隕石的衝擊熔融與熱變質作用研究,這些深層次的常識你知道嗎?

2020-12-23 星石空間站

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歡迎各位朋友們來到 星石空間站 ,本次星際知識之旅將和您一起來深入了解隕石的衝擊熔融作用和熱變質作用吧!

隕石的衝擊變質級別是隕石衝擊強度的指標,用S表示。

衝擊常在兩個流星體或較大的小行星撞擊後產生。衝擊會對流星體母體產生很大的壓力,造成隕石內部成分熔融、變形和再結晶,在隕石內部產生微米至釐米級的影響。

隕石的衝擊變質程度可分為1到6級。較小的星體由於它們彼此之間的引力和勢能較小,彼此碰撞無法生成足夠大的撞擊速度來產生衝擊效應所需的壓力和溫度,所以超過5 GPA(註:1 GPA = 10000大氣壓)的高瞬時壓力是產生衝擊變質作用所必需的。

圖1: NWA12792 的切塊標本

衝擊造成的晶體破裂和其他特徵須在顯微鏡下才可以觀察到,有些因衝擊作用形成的熔融脈會呈現出錯綜複雜的漂亮蛛網狀結構是用肉眼可以看到的。

以下是D.Stoffler,K.Keil和RD Scott對衝擊等級劃分的介紹:

S1:衝擊無影響(5 GPA)

S2:非常弱的衝擊(5-10 GPA):在偏振光下看到橄欖石的不均勻變暗,平面和不規則的裂縫(天然解理裂縫除外);

S3:弱衝擊(15-20 GPA):橄欖石、斜長石在偏振光下未出現明顯破裂和變形,但有黑色的衝擊脈和一些熔囊;

S4:適度衝擊(30-35 GPA):橄欖石在偏振光下呈現較多面狀破裂,同時斜長石出現面狀變形,互相連接的黑色衝擊脈;

S5:強烈的衝擊(45-55 GPA):橄欖石出現很強的破裂和變形特徵,同時斜長石普遍發生熔長石化;

S6:非常強烈的衝擊(75-90 GPA):橄欖石出現重結晶或高壓相變,並將斜長石衝擊熔化成玻璃。熱變質和衝擊作用的影響均可能導致隕石中金屬的遷移和聚集,在合適的壓力和溫度下這些金屬能很容易地穿過矽酸鹽從一個金屬顆粒移動到另一個金屬顆粒;

圖2:Chelyabinsk隕石切片

粒隕隕石在受到高強度衝擊時其內部細小分散的鐵鎳金屬易氣化熔融與矽酸鹽分離後再結晶,聚集成較大的金屬顆粒。當金屬顆粒大於3mm時稱之為金屬團塊。通過對許多隕石標本上大顆粒金屬的觀察發現,大的金屬團塊多產於擦痕面、破裂面或暗色細脈發育部位。

圖3: 西北非隕石的典型特徵

鏡下常呈根須狀與隕石體內的微裂縫相連結,有的周圍很少見到細粒金屬,而相隔一段距離後細粒金屬又明顯增多。 在有些受到強衝擊融脈發育較多的隕石中有大量0.1-10mm的鐵鎳金屬和隕硫鐵的共結體球形或橢球形團塊, 它們是衝擊熔融後從矽酸鹽熔體分離結晶的產物。

早期一些研究人員對吉林隕石的研究結果也進一步證明了金屬的這種遷移和聚集的能力。在吉林隕右雨的不少隕右體表面常裸露有大的金屬顆粒或團塊,一般粒徑為5~8mm,已知最大團塊長達 ~30mm左右,即分散在矽酸鹽球粒和基質中的金屬顆粒在原地或經過短距離遷移和集中,形成較大的金屬顆粒,有些則可聚集形成20~30mm的金屬塊體。

圖4:吉林隕石切片

研究人員對1500克吉林隕石破碎分離後,得出的如下結果:

圖5:吉林隕石中金屬顆粒粒度分布表

研究顯示,隕石中的衝擊特徵是在其母星體與其它星體之間高度碰撞產生的。根據隕石的衝擊壓縮線和隕石中各種衝擊特徵出現的壓力範圍,可以計算出各類衝擊特徵形成的最小碰撞速度,以此來推斷出隕石衝擊效應形成的動力學條件與空間環境。

通過已有的衝擊壓縮線數據和其它隕石類似物的衝擊壓縮線來代替使用的結論證明了(小隕石體撞擊大隕石母體)和(等大隕石母體的碰撞),真正的衝擊變質和衝擊角礫的形成,鐵質隕星的碰撞速度至少> 0.7k m /s;石質隕星>1.0k m /s;浮土角礫(代表碳質球粒隕石或含熔融巖屑的碎塊角礫)必須起源於碰撞速度> 4~5k m/s的撞擊事件;對於含有金屬和矽酸鹽的複合角礫,其最小碰撞速度可略小於4 km /s,這些速度正好在主小行星帶的碰撞速度範圍內,這一方面說明隕石衝擊效應主要是其母體在主小行星帶內相互碰撞產生的,另一方面為隕石來源於小行星提供了又一有力證據。

圖6:西寧湟中隕石(目擊)

【衝擊特徵】

衝擊變質級別和特徵主要依靠隕石的衝擊熔融脈以及橄欖石、長石的暗化、破裂、變形、結晶程度、衝擊巖相等眾多特徵來判別。實踐過程中,通過隕石表面有時可見衝擊熔融脈,但大多時候是沒有的。衝擊波在阻抗較大的礦物或結構不夠緻密的薄弱區間作用而形成衝擊脈。衝擊脈有時成密布的蛛網狀,有時象迷霧般穿插切割基質、球粒或沿著礦物或角礫邊緣穿縮,有些發育粗壯的金屬脈還會對球粒發生擠壓致使球粒變形、破碎,這種強衝擊造成的熱量還會造成隕石內部鐵鎳金屬、隕硫鐵及矽酸鹽礦物的熔融聚合。

圖7: Chelyabinsk隕石

只有在一些衝擊變質級別較高的如:S3-S6型中有時可用肉眼直觀的看到衝擊熔融脈和聚集在其附近的大的金屬團塊,其它成分的變化則要藉助專業儀器設備才能看到,下文會更深入介紹。

隕石研究其實已經不再是秘密,能說出來能寫出來的都不再是秘密。通過上面大體的介紹,下面就更深入的認識下科研實驗觀察的現象與性質。

1.【波狀消光】

衝擊壓力使矽酸鹽礦物的結構發生塑性變形, 產生波狀消光。在正交偏光顯微鏡下觀察, 礦物顆粒一部處於消光位,另一部分仍為亮光, 轉動物臺時 ,亮暗帶像波浪一樣推進 。在受到衝擊作用的樣品中 ,橄欖石顆粒均發育不同程度的波狀消光 。

圖8

2.【面狀破裂】

衝擊作用的壓力會造成矽酸鹽礦物的破裂 , 在光學顯微鏡下可觀察到, 橄欖石顆粒表面發育多條平直細密的破裂面,部分橄欖石顆粒表面可見兩組相互垂直的破裂面。面狀破裂是中等強度以上衝擊 (S3級及以上 )的重要標誌。

圖9

3.【衝擊熔融】

L群普通球粒隕石,布滿不透明網狀熔脈, 矽酸鹽礦物非常破碎 ,整塊薄片出現明顯的暗化 。不透明的脈狀區域在掃描電鏡(BSE模式 )下觀察發現,它們由大量矽酸鹽角礫和粒間充填的、細的網狀金屬-硫化物構成(圖8)。矽酸鹽角礫具有明顯的銳角,基本上無熔蝕特徵。

金屬-硫化物與矽酸鹽相比具有明顯低的熔點,因此在不是很強烈的衝擊變質下,可以首先出現熔融 。據Rubin等對頑輝石球粒隕石衝擊變質程度的研究 ,可將金屬—硫化物細脈的出現作為S3級及以上衝擊變質程度的依據。

圖10

4.【矽酸鹽礦物衝擊熔融】

隨著衝擊強度的進一步升高,衝擊時產生的高溫高壓使隕石發生部分熔融, 形成衝擊溶脈。衝擊熔脈在光學顯微鏡下呈黑色線狀 、脈狀或囊狀 ,熔脈寬度不等, 可從微米級到毫米級,有些樣品發育有多條網狀熔脈 。少數樣品遭受強烈衝擊熔融作用 ,整塊薄片均被粗黑熔脈覆蓋 ,殘留的礦物晶體均破碎暗化。

衝擊熔脈在光學顯微鏡下不透明 ,在反光鏡下觀察其基質為細粒自 形的矽酸鹽顆粒,並分布有大量由不透明礦物 (如Fe-Ni金屬 、隕硫鐵 、鉻鐵礦等 )構成的大小不等的小圓球 。

圖11

在較大的不透明礦物圓球中, 可見Fe-Ni金屬與隕硫鐵形成共結晶結構 。不透明礦屑或其集合體角礫普遍出現圓化現象 (圖9, 圖10), 正交偏光鏡下觀察, 除少量的大顆粒矽酸鹽 ,大部分顆粒全消光 ,表明其結構在衝擊壓力下發生了改變 。衝擊熔脈的矽酸鹽基質部分主要由自形等粒狀晶體組成, 部分顆粒呈針狀 、羽狀等。

粒度約 1—3 μm,並從熔脈中部向兩側呈遞減趨勢(圖 11)。熔脈中的一些區域 ,還分布有富 FeO的針狀矽酸鹽晶體,在電子背散射圖像中較前者亮度較大 (圖12 )。能譜成分分析顯示,基質中佔主要成 份的自形等粒狀顆粒的化學成分與輝石 (Mg,Fe)SiO3一致,拉曼光譜分析顯示其在 936、664、535cm^-1 的位置有明顯的峰,表明它們是 鎂鐵—鎂鋁榴石固溶體,由高密度矽酸鹽熔體在高壓條件下結晶形成。

圖12

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