天体陨石内部化学成分的研究讨论

天体陨石内部化学成分的研究讨论陨石与地球岩石一样，基本上都是由矿物组成的。但由于陨石长时期存在于高度真空的宇宙空间环境，未经历过地球岩石所受的那些变质作用和风化作用，因此陨石矿物的种类和共生组合与地球矿物存在明显的差别。陨石根据其内部的铁镍金属含量高低通常分为三大类：石陨石、铁陨石、石铁陨石。石陨石中的铁镍金属含量小于等于30%；石铁陨石的铁镍金属含量在30%——65%之间；铁陨石的铁镍金属含量大于等于95%。石铁陨石由铁、镍和硅、酸、盐矿物组成，铁镍金属含量30至65，这类陨石约占陨石总量的1.2，故商业价值最高。该类陨石含铁70%以上，其次为硅、铝、镍，主要矿物有锥纹石、镍纹石、合纹石等，次要矿物为陨硫铁、铬铁矿、石墨等。石铁陨石根据起内部的主要成分和构造特点分为：橄榄石石铁陨石（PAL）、中铁陨石（MES）、古铜辉石——鳞石英石铁陨石。石陨石上硅酸盐矿物如橄榄石、辉石和少量斜长石组成，也含有少量金属铁微粒，有时可达20以上。密度3至3.5。石陨石占陨石总量的95%。1976年3月8日15时，吉林地区东西12公里，南北8公里，总面积500多平方公里的范围内，降一场世界罕见的陨石雨。所收集到的陨石有200多块，最大的1号陨石重1770公斤，名列世界单块陨石重量之最。吉林陨石表面，有黑色、黑棕色熔壳和大小不等气印。化学组成成分为Sio2占37.2，Mgo2占3.19Fe占28.43。主要矿物有贵橄榄石、古铜辉石、铁纹石和陨硫铁；次要矿物有单斜辉石、斜长石等。石陨石根据起内部是否含有球粒结构又可分为两类：球粒陨石、不含球粒陨石。球粒陨石根据化学-岩石学分类被分为：E、H、L、LL、C五个化学群类。E群中铁镍金属含量最高，形成在一个极端还原的环境中，其橄榄石和辉石中几乎不含氧化铁；C群中的铁镍金属含量最低（或不含铁镍金属成分），形成在一个相当氧化的环境中，其橄榄石和辉石中的氧化铁含量比值最高；H、L、LL群的形成环境界于E群和C群之间，其特点也界于E群和C群之间。无球粒陨石根据其氧化钙含量的高低分为：贫钙无球粒陨石、富钙无球粒陨石两个大类。贫钙无球粒陨石中的氧化钙含量小于等于3%；富钙无球粒陨石中氧化钙含量大于等于5%。铁陨石铁陨石中含有90%的铁，8%的镍。它的外表裹着一层黑色或褐色的1毫米厚的氧化层，叫熔壳。外表上还有许多大大小小的圆坑叫做气印。此外还有形状各异的沟槽，叫做熔沟。这些都是由于它们有陨落过程中与大气剧烈摩擦燃烧而形成的。铁陨石的切面与纯铁一样，很亮。铁陨石约占陨石总量的3℅。世界3号铁陨石于19世纪末发现于我国新疆青河县，大小为2.42×1.85×1.37，重约30吨。该陨铁含铁88.67℅，含镍9.27℅。其中含有多种地球上没有矿物，如锥纹石、镍纹石等宇宙矿物。普通球粒陨石的平均化学成分，可作为所有陨石的平均成分的近似值。但是，不同类型陨石的化学成分存在着显著的差异。碳质球粒陨石的挥发性元素(Ti、Bi、Pb、Hg)的丰度比普通球粒陨石要高几个量级,它还含有较多的...普通球粒陨石的平均化学成分，可作为所有陨石的平均成分的近似值。但是，不同类型陨石的化学成分存在着显著的差异。碳质球粒陨石的挥发性元素(Ti、Bi、Pb、Hg)的丰度比普通球粒陨石要高几个量级,它还含有较多的稀有气体和有机物。I型碳质球粒陨石的元素相对丰度，除了氢和氦等挥发性元素外，与太阳系的元素丰度非常接近，可认为是太阳星云的原始物质。无球粒陨石的化学成分，与地球的地幔岩（超镁铁岩）十分近似,其K/Rb、(Sr/(Sr和K/U之值也几乎一致。普通球粒陨石与地壳火成岩的化学成分对比表明，地壳火成岩富集亲石元素(F、Al、Ti、Sr、Ba、Zn、Tl、U)，而普通球粒陨石则富集亲铁元素（Mn、Cr、Fe、Co、Ni、Ge、钼族元素）和Mg。陨石中挥发性元素(Rb、Cs、Zn、In、Tl、Pb、Bi)的含量均比地壳和整个太阳系低。铁陨石的成分几乎全是Fe和Ni，地壳或月球的岩石都不能与它相比。本文主要是以吉林陨石中的铁纹石、四方镍纹石、陨硫铁为例进行研究讨论．陨石中磁性物质的研究是认识太阳星云、小行星磁场及其演化的基础。岩石磁学和古地磁学研究表明，地球样品中的磁性矿物主要是铁氧化物（如磁铁矿、赤铁矿和磁赤铁矿等）、铁硫化物（如磁黄铁矿、胶黄铁矿等）以及铁的氢氧化物（如针铁矿等）但是，陨石中的磁性物质则以铁镍合金为主，极少数陨石中含有磁铁矿或磁黄铁矿等铁氧化物．在铁陨石中铁镍合金达到１００％，在石铁陨石中铁镍合金约为５０％，在球粒陨石中铁镍合金为５％～２５％，在无球粒陨石中为１％或更少．陨石中铁纹石（Ｎｉ，＜１０％）、镍纹石（Ｎｉ，２２％～６５％）、四方镍纹石（Ｎｉ，４８％～５５％）等是铁镍合金的主要形式［３－５］，陨石的磁性与这些铁镍合金物质密切相关．在已发现的陨石中，球粒陨石占９０％以上，球粒形成时几乎都经历了不同程度交代变质作用，可能记录太阳系的早期演化历史［６－７］．无球粒陨石在母体内形成时经历了局部或是全部的熔融分异，主要记录了其母体的演化［７－８］．然而，由于受到样品稀少和实验技术的限制，迄今人们对陨石中磁性物质研究较少，这制约了人们通过陨石磁性认识太阳星云和小行星磁场形成和演化的研究．地球深部研究表明铁镍合金还是地核的主要物质［９－１０］．为了认识铁镍合金的磁学性质，我们选择１９７６年降落于我国的吉林陨石进行了岩石磁学研究．吉林陨石属于普通球粒陨石（Ｈ５），其Ｒｂ－Ｓｒ和Ｐｂ－Ｐｂ等时线年龄约为４５亿年［１１］．早期的矿物学分析表明，该陨石曾受到明显的热变质和冲击变质作用［１２］；主要矿物有橄榄石、辉石、金属、陨硫铁、铬铁矿、钛铁矿、白磷钙石等［１３］．最近，我们通过扫描电子显微镜和Ｘ射线能谱仪（ＥＤＳ）重点对吉林陨石中金属相做了分析，发现金属物质主要由铁镍合金和少量的铁硫化物组成，粒度从小于１μｍ至数百微米不等．其中，铁纹石中镍含量为６％～７％，铁纹石颗粒占全部铁镍合金～９５％；镍纹石（镍含量３５％～５０％）和四方镍纹石（镍含量～４８％）占铁镍合金～５％；铁硫化物（ＦｅＳ，硫含量～５０％）少量．室温岩石磁学性质实验样品选自吉林陨石核部（不包括融壳）的新鲜样品．磁化率随温度变化（－Ｔ曲线）测量在捷克Ａｇｉｃｏ公司ＫＬＹ－３卡帕桥（温度控制系统为ＣＳ－３）上完成．磁滞参数（包括饱和剩磁Ｍｒｓ，饱和磁化强度Ｍｓ，矫顽力Ｂｃ和剩磁矫顽力Ｂｃｒ）、等温剩磁（ＩＲＭ）获得曲线及其反向场退磁、磁化强度随温度变化（Ｍ－Ｔ曲线）使用德国Ｐｅｔｅｒｓｅｎ公司ＶＦＴＢ可变场居里秤测量．一阶反转曲线（ＦＯＲＣ）图采用美国Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ公司ＭｉｃｒｏＭａｇ２９００变梯度磁力仪测量．低温磁学测量使用美国ＱｕａｎｔｕｍＤｅｓｉｇｎ公司ＭＰＭＳ－５低温超导磁测量系统．岩石磁学分析的样品包括新鲜吉林陨石全岩粉末和经过磁选分离两种样品．后者是将新鲜块状样品磨成粉末后用磁铁（最大磁场强～５０ｍＴ）进行磁分选．室温磁滞回线测量使用的最大外磁场为±１Ｔ．全岩样品的磁滞回线为细窄型，在０．５Ｔ外场中接近饱和（图１ａ），通过测量三块样品获得的平均饱和剩磁Ｍｒｓ为１．３Ａｍ２•ｋｇ－１，平均饱和磁化强度Ｍｓ为４５Ａｍ２•ｋｇ－１，平均矫顽力Ｂｃ为６ｍＴ．等温剩磁（ＩＲＭ）获得曲线显示，在０．３Ｔ时样品仅获得了１Ｔ时ＩＲＭ的～６０％，说明其ＩＲＭ主要由硬磁物质所携带（图１ｂ）．反向场退磁结果也显示样品具有较高的剩磁矫顽力，平均值为８０ｍＴ．在ＦＯＲＣ图上显示样品也具有较小的矫顽力（平均矫顽力为２．３ｍＴ），等值线不闭合而沿纵轴开口（图１ｃ）．因此，样品的磁性物质主要由多畴（ＭＤ）和超顺磁性（ＳＰ）颗粒组成［１４－１５］．－Ｔ曲线样品的室温平均磁化率（）值约为４×１０－５ｍ３•ｋｇ－１．在氩气环境下，全岩样品加热到７００℃时仅降低了约１０％，表明样品含有居里温度＞７００℃的磁性物质，并具有比较高的热稳定性．加热曲线上在４５０～６００℃之间出现先升高后降低，可能与四方镍纹石有关，其居里温度为５５０～５８０℃［１６－１８］．在６５０～７００℃之间也显示小幅降低．降温曲线在４５０～５５０℃之间升高，之后冷却曲线高于加热曲线，冷却到室温时较初始值增加了８％（图２ａ）．受到卡帕桥仪器最高加热温度的限制，没有进行更高加热温度实验．磁选样品的值较全岩样品要高３～４倍．在氩气中对磁选样品进行分段加热，结果见图２ｂ—２ｄ．在３００℃前，加热和冷却曲线基本可逆．当最高温度加热至５８０℃时，加热曲线上基本保持不变，４５０～５８０℃之间出现微小升降，但在冷却曲线上５８０～４５０℃出现明显升高，室温时较原先升高约６％．当最高温度加热到７００℃时，４５０～６００℃之间仍然出现降低，加热曲线和冷却曲线基本可逆（图２ｄ）．在４５０～６００℃之间变化除与四方镍纹石有关外［１７］，另一种可能是由于陨硫铁分解为铁和硫，铁的磁化率高于陨硫铁的磁化率所致．Ｍ－Ｔ曲线首先对全岩样品在空气中加热，实验最高加热温度为８００℃，实验升温速率为４０℃／ｍｉｎ．加热曲线显示随温度升高５００℃前磁化强度（Ｍ）缓慢降低，５６５℃左右出现Ｍ小幅度降低，７５０℃左右迅速降低．冷却曲线显示６３０℃左右Ｍ迅速上升，冷却至室温时磁化强度Ｍ值低于初始值约８％（图３ａ）．样品重复加热的Ｍ－Ｔ曲线与第一次加热曲线特征基本一致，冷却至室温时Ｍ出现轻微降低，低于初始值约５％（图３ｂ）．对磁选样品在空气中加热实验结果与全岩样品实验结果基本相同．全岩样品在氩气中的Ｍ－Ｔ实验也显示了７５０℃的居里温度．加热曲线也在５６５℃左右小幅度降低，加热和冷却曲线在６００～７５０℃之间明显不可逆，在低温段（＜６００℃）加热冷却曲线基本可逆（图３ｃ）．重复加热Ｍ－Ｔ曲线基本特征不变．磁选样品在氩气中分段加热显示，当最高温度加热至６５０℃时加热曲线和冷却曲线基本可逆．与空气中加热的实验结果比较，Ｍ－Ｔ曲线主要特征十分相似，但在氩气中加热的冷却曲线与加热曲线可逆性比较好，说明空气加热可能使部分磁性物质被氧化而造成磁化强度降低．无论是在空气中还是在氩气中加热的Ｍ－Ｔ曲线上最显著的特征是７５０℃出现的磁化强度降低．根据纯铁的居里温度为７６５～７８０℃［１９－２０］，以及上述ＥＤＳ分析显示铁纹石的镍含量为６％～７％，我们认为７５０℃出现的磁化强度降低是铁纹石的居里温度，镍造成了其居里温度低于纯铁．加热过程中在５６５℃左右小幅降低，可能对应四方镍纹石的解阻温度．低温磁性测量低温磁性测量首先将样品由室温在零场中冷却至１０Ｋ，然后测量样品在１０ｍＴ外磁场中升温（１０～３００Ｋ）和降温（３００～１０Ｋ）过程中所获得的感应磁化强度．全岩样品的低温测量结果显示，升温曲线在６０～７０Ｋ之间明显升高，随后缓慢升高；降温曲线在～６０Ｋ时迅速升高（图４ａ）．６０Ｋ附近的转换温度可能对应陨硫铁的低温转换温度［２１－２２］．样品中含有较多的铁纹石，但图４ａ中未见其他的低温转换温度，说明铁纹石可能没有明显的低温转换温度．为了进一步分析加热对样品中铁镍合金和铁硫化物的影响，对经过氩气和空气中８００℃加热后的磁选样品分别进行了低温磁性测量．如图４ｂ所示，经过氩气中８００℃加热后样品的磁化强度随温度变化曲线与未加热样品相似，仅在６０Ｋ出现陨硫铁的转换温度，但变化幅度略有减弱，可能是部分陨硫铁分解所致．然而，经空气中８００℃加热后样品的磁化强度随温度变化曲线上，磁化强度在升温曲线上１２０Ｋ时迅速升高和在降温曲线上１２０Ｋ时降低，这很好地对应磁铁矿的Ｖｅｒｗｅｙ转变，说明在空气中加热生成了少量的磁铁矿（图４ｃ）［２］；另外，６０Ｋ的转换消失，说明在空气中加热陨硫铁被氧化．讨论吉林陨石中铁镍合金是其主要铁磁性物质．前人研究表明，纯铁的居里温度为７６５～７８０℃，镍的居里温度为３７５℃［１９－２０］，铁纹石中镍含量为７％和９％时对应的居里温度分别为～７３５℃和～７０５℃［２０，２３］，可见镍含量的增加会导致铁纹石居里温度降低．我们实验发现吉林陨石中铁纹石（镍含量为６％～７％）的居里温度为～７５０℃．铁纹石的一个显