陨石——来自太阳系的地质样品

--南极陨石系列之六

作者:陈宏毅 来源:168开奖场直播結果开奖结果 发布时间:2019-05-15


(引自欧阳自远院士给《矿物爱好者·陨石专辑》2014年第12期题词)

陨石是来自地球之外太阳系内行星和小行星等星体的地质样品,在穿过地球大气层后,烧蚀残余部分降落于地球表面。陨石保存了太阳星云凝聚、行星堆积和熔融分异等全部过程的信息,相对于登陆行星和小行星表面采样,陨石具有成本低和代表性广泛等特点,这些样品对研究太阳系的形成和演化、行星和小行星物质组成、岩浆演化、生命起源及地外生命探寻等均具有极其重要的意义。但是,同地球上的其他资源相比,陨石极为稀少,在发现南极陨石和沙漠陨石之前,人类收集到的陨石总数仅2000多块。

1.陨石来自哪里?

陨石从哪里来?是如何形成和演化的?这些问题一直是科学家们研究的关键科学问题,也是陨石爱好者关心的话题之一。科学家们经过长期的研究发现,地球上数量最多的为球粒陨石(包括普通球粒陨石、碳质球粒陨石、顽辉石球粒陨石、R群、K群和未分组的球粒陨石等),此外还有原始无球粒陨石、来自分异型小行星的陨石(如灶神星陨石,即HED族陨石)、铁陨石和石铁陨石,这些陨石均来自火星和木星之间的小行星带(图1)。还有一些珍贵的陨石来自于月球和火星,在碳质球粒陨石等陨石中还发现了太阳系形成之前或者叫太阳系外的微细颗粒。比较受陨石爱好者们喜欢的铁陨石、橄榄石铁陨石可能起源于某个被撞击破碎的小行星的内核和核幔交界部位,而这样的小行星绝大多数位于小行星带内。而由于其靓丽的外表而被广泛加工为饰品的“玻璃陨石”(如捷克玻璃陨石、利比亚黄金玻璃和广泛分布于亚澳散落带的“雷公墨”)则可能起源于某个彗星与地球表面岩石撞击熔融的产物(具体论述见本刊2018年第9期《“玻璃陨石”的前世今生》)。

1 太阳系家族成员,大多数陨石来源于火星和木星之间的小行星带

第一块被识别出的月球陨石是美国南极陨石考察队收集于南极阿伦山的Allan Hills A81005,它是一块来自于月球表层的斜长岩质角砾岩(图2)。而第一块被收集到但是晚于

ALHA 81005被认可的月球陨石是1979年日本极地研究所的科学家在大河山区发现的Yamato 791197。月球陨石的认识和识别经历了一个漫长的过程,最初发现的月球陨石被误认为是HED族陨石。月球陨石被认可的证据主要有:(1)岩石学和矿物学特征和Apollo号任务采集的月球岩石样品类似,而不同于地球上的样品;(2)稀有气体组成和含量与月球一致;(3)氧同位素组成不同于HED族陨石和火星陨石等玄武岩质无球粒陨石。目前获得国际陨石协会命名的月球陨石有360块(包括部分成对陨石,即同一块陨石在空气中炸裂后降落于地表的不同碎片,在收集的时候单独收集,分别申报了命名)。

2 第一块被识别的月球陨石ALHA 81005

目前被命名的火星陨石有227块(含成对陨石),其中最知名的火星陨石当属ALH 84001和NWA 7034。ALH 84001由美国南极陨石考察队收集于南极阿伦山,在位于休斯顿的约翰逊航天中心存放了近10年,一直被误认为是HED族陨石中的古铜辉石无球粒陨石,直到科研人员注意到其微量元素组成不同于HED族陨石,而与火星陨石相关,但最令人振奋的是在这块陨石的碳酸盐沉积物中发现了类似于地球30亿年前的细菌化石,但尺寸不到地球上杆菌的十分之一(图3)。同时碳酸盐沉积物成为引起人们极大兴趣的来源,这些沉积物是橙黄色的球体,平均粒径约50微米,边缘有黑色和白色的富镁和富铁层。在层与层之间,他们发现有微小的磁铁矿和硫化铁颗粒紧密结合。碳酸盐沉积物还含有称为多环芳烃的有机化合物或多环芳香烃。多环芳烃是有机大分子,通常与地球上的生命过程有关,它们形成于腐烂的有机物质。NWA 7034俗称“黑美人”,2011年发现于摩洛哥干旱的沙漠,是一块火星表土角砾岩,其水含量可达0.7%,是目前发现含水量最高的火星陨石,对于火星古环境的演化研究具有重要的科学意义(图4)。

3 ALH 84001火星陨石碳酸盐沉积物中疑似地球上的“杆菌”化石(红色断线区域)

4 “黑美人”NWA 7034火星陨石中含有0.7%的水,是含水量最高的火星陨石

目前能够真正确定陨石母体的陨石只有月球陨石和火星陨石,这些成果的取得和人类大规模的月球和火星探测计划有极大关系。此外,位于小行星带中的灶神星可能是多数HED族陨石母体,而谷神星可能是某些碳质球粒陨石的母体,大多数的铁陨石和橄榄陨铁由于其母体被撞击支离破碎而不知其母体来源,大多数的普通球粒陨石也难以和小行星带中的小行星一一对应,顽辉石球粒陨石由于其具有高度还原性的金属硫化物和硅磷化物,其位置应该更加靠近太阳的位置。

2.到哪里去找陨石?

虽然全球每年有几十万吨到上百万吨的地外物质降落到地球上,但一方面,降落的地外物质大部分为宇宙尘埃,不能形成真正意义上的陨石;另外一方面,地球表面积71%为海洋,剩余29%的陆地中,大部分地方为山脉、雨林、湿地等不适合人类定居区域,同时不符合陨石保存和发现条件。在这些无人区中,9%为无人类居住的南极大陆,33%为干旱和半干旱的戈壁荒漠地区,不适合人类居住,但寒冷干燥的南极冰雪大陆和炎热干燥的沙漠戈壁由于其特殊的环境条件,成为了保存陨石的天然储存室。截止目前人类发现的6万多块陨石中,90%以上都是在这两个特殊的环境中发现的。截止到2019年3月份,在国际陨石数据库(https://www.lpi.usra.edu/meteor/metbull.php)公布的官方数据中,南极陨石数量为43720块,占申报陨石总数68912块的63.4%,降落型陨石为1323块,占申报陨石总量的1.9%。而实际上,降落型陨石所占的比例还要小得多,因为大量的发现型陨石并未申报,而降落型陨石由于其稀有性,均会申报。

2.1南极陨石

1969年,日本的南极科学考察队在东南极的大和山区发现了9块陨石,揭开了南极陨石科学收集和富集机制研究的序幕。在此后近50年的时间里,美国、日本、中国、韩国和欧洲联队等国科学家在南极共收集到不少于6万块陨石(还有部分陨石尚未申报),发现了50多个陨石富集区。尤为重要的是,这些富集区均沿着横贯南极山脉、大和山区和格罗夫山等山脉和冰原岛峰分布,这些山脉有效阻挡和减缓了冰盖运动的速度,为陨石搁浅和富集提供了天然的屏障(图5)。

5 南极陨石富集区分布图

格罗夫山是我国目前在南极发现的唯一一个陨石富集区,自1998年以来,我国共计组织了7次南极陨石考察,共收集南极陨石12265块。1998年,我国组织了第一次南极内陆格罗夫山考察,发现了4块不同类型的陨石;第二次考察,发现了28块陨石;第三次考察收集到4448块陨石。至此,格罗夫山作为南极一个新的陨石富集区的推断被证实。此后,第四次到第七次格罗夫山考察分别收集到5354块、1618块、583块和630块陨石。

南极陨石富集条件为:(1)携带陨石的蓝冰从冰原高地向海边运动过程中遇到山脉阻挡,流速减缓(如维多利亚地东部先锋山区的冰流遇到山脉阻挡后,流速从100cm/a降低到10cm/a),强烈的下降风吹走表层冰雪,消融浅层蓝冰,携带的陨石暴露于蓝冰表面(图6);(2)根据多个陨石富集区的统计数据,陨石搁浅冰面的海拔高度一般在2000m左右(格罗夫山冰原岛峰平均海拔为2000m),这个海拔易于使流入搁浅区的冰和流出及消融的冰保持动态平衡(陨石富集区必须满足:V流入≥V流出+V升华,V指蓝冰的体积);(3)陨石搁浅区必须是裸冰区,裸冰具有动态消融过程,根据多个陨石富集区裸冰消融率测试,南极蓝冰平均消融速率为5—6cm/a;(4)蓝冰的消融使陨石暴露于冰面产生富集的时间最长可达5万年;(5)艾伦丘陵的强风可以移动冰面上重量小于100g的陨石。

6 南极陨石富集过程示意图

2.2沙漠陨石

沙漠地区是地球上除了南极之外的第二大陨石富集区,随着大量陨石猎人的出现,在全球干燥的沙漠地区发现了越来越多的陨石,其中包括很多极其稀少珍贵的陨石样品,这些陨石一方面为科学家提供了大量的研究样品,另一方面极大丰富了各地博物馆的馆藏和私人收藏的数量,直接带动了陨石经济的发展。

1989年在非洲撒哈拉沙漠发现了集中分布的陨石样品以来, 已从沙漠地区发现了大量的陨石样品, 目前从利比亚沙漠中收集到超过1500块陨石, 撒哈拉沙漠中收集到有明确地理坐标的陨石700多块, 阿曼沙漠中收集到4200多块, 埃及沙漠中收集到近90块, 伊朗沙漠中收集到近300块, 澳大利亚沙漠中收集到700多块, 智利沙漠中收集到1300多块。此外, 在西北非沙漠中收集到了10569块无坐标陨石(样品提供者未给出陨石收集地点的地理坐标)。总计申报命名的沙漠陨石近2000块。由于目前还有大量的沙漠陨石未获得国际命名(图7),因此,实际回收的沙漠陨石数量远大于申报数量。

7 专业展会上被私人售卖的陨石样品大部分来自于沙漠猎陨活动,且多数未获得命名

与国际沙漠陨石的回收相比, 中国沙漠陨石的发现时间相对较晚,2007年在新疆阿拉尔的戈壁滩中发现了2块陨石,后来被命名为Alaer 001和Alaer 002。随后在新疆及青海的10个戈壁区域内(面积均约为84km×110km,分别为Hami, umtag, AlatageMountain, Xingdi, Argan, Loulan Yizhi, LopNur, Tuya, Lenghu和Tuanjie)发现了一定数量的陨石(图8), 这些陨石均为普通球粒陨石。目前已报道为陨石富集区的分别为:oulan Yizhi, Lop Nur, Argan,Xingdi, Hami, Alatage Mountain和Kumtag。Alatage Mountain地区发现了42个陨石样品且主要为L5球粒陨石,这些陨石为成对陨石的可能性非常大,今后的相关研究将给出答案。Loulan Yizhi区发现了7块陨石(1块H5, 1块L4和5块L5), Lop Nur, Argan和Xingdi区内均分别发现了2块陨石(以上数据引自李世杰2017年发表在《科学通报》第62卷21期上的文章)。截止目前,在中国新疆、青海和内蒙的戈壁沙漠地区共发现了约200块陨石(包括部分成对陨石),特别说明的是,中国发现的沙漠陨石大多数申报了国际命名,因此,相对于其它国家,中国的沙漠陨石搜寻工作仍处于起步阶段。

8 中国的沙漠陨石分布区(李世杰等,2017)

2.3 中国的目击坠落陨石

降落型陨石也叫目击坠落陨石,是陨石在坠落地球时被目击者看见的陨石,这类陨石坠落后,往往在很短时间里即被收集起来,最大限度的避免了地球的风化和污染,所以降落型陨石样品非常新鲜,此类陨石的科研意义相对较大,同时,也是最受陨石爱好者喜爱的陨石类型,往往具有高出同类发现陨石十倍到数十倍的价格。

截止到2018年10月份,中国大陆有资料可查并经过核实的降落型陨石有67次,其中解放前有记载的有12次(最早的为1516年明朝万历年间降落于广西南丹的南丹铁陨石),解放后有记载的为55次。大部分目击陨石位于中东部经济发达和人口稠密地区,其中江苏省以9次目击陨石的记录据全国首位,吉林省以6次记录居于第二位,湖北省和内蒙古自治区均以5次记录并列第三位(图9)。这些陨石中绝大多数为普通球粒陨石,其中碳质球粒陨石1次,为1983年降落在陕西的宁强陨石,顽辉石球粒陨石1次,为1976年降落在贵州省的清镇陨石,无球粒陨石1次,为2016年降落在陕西延安的马子川古铜辉石无球粒陨石。1976年降落的吉林陨石,是世界陨石明星,不仅占据了单块球粒陨石质量最大(1770 kg)的位置,而且出了大量的科研成果,直接推动了我国陨石学与天体化学的发展。

9 中国大陆降落型陨石分布图

新中国(1949年至今)有记载的陨石降落次数为55次,其中在1974年到1986年的13年间出现了目击降落陨石的高峰,共有28次目击陨石降落,大于年均2次,是中国历史上目击陨石坠落的高峰期,其中1976年以6次目击陨石成为了年度降落陨石最多的年份(图10),这不但在中国历史上罕见,在世界各个国家目击陨石历史中也是绝无仅有。

10 新中国成立后陨石坠落频度图

3.陨石的类型划分

根据陨石母体是否经历过熔融分异作用,降落在地球上的陨石可分为未分异型陨石、不完全分异型陨石和分异型陨石三大类(图11)。未分异型陨石主要是指球粒陨石,球粒陨石中数量最多的为普通球粒陨石(52057块,占申报陨石总量的75%以上),此外还包含碳质球粒陨石(2372块)、顽辉石球粒陨石(615块)、K型球粒陨石(4块)、R型球粒陨石(202块)和未分组的球粒陨石。不完全分异型陨石主要是指原始无球粒陨石,科学家认为这类陨石是部分熔融分异形成的,或者熔融分异程度较低的陨石类型,包括Acapulcoites、Lodranites、Winonaites、Brachilites和橄辉无球粒陨石(Ureilites)五个化学群,其中有的资料将橄辉无球粒陨石划分为分异型陨石。分异型陨石主要起源于质量和体积稍大,在形成初期发生了熔融分异作用的行星及其卫星和小行星,目前有明确母体来源的有月球陨石和火星陨石,疑似确定母体的为HED族陨石,大多数科学家认为HED族陨石起源于灶神星,HED族陨石为古铜钙长无球粒陨石(Howardite)、钙长辉长无球粒陨石(Eucrite)和古铜辉石无球粒陨石(Diogenite)三种陨石类型英文首字母缩写,代表了具有相同或类似起源,具有相同母体或类似母体的一类陨石。月球陨石可简单划分为月海玄武岩、高地斜长岩和混合角砾岩(图12)三中类型,其中,作者近期发现了一种富含尖晶石(含量约8%)的橄长岩,其矿物组成和印度月船1号探测器搭载的美国矿物分析仪在月球多个区域发现的富含尖晶石岩性吻合,可能代表了一种新的岩浆岩类型。火星陨石目前可分为表土角砾岩、斜方辉石岩、纯橄岩、橄辉岩、玄武岩、含橄榄石斑晶玄武岩和二辉橄榄岩,后三种也统称为辉玻无球粒陨石。其它的无球粒陨石含有顽辉石无球粒陨石、钛辉无球粒陨石和疑似水星起源的NWA 7325(图13)。铁陨石、橄榄石铁陨石和中铁陨石也属于分异型陨石,起源于破碎的小行星的内核或者核幔交界部位。

11 陨石分类总图(陨石图片来源于网络、博物馆或个人收藏家)

12 NWA 11472 月球斜长岩质角砾岩,重2800 g,是地球上发现极少数重量比较大的月球陨石之一。

13 疑似水星起源的NWA 7325

4.陨石的肉眼鉴定

陨石是来自于地球之外的固体物质,在以高速(8-30km/s)穿过地球大气层的时候,会和大气发生激烈的摩擦燃烧,大部分质量会在大气中烧蚀掉。在和大气发生剧烈作用的时候会留下各种痕迹保留在陨石表面,成为鉴定陨石最重要的标准。同时,各种小星体在太空中会发生猛烈的撞击,形成各种冲击变质现象,也是鉴定陨石的重要指标。未分异型陨石具有各种球粒结构、并含有铁镍合金,铁陨石和橄榄陨铁也由于其独特的结构特征,成为肉眼鉴定的重要标准。总之,不同类型的陨石具有不同的特征,主要归纳如下:

对所有陨石都适用的鉴定特征为:(1)熔壳,陨石在穿过地球大气层与大气摩擦熔融物质冷凝后的玻璃质,一般为黑色、褐色、棕色等,个别为灰绿色,厚度几十微米到几毫米,含有气泡和纳米到微米级磁铁矿,为金属铁氧化产物(图14);(2)冲击气印,陨石和大气撞击在其表面形成的“拇指印”(图15);(3)熔脉和熔融囊,熔融物质沿着裂隙灌入,裂隙或陨石内部物质熔融后形成的玻璃质;(4)熔蚀坑,陨石中大的矿物颗粒或者角砾掉落后再次熔蚀形成的大坑或小坑;(5)收缩裂隙,熔壳表面发育的龟裂纹状裂隙,由热的熔壳在地表快熟冷凝热胀冷缩形成(图16);(6)熔流线,液态或者半固态的熔壳物质从陨石顶部(面向地球部分)向尾部溢流形成的凸起线状构造,可以指示陨石的运动方向(图17)。

14 2016年降落于陕西延安古铜辉石无球粒陨石——马子川陨石,具有黑色熔壳和冲击气印

15 Sikhote-Alin铁陨石发育明显的冲击气印

16 一块尚未命名的碳质球粒陨石具有完美的收缩裂隙(藏于桂林理工大学地质博物馆)

17 Dhofar 182 钙长辉长无球粒陨石漂亮的熔流线构造

球粒陨石具有明显的球粒结构(图18),含有金属铁镍合金和陨硫铁,可被磁铁吸引,在野外发现的球粒陨石触地的一面多发育锈迹,是含有的金属氧化的结果,且这类陨石由于含有铁镍金属而具有相对较大的比重。有些陨石在空中炸裂后会形成呈直角的断面(图19),有些断面还会发育二次熔壳。多数月球、火星和灶神星陨石具有角砾状构造和玄武岩质结构,铁陨石、橄榄陨铁和中铁陨石中的铁纹石镍纹石经过抛光和酸腐蚀后呈现具有鉴定特征的维斯台登结构(图20)和纽曼线。

18 一颗直径达7 cm的球粒(Allende CV3.2)

19 巴音戈壁普通球粒陨石陨石(Bayin Gobi,L5)呈直角的断裂面

20 瑞典M铁陨石切面漂亮的维斯台登纹(藏于桂林理工大学地质博物馆)

5. 陨石的市场价值

陨石不但具有重要的科研价值,而且由于其稀有性、观赏性和美好寓意,越来越受到私人收藏家和陨石爱好者的青睐,其市场交易价格连年攀升。陨石的市场价格往往受其科研价值、稀有性、美学价值等多方面因素的影响,而南极陨石由于其在世界范围内属于国家所有,不能在市场上流通,因此并无市场价值。目前在市场上,价值最高的是火星陨石和月球陨石,如NWA 7034火星陨石“黑美人”和2012年降落于摩洛哥的火星陨石Tissint,Tissint由于其新降落,最大程度避免了地球的污染,因而具有较高的市场价值。此外,同一种类型的陨石,降落型的价格要高出发现型的数倍乃至数十倍。随着我国近年来经济的飞速发展,陨石爱好者和私人收藏家越来越多,在中国发现的陨石和降落的陨石价格要远高于西北非沙漠陨石和国外的同类型降落陨石。因此,陨石的市场价格取决于陨石的科研价值、陨石类型、陨石新鲜程度、陨石发现地(降落地)、发现(降落)数量和市场运作等多种因素的影响。

此外,关于陨石是否有辐射?是否适合于佩戴也是陨石爱好者关注的问题之一。陨石是来自于地球之外太阳系的地质样品,由于母体体积小,不能像地球一样经历广泛而长久的物质分异和成矿过程,因此,含有放射性元素的矿物(如锆石、磷灰石、富稀土矿物等)远低于地球上的花岗岩等样品,因此,来自于放射性元素衰变的辐射源远低于地球上的碧玺、祖母绿等伟晶岩矿物。另一方面,由于陨石从宇宙来,缺乏大气层保护,残留有微量的宇宙射线和太阳风粒子,而微量的宇宙背景辐射并没有证据说明对人体有害或者有益。所以,在面对琳琅满目的饰品选择的时候,陨石也和其它的宝石饰品一样,你喜欢的就是合适的,你喜欢对你的身体就是有益的。


本文章受国家自然科学基金项目南极格罗夫山陨石富集机制研究(编号:41866008)和广西科技计划项目桂林理工大学科普示范基地建设(桂科AD16450001)联合资助。

[作者简介] 陈宏毅(1980-),男,博士,高级实验师,研究方向:陨石学和天体化学,Email:Chy@glut.edu.cn

 

编辑:梁夏雲      审核:陶琦 黄晓辉

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