NWA 13943(CK5型)碳質球粒隕石的礦物巖石學和穩定同位素組成研究*

梅奧新 徐偉彪

(1 中國科學院紫金山天文臺 南京 210023)

(2 中國科學技術大學天文與空間科學學院 合肥 230026)

1 引言

碳質球粒隕石是太陽星云凝聚的直接產物,代表了太陽系內最原始的物質.基于巖石結構、礦物化學特征[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.根據巖石結構的不同,球粒隕石又被分成6種巖石類型(1-6型),不同巖石類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作用.其中,根據全巖元素組成、球粒/基質比值、氧同位素組成等特征,碳質球粒隕石被歸為8種化學群,分別是CI、CM、CR、CH、CB、CO、CV和CK群隕石.大多數碳質球粒隕石母體沒有經歷大規模的熱變質過程[3],巖石類型以1-3型為主.但CK型碳質球粒隕石主要為平衡型隕石[4-8].它是一類高度氧化的碳質球粒隕石,母體經歷過強烈的熱變質作用,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碳質球粒隕石所缺失的母體熱變質信息,對研究碳質球粒隕石母體的演化歷史和不同碳質球粒隕石之間的地球化學特性和成因關系有重要的限定意義.

CK型隕石中一般含有豐富的磁鐵礦,體積分數(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].這類隕石的特征還包括: (1)基質比例高;(2)球粒尺寸較大(0.7-1.0 mm),以斑狀結構為主[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、宇宙射線暴露年齡[19]以及氧同位素組成等方面特征相似,它們曾被認為來自同一母體[4,7,18,20].但是,最近的研究結果表明,兩者在巖相結構和化學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,精細地區分和比較兩者的地球化學特征對于驗證CK-CV單一母體假說非常重要.

Northwest Africa (NWA) 13943是2020年在西北非沙漠新發現的一塊隕石,總重約94 g.Mei等[22]首次報道了該隕石,并將其歸為CK4/5型碳質球粒隕石.本文通過巖相學形貌觀察和礦物化學成分分析,確定了NWA 13943的隕石類型.此外,運用質譜技術測定了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)碳質球粒隕石進行對比.

2 實驗方法

本文主要對NWA 13943隕石的巖石結構、礦物化學成分以及全巖同位素組成開展研究.

首先利用掃描電子顯微鏡(Hitachi S-3400 N)獲取樣品的形貌信息,礦物模式豐度統計利用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,加速電壓設為15 kV,電流為20 nA.特征峰和背景值測量時間一般分別為20 s和10 s,分析K和Na時分別降為10 s和5 s.使用的標準礦物為美國SPI (Structure Probe,Incorperated)顯微實驗耗材供應公司提供的天然礦物及人工合成化合物,主要選用的標準礦物為赤鐵礦(Fe)、斜長石(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).最終數據經過ZAF(Atomic number Z,Absorption,Fluorescence)校正.以上實驗均在中國科學院紫金山天文臺天體化學實驗室完成.

全巖氧同位素分析在南京大學MAT-253型氣體同位素質譜儀上進行,取粉末樣品約2.5 mg,具體測試方法同文獻[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樣中的同位素比值的相對偏差的103倍)表達,定義為:δXO (‰)=1000 ×[(XO/16O)sample/(XO/16O)standard-1],其中X=18或17.標準物質一般使用維也納標準平均海水.δ18O和δ17O的標準誤差分別是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,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柏林自由大學地質科學研究所的Triton熱電離質譜儀(Thermal Ionization Mass Spectrometry)測定,粉末樣品質量約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樣中的同位素比值的相對偏差的104倍)來表達,定義為:εXCr=10000× [(XCr/52Cr)sample/(XCr/52Cr)standard-1],X=53或54.使用的標樣是NIST SRM (National Institute of Standards and Technology Standard Reference Material) 979.具體的分析和數據處理方法見文獻[21].

3 實驗結果

3.1 總體巖相學特征

NWA 13943隕石手標本見圖1,表面發育黑色熔殼,切面外圍有一圈厚度約1.2 mm的風化層.圖2為NWA 13943切片的背散射(BSE)全貌圖像及元素分布圖,內部可見少量(～7 vol.%)毫米至亞毫米級(0.6±0.4)mm的硅酸鹽球粒分布在細粒的基質中,其中代表性球粒的BSE圖像見圖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,僅發現少量鐵鎳金屬氧化物或硫化物(圖4 (a)).次生長石粒徑變化范圍為(16.9±6.7)μm (長石數量=206),基質重結晶程度比較高,偶見呈細脈狀分布的方解石和細粒的水蝕變礦物(圖4 (b)).礦物模式豐度統計結果表明,樣品由大約51 vol.%的橄欖石、41 vol.%的輝石、5 vol.%的長石、2.5 vol.%的磁鐵礦以及0.6 vol.%的碳酸鹽組成.

圖1 隕石NWA 13943的手標本照片Fig.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為藍色),白色方框內為典型的斑狀球粒,“Ch+數字編號”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: 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11 wt.%,內部干凈.礦物縮寫: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,破碎程度較嚴重,常發育裂紋(圖3).未見CAI(Ca,Al inclusions)和AOA(ameboid olivine aggregates)等特殊結構,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狀: (1)分散在細粒的基質中;(2)出現在球粒內部;(3)分布在球粒邊緣.大多數磁鐵礦邊角比較圓滑,內部常包裹橄欖石、斜方輝石顆粒.孔隙度高(圖4 (a)、4(b)和4 (c)),內部常見鈦鐵礦和尖晶石出溶(如圖4(b)).少數磁鐵礦呈半自形、不含包體、無孔洞(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試結果見表1.結果表明,NWA 13943中的磁鐵礦為富鉻磁鐵礦,Cr2O3的質量分數(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,個別磁鐵礦的化學成分發生了偏離,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含量相對偏低(≥54.1 wt.%).巖相結構上,這類高度富鉻的磁鐵礦也區別于其它大多數磁鐵礦,主要表現為: 自形程度更高、內部干凈、孔隙度低.

表1 NWA 13943中部分代表性磁鐵礦的化學成分(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橄欖石的代表性化學成分見表2.圖5為NWA 13943中球粒橄欖石和基質橄欖石的Fa頻率分布直方圖(Fa為Fe/[Mg+Fe]摩爾比×100).由圖5可知,兩種產狀的橄欖石中均未出現環帶結構,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橄欖石的代表性化學成分(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的全巖氧同位素測試結果為: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,2SE為兩倍標準差).

4 討論

4.1 NWA 13943的巖相學分類

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(1-8 vol.%,平均值為4 vol.%)[16].鐵鎳金屬及其硫化物罕見,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.%).次生長石粒徑變化范圍(直徑D=(16.9±6.7)μm,長石數量=206)與CK5隕石一致(4μm＜D＜50μm;CK3: 不含長石;CK4:D＜4μm;CK6:D＞50μm)[8].綜上,NWA 13943屬于CK5型碳質球粒隕石.

4.2 NWA 13943的化學群分類

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

4.3 磁鐵礦

碳質球粒隕石中的磁鐵礦一般被認為是金屬低溫水蝕變的產物[35].由于磁鐵礦抵抗地球風化作用的能力較強[36],可以認為地球風化對磁鐵礦的成分基本沒有影響.但是,受母體上后期熱變質作用的改造,磁鐵礦的化學成分很可能發生變化.因此,文獻[6]提出利用磁鐵礦的化學成分可以有效區分出CV、CK3以及CK4-6型隕石.

NWA 13943中磁鐵礦的主量化學成分(Fe2O3)和微量化學成分(MgO、Cr2O3、TiO2和Al2O3)含量與前人報道的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成分見圖6,結果表明除個別極富鉻的磁鐵礦外,NWA 13943中磁鐵礦的化學成分均落在CK4-6型隕石的范圍之內.

圖6 NWA 13943中磁鐵礦的化學成分相關圖.CK3[6]、CK4-6[4,7,16,20,37]和CV型[7,38-40]隕石中的磁鐵礦化學成分用來對比.Fe2O3含量為化學計量結果[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隕石過渡到平衡型CK隕石,磁鐵礦中MgO含量與TiO2、Al2O3含量變化呈現出正相關趨勢.結合巖相學的觀察結果,這可能與CK型隕石母體冷卻過程中磁鐵礦出溶鈦鐵礦和尖晶石相關,反映了CK型隕石母體上的熱變質信息.另一方面,類似的變化趨勢在CV型隕石中并未觀察到,這與CK-CV同源說中提出的CK和CV隕石屬于同一熱變質序列的假說矛盾.

4.4 氧同位素和鉻同位素組成

如上文所述,CK和CV型碳質球粒隕石呈現出許多相近的地球化學特征,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]來解釋兩者在巖相結構和化學組成上的微小差異.他們認為這些差異是由于兩者經歷的熱變質程度不同導致的.

前人的研究表明,雖然隕石中的氧同位素組成對水蝕變作用[41-42]和地球風化作用[43]很敏感,但ε54Cr不受這兩種過程的影響,這說明母體上的熱變質過程不會使隕石樣品中的鉻同位素發生重新分配[21].因此,如果CK型隕石和CV型隕石來自同一個母體,只是經歷的熱變質程度不同,那么兩者應該具有相似的ε54Cr值.實際上,最近的研究結果表明[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自同一個母體.

圖7為NWA 13943與其他碳質球粒隕石的三氧同位素分布圖和ε54Cr-Δ17O相關圖.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球粒隕石無水礦物線(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道的數據進行對比,結果表明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比前人報道的CK隕石的Δ17O略高(如圖7 (b)),可能與NWA 13943經歷的水蝕變作用和/或地球風化作用有關.

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Allende氧化型、類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: 碳質球粒隕石無水礦物線.參考數據來自文獻[7].(b)碳質球粒隕石的ε54Cr-Δ17O同位素相關圖.紅色五角星代表NWA 13943隕石,誤差棒為2SE.參考數據來自文獻[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 結論

基于NWA 13943的巖相結構和礦物化學成分特征,包括球粒大小和比例、磁鐵礦的含量、次生長石粒徑、球粒和基質中橄欖石的Fa值分布以及磁鐵礦的主微量元素組成,發現NWA 13943與CK5型碳質球粒隕石的各項特征最接近.通過測量磁鐵礦中Cr2O3、TiO2、Al2O3和Fe2O3的含量能夠區分出CV、CK3以及CK4-6型隕石.結合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中兩個特征相似但不同的化學源區.

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