礦的代表性電子探針測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1.結(jié)果表明,NWA 13943中的磁鐵礦為富鉻磁鐵礦,Cr2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wt.%)為1-6.大部分磁鐵礦含有1.9-5.9 wt.%的Cr2O3,0.05-0.45 wt.%的TiO2,0.24-2.11 wt.%的Al2O3,0.03-0.29 wt.%的MgO及61.3-66.4 wt.%的Fe2O3.但是,個(gè)別磁鐵礦的化學(xué)成分發(fā)生了偏離,它們具有更高的Cr2O3(≤11.4 wt.%)、TiO2(≤0.8 wt.%)、Al2O3(≤4.3 wt.%)和MgO (≤0.4 wt.%),而Fe2O3含量相對(duì)偏低(≥54.1 wt.%).巖相結(jié)構(gòu)上,這類(lèi)高度富鉻的磁鐵礦也區(qū)別于其它大多數(shù)磁鐵礦,主要表現(xiàn)為: 自形程度更高、內(nèi)部干凈、孔隙度低.

表1 NWA 13943中部分代表性磁鐵礦的化學(xué)成分(wt.%)Table 1 Chemical composition (wt.%) of some representative magnetites in NWA 13943

3.3 橄欖石

NWA 13943中部分球粒橄欖石和基質(zhì)橄欖石的代表性化學(xué)成分見(jiàn)表2.圖5為NWA 13943中球粒橄欖石和基質(zhì)橄欖石的Fa頻率分布直方圖(Fa為Fe/[Mg+Fe]摩爾比×100).由圖5可知,兩種產(chǎn)狀的橄欖石中均未出現(xiàn)環(huán)帶結(jié)構(gòu),Fa值變化范圍小,成分比較均一.球粒橄欖石的Fa值變化范圍為27.4-30.0,平均值為28.3.基質(zhì)橄欖石的Fa值變化范圍為28.3-32.8,平均值為30.2.

表2 NWA 13943中球粒橄欖石和基質(zhì)橄欖石的代表性化學(xué)成分(wt.%)Table 2 Representative chemical compositions (wt.%) of olivines in chondrule and matrix of NWA 13943

圖5 NWA 13943中球粒橄欖石(a)和基質(zhì)橄欖石(b)的Fa頻率分布直方圖.其中,Fa的平均值(Mean)和方差(σ2)已標(biāo)出.Fig.5 Histogram of Fa frequency distribution of olivines in chondrule (a) and matrix (b) of NWA 13943.Both the mean and variance (σ2) of the Fa values are given.

3.4 全巖氧同位素和鉻同位素組成

NWA 13943的全巖氧同位素測(cè)試結(jié)果為:δ17O=-3.129±0.016‰,δ18O=1.348±0.005‰,Δ17O=-3.848±0.014.NWA 13943的全巖鉻同位素組成為:ε53Cr=0.288±0.049,ε54Cr=0.682±0.087 (N=12,2SE;其中N為分析次數(shù),2SE為兩倍標(biāo)準(zhǔn)差).

4 討論

4.1 NWA 13943的巖相學(xué)分類(lèi)

巖相上,NWA 13943中磁鐵礦的豐度高(約2.5 vol.%),在CK球粒隕石磁鐵礦范圍內(nèi)(1-8 vol.%,平均值為4 vol.%)[16].鐵鎳金屬及其硫化物罕見(jiàn),符合CK球粒隕石的高度氧化的特征.球粒直徑為(0.6±0.4)mm,與CK4-6型球粒隕石的特征一致(0.5-1.1 mm,平均值為0.6 mm)[5].NWA 13943中的球粒比例(約7 vol.%)明顯低于CK3型和CV3型球粒隕石(CV3: 18.5-55.7 vol.%;CK3: 17.1-25.7 vol.%).次生長(zhǎng)石粒徑變化范圍(直徑D=(16.9±6.7)μm,長(zhǎng)石數(shù)量=206)與CK5隕石一致(4μm＜D＜50μm;CK3: 不含長(zhǎng)石;CK4:D＜4μm;CK6:D＞50μm)[8].綜上,NWA 13943屬于CK5型碳質(zhì)球粒隕石.

4.2 NWA 13943的化學(xué)群分類(lèi)

橄欖石是NWA 13943隕石中最常見(jiàn)的礦物,出現(xiàn)在球粒和基質(zhì)中.其中,球粒橄欖石的Fa值(28.3±0.5)與前人報(bào)道的CK4-6型隕石中的球粒橄欖石(Fa值28.8-33.3)化學(xué)成分一致,高于CV3型隕石(Fa值小于15),相比CK3型隕石(Fa值0.3-33.8),化學(xué)成分變化范圍更窄[5,8,20,25-26].類(lèi)似的,基質(zhì)橄欖石的Fa值(30.2±1.3)也與CK4-6型隕石中基質(zhì)橄欖石(Fa值31-32)的化學(xué)成分一致,低于CK3型隕石(Fa值32-37),相比CV3型隕石(Fa值0-99)化學(xué)成分變化范圍更窄[8,25,27-34].

4.3 磁鐵礦

碳質(zhì)球粒隕石中的磁鐵礦一般被認(rèn)為是金屬低溫水蝕變的產(chǎn)物[35].由于磁鐵礦抵抗地球風(fēng)化作用的能力較強(qiáng)[36],可以認(rèn)為地球風(fēng)化對(duì)磁鐵礦的成分基本沒(méi)有影響.但是,受母體上后期熱變質(zhì)作用的改造,磁鐵礦的化學(xué)成分很可能發(fā)生變化.因此,文獻(xiàn)[6]提出利用磁鐵礦的化學(xué)成分可以有效區(qū)分出CV、CK3以及CK4-6型隕石.

NWA 13943中磁鐵礦的主量化學(xué)成分(Fe2O3)和微量化學(xué)成分(MgO、Cr2O3、TiO2和Al2O3)含量與前人報(bào)道的CK3型[6]、CK4-6型[4,7,16,20,37]以及CV型[7,38-40]隕石中磁鐵礦的化學(xué)成分見(jiàn)圖6,結(jié)果表明除個(gè)別極富鉻的磁鐵礦外,NWA 13943中磁鐵礦的化學(xué)成分均落在CK4-6型隕石的范圍之內(nèi).

圖6 NWA 13943中磁鐵礦的化學(xué)成分相關(guān)圖.CK3[6]、CK4-6[4,7,16,20,37]和CV型[7,38-40]隕石中的磁鐵礦化學(xué)成分用來(lái)對(duì)比.Fe2O3含量為化學(xué)計(jì)量結(jié)果[24].Fig.6 Compositions of magnetites in NWA 13943.Compositions of magnetites in CK3 [6],CK4-6[4,7,16,20,37] and CV[7,38-40]meteorites are plotted for comparison.Fe2O3 contents are stoichiometric results[24].

另外,從非平衡型CK隕石過(guò)渡到平衡型CK隕石,磁鐵礦中MgO含量與TiO2、Al2O3含量變化呈現(xiàn)出正相關(guān)趨勢(shì).結(jié)合巖相學(xué)的觀察結(jié)果,這可能與CK型隕石母體冷卻過(guò)程中磁鐵礦出溶鈦鐵礦和尖晶石相關(guān),反映了CK型隕石母體上的熱變質(zhì)信息.另一方面,類(lèi)似的變化趨勢(shì)在CV型隕石中并未觀察到,這與CK-CV同源說(shuō)中提出的CK和CV隕石屬于同一熱變質(zhì)序列的假說(shuō)矛盾.

4.4 氧同位素和鉻同位素組成

如上文所述,CK和CV型碳質(zhì)球粒隕石呈現(xiàn)出許多相近的地球化學(xué)特征,特別是在球粒大小[1]、宇宙射線暴露年齡[19]和氧同位素組成[7]方面.因此,前人提出了一些CK-CV同源模型[7,18]來(lái)解釋兩者在巖相結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成上的微小差異.他們認(rèn)為這些差異是由于兩者經(jīng)歷的熱變質(zhì)程度不同導(dǎo)致的.

前人的研究表明,雖然隕石中的氧同位素組成對(duì)水蝕變作用[41-42]和地球風(fēng)化作用[43]很敏感,但ε54Cr不受這兩種過(guò)程的影響,這說(shuō)明母體上的熱變質(zhì)過(guò)程不會(huì)使隕石樣品中的鉻同位素發(fā)生重新分配[21].因此,如果CK型隕石和CV型隕石來(lái)自同一個(gè)母體,只是經(jīng)歷的熱變質(zhì)程度不同,那么兩者應(yīng)該具有相似的ε54Cr值.實(shí)際上,最近的研究結(jié)果表明[21],CK型隕石的ε54Cr值[0.51±0.08 (2SE,N=4)]要明顯低于CV型隕石[ε54Cr=0.89±0.12(2SE,N=6)],這充分表明兩者并非來(lái)自同一個(gè)母體.

圖7為NWA 13943與其他碳質(zhì)球粒隕石的三氧同位素分布圖和ε54Cr-Δ17O相關(guān)圖.從圖7 (a)可以看出,CK型隕石的氧同位素組成基本都落在碳質(zhì)球粒隕石無(wú)水礦物線(CCAM)上或附近,且與CV3oxA型隕石變化范圍重疊.將NWA 13943的全巖氧同位素和鉻同位素組成與前人報(bào)道的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明NWA 13943的全巖氧同位素組成和CK5型隕石NWA 1905(δ17O=-3.218‰,δ17O=1.560 ‰,Δ17O=-4.029)非常接近,兩者均落在CK型隕石變化范圍中貧16O的一端(如圖7 (a)).從圖7 (b)可以看出,NWA 13943的ε54Cr落在CK型隕石和CV型隕石之間,但與CK型隕石的ε54Cr平均值更接近.NWA 13943的Δ17O比前人報(bào)道的CK隕石的Δ17O略高(如圖7 (b)),可能與NWA 13943經(jīng)歷的水蝕變作用和/或地球風(fēng)化作用有關(guān).

圖7 (a)三氧同位素圖.紅色五角星代表NWA 13943.CV3oxA、CV3oxB和CV3R分別表示類(lèi)Allende氧化型、類(lèi)Bali氧化型和還原型CV3群隕石.黑色方塊和圓圈分別代表CK3型和CK4-6型隕石.CCAM: 碳質(zhì)球粒隕石無(wú)水礦物線.參考數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[7].(b)碳質(zhì)球粒隕石的ε54Cr-Δ17O同位素相關(guān)圖.紅色五角星代表NWA 13943隕石,誤差棒為2SE.參考數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[21].Fig.7 (a) Triple oxygen isotope diagram.The red star represents the NWA 13943 meteorite.CV3oxA,CV3oxB,and CV3R represent oxidized Allende-like,oxidized Bali-like,and reduced CV3 group meteorites,respectively.The filled black squares and circles represent the CK3 and CK4-6 meteorites,respectively.CCAM: anhydrous mineral lines of carbonaceous chondrites.Reference data are from Ref.[7].(b) ε54Cr-Δ17O isotopic correlation plot for carbonaceous chondrites.The red star represents the NWA 13943 meteorite with error bars of 2SE.Reference data are from Ref.[21].

5 結(jié)論

基于NWA 13943的巖相結(jié)構(gòu)和礦物化學(xué)成分特征,包括球粒大小和比例、磁鐵礦的含量、次生長(zhǎng)石粒徑、球粒和基質(zhì)中橄欖石的Fa值分布以及磁鐵礦的主微量元素組成,發(fā)現(xiàn)NWA 13943與CK5型碳質(zhì)球粒隕石的各項(xiàng)特征最接近.通過(guò)測(cè)量磁鐵礦中Cr2O3、TiO2、Al2O3和Fe2O3的含量能夠區(qū)分出CV、CK3以及CK4-6型隕石.結(jié)合CK和CV型隕石的氧同位素組成和鉻核合成異常,它們的母體可能形成于原行星盤(pán)中兩個(gè)特征相似但不同的化學(xué)源區(qū).

致謝感謝蔣云、李曄老師和朱柯博士對(duì)本工作的指導(dǎo)和建議.NWA 13943隕石樣品由上海五云坊張勃先生提供.