元阳铁陨石的矿物岩石学和微量元素地球化学研究∗

王海洋 徐伟彪

(1中国科学院紫金山天文台 南京 210008) (2中国科学院行星科学重点实验室 南京 210008) (3中国科学院大学 北京 100049) (4澳门科技大学太空科学研究所 澳门 000853)

元阳铁陨石的矿物岩石学和微量元素地球化学研究∗

王海洋1,2,3†徐伟彪1,2,4‡

(1中国科学院紫金山天文台 南京 210008) (2中国科学院行星科学重点实验室 南京 210008) (3中国科学院大学 北京 100049) (4澳门科技大学太空科学研究所 澳门 000853)

元阳铁陨石是2010年在云南省元阳县山区发现的,其内部的主要矿物为铁纹石和镍纹石,铁纹石的含量很高(约占80%),镍纹石的含量较低.铁纹石中Ni含量为4.88–6.21 w t%,镍纹石中Ni含量为26.13–50.27 w t%.副矿物有陨磷铁镍石、闪锌矿和氮铬矿.陨磷铁镍石存在大、小两种颗粒,具有颗粒越大Ni含量越低的特点.元阳铁陨石中没有发现硅酸盐包体.由于经受了地表风化蚀变作用,样品边缘以及铁纹石裂隙间都发生了氧化.元阳铁陨石中铁纹石的条带宽度较粗,属于粗粒八面体结构.中子活化分析结果显示:元阳铁陨石的Ni(7wt%)和Au(1.565 ppm)的含量都相对较低,和IAB-MG(IAB-Main group)群的铁陨石在化学成分上具有相似性,属于IAB-MG群.相对于其他IAB-MG群铁陨石,元阳铁陨石的Ir(1.00 ppm)含量偏低,这可能是由于其母体中富含Ir的矿相在冲击作用下并没有完全熔融.

天体化学,方法:实验室,方法:数据分析,仪器:电子探针

1 引言

铁陨石主要由铁纹石、镍纹石组成,含少量的硫化物、磷化物和碳化物,少数铁陨石中还包含有硅酸盐包体.前人根据铁陨石中的铁纹石条带的宽度,将铁陨石分为六面体、八面体和富镍无结构3大类[1],其中八面体铁陨石又可以细分为极粗粒、粗粒、中粒、细粒、极细粒、过渡体6个亚类(表1).结构分类法是一种单参数的分类方法,依照这种方法分类并不能很好地体现出同类铁陨石的相关性(如矿物组成、化学成分、成因等).比如:铁纹石条带宽度相似的铁陨石有时其化学成分相差很大,因此它们可能有不同的成因和母体来源.并且铁陨石中元素的固态扩散作用要强于石陨石,在冲击、重新加热等作用下很容易改变铁陨石原本的结构.实际上,铁纹石条带宽度是由铁陨石中Ni的含量和冷却速率这两个因素决定的.铁纹石条带宽度不能很好地反映铁陨石的成因机制和不同群之间的关联趋势,不同铁陨石群的铁陨石可以有相同的带宽.

表1 铁陨石的结构分类Table 1 The stru ctu ral classification o f iron m eteorites

较好的分类方法是化学分类法,将铁陨石所含的主要元素Ni和微量元素Ga、Ge、Ir等的含量作为主要分类依据,通过做对数图的方法找出相关性.铁陨石可分为14个化学群,分别是IAB、IC、IIAB、IIC、IID、IIE、IIF、IIG、IIIAB、IIIE、IIIF、IVA、IVB和ungrouped[1].其中除了IAB和IIE是非岩浆成因以外,剩下的为岩浆成因,是小行星母体内大规模熔融分异形成的产物.本工作在矿物岩石学的基础上应用化学分类法对元阳铁陨石进行分类,并讨论其微量元素地球化学特征以及可能的成因机制.

2 样品及实验分析

元阳铁陨石是2010年由一个农民在云南省元阳县山区发现的.元阳铁陨石重约140 kg(图1),呈棱锥形,可以看见部分气印,表面有明显的锈蚀.

制样与分析工作在紫金山天文台天体化学和行星科学实验室完成.先将元阳铁陨石切割、研磨并抛光后,制备了3个光片.用光学显微镜对样品进行内部岩石结构的观察,然后将样品镀上碳膜,并用配有Oxford INCA能谱仪的Hitachi S-3400N II型电子显微镜对样品进行分析(工作电压为15 kV).利用电子显微镜观察元阳铁陨石中铁纹石、镍纹石等矿物的背反射电子图像,并通过能谱仪测矿物的成分.最后用日本电子JXA-8230电子探针(EPMA)对样品的矿物成分进行定量分析,所用电压和电流分别为20 kV和20 nA,各矿物皆采用点分析.标准样品为美国国家标准局天然及合成的金属和化合物,其中Cu、Co、Fe、Ni、Cr使用对应的金属单质作为标样,S使用黄铁矿,P使用InP作为标准样品.所有数据均用ZAF(atom ic number absorption fluorescence)方法进行校正.

元阳铁陨石的中子活化分析是在加利福尼亚大学的实验室完成的.为了减少几何效应对计数的影响,实验中将样品的厚度切割为(3.0±0.2)mm,并制成一式两份.将样品放入反应堆中照射,所用中子流强度为1.8×1012cm−2·s−1,照射时间约为3 h.取出后间隔6 h、15 h、80 h和600 h分4次对样品测量计数.通过与已知全岩化学成分的陨石如North Chile、Odessa以及Canyon Diablo铁陨石标样进行对比,分析出本样品全岩的化学成分.实验方法和条件详见Wasson等[2].

图1 元阳铁陨石,重约140 kgFig.1 The Yuanyang,w eighted abou t 140 kg

3 元阳铁陨石的矿物岩石学特征

元阳铁陨石样品后期蚀变较为严重,样品裂隙、边缘都出现不同程度的氧化(图2(a),2(b)).用电子探针测试了3个光片中各种矿物的化学成分,其中有两个光片得到了比较准确的结果(表2),有一个光片可能由于氧化程度过高而没有得到准确的数据,表2中给出了各个矿物中各元素含量的平均值和大致范围.元阳铁陨石中铁纹石的条带宽度较粗,具有粗粒八面体结构,主要矿物为铁纹石和镍纹石,副矿物有陨磷铁镍石、闪锌矿、氮铬矿,未发现陨硫铁、石墨以及硅酸盐包体.样品中的矿物大多为铁纹石,约占80%,其他矿物零星分布在铁纹石里.相同矿物由于形态、大小和产出位置不同,其元素含量也不同(表3–5).样品中铁纹石中Ni为4.88–6.21 w t%,陨磷铁镍石边界上的铁纹石的Ni含量相对较低,针状合纹石(铁纹石和镍纹石的聚合体)与陨磷铁镍石边界中铁纹石Fe含量都比较高.有些区域(特别是样品边缘)由于经受了地表风化蚀变作用,样品边缘以及铁纹石裂隙间都存在一定程度的氧化,使得铁纹石中Ni含量只有1.01 w t%(图2(c)).镍纹石主要是在合纹石中以条带形式出现.镍纹石中Ni含量为26.13–50.27 w t%.合纹石主要有网状合纹石、针状合纹石、退化的梳状合纹石以及类似聚片双晶状合纹石(图2(d)、2(e)、2(f)、2(g)).聚片状合纹石和网状合纹石中镍纹石的Ni含量较高(表4).通过测量条带状镍纹石中心Ni含量和其条带宽度,发现两者呈负相关,宽度越宽,中心Ni含量越低(表5).陨磷铁镍石的P含量约为14.54 w t%,在样品中分布广泛,多以小颗粒(8–20µm)的形式存在,大多具有完整的晶形,存在裂理(图3(b)).较大的陨磷铁镍石(达到600µm)一般出现在铁纹石裂隙中或分布于镍纹石附近,此类陨磷铁镍石呈不规则状,常有不规则裂隙(图3(a)).陨磷铁镍石的颗粒越大,Ni含量越低,颗粒小、晶形较好的陨磷铁镍石Ni含量比颗粒大、多裂理的陨磷铁镍石高,详见表6.闪锌矿在样品中较少见,共找到了6颗晶体,其中5颗都比较小,最大不超过8µm,但有1颗达到了400µm(图3(c)、3(d)).闪锌矿不含Ni,小颗粒的闪锌矿(8µm)中Fe含量也较低,为5.40 w t%.在样品中还找到了1颗氮铬矿(CrN),大小约为3µm(图3(d)).

表2 元阳铁陨石矿物化学成分(单位:w t%)Tab le 2 The m inera l chem istry o f Yuanyang(U n it:w t%)

图2 (a)铁纹石(K am)及其蚀变相,黑色条带为部分氧化的铁纹石;(b)镍纹石及其蚀变相,深色部分为被氧化的镍纹石(Tae*),浅白色为镍纹石(Tae);(c)低N i铁纹石(K am#),颜色明显比普通铁纹石(K am)深,在样品中呈大片出现,附近有镍纹石(Tae)和陨磷铁镍石(Sch);(d)针状合纹石;(e)“交替状”合纹石,铁纹石(K am)、镍纹石(Tae)交替相生; (f)退化的梳状合纹石;(g)网状合纹石;(h)陨磷铁镍石(Sch)生长在镍纹石条带(Tae)的裂缝中Fig.2(a)K am acite(K am)and corroded kam acite phase,several irregu lar stripes in dark color are corroded kam acite phase;(b)Taen ite and corroded taen ite phase，the darker one is corroded taen ite phase(Tae*)，and the lighter one is taen ite(Tae);(c)K am acite w ith low N i(K am#),in dark co lor. Taen ite and Sch reibersite(Sch)are ad jacen t to it;(d)A cicu lar p lessite;(e)A lternative p lessite,kam acite, and taenite are characterized by an alternative pattern;(f)Degenerated com b p lessite;(g)Net p lessite; (h)Fine sch reibersites in cracks o f taen ite band

图3 (a)生长在镍纹石(Tae)附近的陨磷铁镍石(Sch),颗粒较大,裂理明显,形态不规则;(b)出现在铁纹石(K am)中的陨磷铁镍石(Sch),颗粒较小,形态规则;(c)尺寸为400µm的闪锌矿(Sp),样品中其他闪锌矿颗粒都比较小,一般小于8 µm;(d)生长在铁纹石(K am)、陨磷铁镍石边界(Sch)的氮铬矿(Car)和闪锌矿(Sp)Fig.3(a)Sch reibersite(Sch)ad jacen t to taenite(Tae)has a large size and irregu lar shape;(b)Sm a ll sch reibersite grain in kam acite w ith a regu lar shap e;(c)One large spha lerite(Sp)has a size of 400µm. O ther sphalerites in the sam p le are sm all than 8µm;(d)Carlsbergite(Car)and sphalerite p recip itate at the bound ry betw een kam acite and sch reibersite

表3 不同产状铁纹石的化学成分(单位:w t%)Tab le 3 The chem ica l com p ositions o f kam acite in d ifferen t occu rrences(U n it:w t%)

4 元阳铁陨石的微量元素地球化学特征

加利福利亚大学Wasson教授等人曾对铁陨石做了大量微量元素的研究工作,利用中子活化分析法测试了近500多块不同铁陨石的Ni、Ga、Ge等元素的含量,确定了铁陨石各个群的微量元素分布范围[1].由中子活化分析得到的元阳铁陨石的微量元素含量列于表7,元阳铁陨石的Ni(7 w t%)和Au(1.565 ppm)的含量都相对较低,属于IAB化学群.

Wasson等[3]利用中子活化分析法测试了包括Fe在内的13种元素的含量,重新定义了IAB群铁陨石,将IAB群细分为了1个主群(MG)、5个亚群(sLL、sLM、sLH、sHL、sHH)以及1组未分类群(表8).将原来的IA群定义为IAB主群(IAB-MG),以前的IIID群被划入了sLH群(低Au高Ni亚群),而IIIC群被分入了sLM群(低Au中Ni亚群).他们利用亲铁元素-Au对数图来确定IAB群主群和各个亚群的范围(图4).之所以用亲铁元素-Au对数图而非传统的亲铁元素-Ni对数图,是因为相对于Ni,Au的含量变化范围更广而且分析误差更小.IAB中大约有70%的铁陨石属于主群IAB-MG[3],在亲铁元素-Au对数图上,低Au低Ni亚群(sLL)、低Au中Ni亚群(sLM)和低Au高Ni亚群(sLH)分布有连续性.低Au低Ni亚群与IAB-MG关系密切,与IAB-MG群中高Au区有很多重叠的地方.相对于低Au亚群来说,高Au低Ni亚群(sHL)和高Au高Ni亚群(sHH)有更加复杂的化学和结构特征.将元阳铁陨石的微量元素含量分别投影到Ni-Au、Co-Au、As-Au、Ga-Au对数图上并与其他IAB陨石相比较(图4),发现元阳铁陨石属于IAB-MG群.通过Au-Ni对数图可以看出,相对于IAB中的其他群,元阳铁陨石所在的IAB主群Ni和Au含量更低,其变化趋势也明显比其他群平缓.

表4 不同产状镍纹石的化学成分(单位:w t%)Tab le 4 The chem ica l com p osition s o f taen ite in d ifferen t o ccu rren ces(U n it:w t%)

表5 条带状镍纹石中心Ni含量与带宽的关系Tab le 5 The relation betw een cen tral Nicon cen tration and taen ite ban dw id th

表6 不同产状陨磷铁镍石的化学成分(单位:w t%)Tab le 6 The chem ica l com positions o f sch reibersite in d ifferen t occu r ren ces (U n it:w t%)

表7 元阳铁陨石的微量元素成分Tab le 7 The trace elem en t con cen trations o f Yuanyang

表8 IAB-MG及5个亚群元素分类特征[3]Tab le 8 The com p ositional p rop erties o f IAB-M G and five subg rou p s[3]

根据Wasson等的数据[3],选出了IAB主群(IAB-MG)中的陨石,重新作了亲铁元素-Au对数图(图5),元阳铁陨石的微量元素含量很好地分布在IAB主群的范围内.Co、Ni、As与Au呈正相关,而Ga、W、Pt与Au呈负相关,Ir与Au有不明显的负相关.硅酸盐包体是IAB-MG群铁陨石的一大特征,但大部分IAB-MG群的铁陨石中并没有发现硅酸盐包体,元阳铁陨石就是一例.在亲铁元素-Au对数图中含有硅酸盐包体和不含硅酸盐包体的IAB-MG铁陨石的趋势非常相近(图5),因此铁陨石样品所在位置上的差异可能是造成铁陨石中硅酸盐包体存在与否的原因.元阳铁陨石的Co、Ni、Ga、As的含量都基本处于对数图上的中间位置,而Ir、W的含量偏低.元阳铁陨石是低Ir铁陨石(图5),可能是母体中富含Ir的矿相在冲击作用下并没有完全熔融[4].

IAB群铁陨石不仅有非常低的冷却速率(2 K·M y−1)[1],而且在矿物组合、化学成分、氧同位素组成等方面与W inonaites有密切关系.IAB群铁陨石和W inonaites中包含的硅酸盐包体的矿物组合、化学成分以及氧同位素组成都与球粒陨石很相似[5],它们极有可能来自同一母体.IAB铁陨石的成因主要有下面3种模型:(1)Kelly和Larimer[6]认为IAB并没有经历大规模结晶分异作用,而是在低度熔融后快速冷却.他们的推测和实验观察有很多不相符的地方.首先由于S在金属中的溶解度很低(＜0.1),在低度熔融过程中S几乎不可能与Fe发生共融,但事实上IAB中的硫化物,比如:FeS,很常见.其次,模型中Ni含量的分布范围也比实际观察到的平均Ni含量要高2–4倍[7].(2)K racher的模型认为IAB是通过富S核或多个大规模熔池结晶分异而成[8−9].K racher的模型能够很好地解释IAB的分异趋势,不足之处是对IAB铁陨石中富Ni铁陨石数量的预测存在很大的偏差,所预测数量远超过观察到的数量,而且模型中所需要的高温(1370 K)与IAB铁陨石中球粒质硅酸盐包体中包含的行星稀有气体和129Xe的现象相矛盾. (3)Wasson[7]和Choi等[10]主张冲击成因,小行星母体在冲击作用下形成局部熔池,母体中一部分矿物选择性熔融后又经历结晶分异.

因为冲击作用产生的温度不太高(1190–1350 K[7])而且时间短,能较完整地保留硅酸盐包体和一些行星稀有气体.相比之下IAB铁陨石的冲击成因能够更好地解释IAB铁陨石中保留的硅酸盐包体、硫化物和一些行星稀有气体的存在.作者认为冲击成因模式较为合理,能较好地解释IAB铁陨石的矿物岩石学特征和亲铁元素的分布规律,因本文所研究的对象仅局限于元阳铁陨石,深入的分析对比工作非常有限,将在今后的工作中不断完善和改进.

图4 元阳铁陨石与IAB群铁陨石在N i、Co、A s、Ga-Au对数图上的关系Fig.4 The relation betw een Yuanyang and other IAB irons in the elem ent-Au logarithm ic diagram s

5 结论

元阳铁陨石的组成矿物有铁纹石、镍纹石、陨磷铁镍石、闪锌矿和氮铬矿.元阳铁陨石蚀变较为严重,在样品边缘和铁纹石裂隙间都存在一定程度的氧化,主要以铁的氧化物出现.元阳铁陨石中铁纹石含量约占80%,镍纹石主要出现在合纹石中,有网状合纹石、针状合纹石以及退化的梳状合纹石等多种合纹石.陨磷铁镍石以大、小两种颗粒形式存在,且具有颗粒越大则Ni含量越低的特点.元阳铁陨石中铁纹石的条带宽度较粗,属于粗粒八面体结构,Ni、Au含量较低,属于IAB-MG群.元阳铁陨石可能是其小行星母体在冲击作用下发生了局部熔融后分异结晶的产物,其Ir含量相对于其他IAB-MG铁陨石偏低,可能是母体中富含Ir的矿相在冲击作用下并没有完全熔融.

图5 元阳铁陨石与IAB-M G在元素-A u对数图上的关系Fig.5 The relation betw een Yuanyang and other IAB-M G irons in the elem en t-Au logarithm ic d iagram s

致谢感谢加利福尼亚大学洛杉矶分校的Wasson J T教授帮助完成了中子活化分析工作,感谢王英副研究员、李少林、吴蕴华在扫描电镜和电子探针实验中给予的帮助,感谢谈建云在制样的过程中提供的支持.

参考文献

[1]Scott E R D,W asson J T.RvGSP,1975,13:527

[2]W asson J T,Ouyang X,W ang J.GeCoA,1989,53:735

[3]W asson J T,Kallem eyn G W.GeCoA,2002,66:2445

[4]P ilsk i A S,W asson J T,M uszynsk i A,et a l.M&PS,2013,48:2531

[5]Bened ix G K,M cCoy T J,K eil K,et a l.M&PS,2000,35:1127

[6]K elly W R,Larim er JW.G eCoA,1977,41:93

[7]W asson J T.ZNatA,1980,35a:781

[8]K racher A.GeoRL,1982,9:412

[9]K racher A.JGRB,1985,90(S02):C 689

[10]Choi B G,O uyang X,W asson J T.GeCoA,1995,59:593

Petrology,M ineralogy,and Trace E lem en t Geochem istry of Yuanyang

WANG Hai-yang1,2,3HSUWei-biao1,2,4

(1 Pu rp le M oun tain O bserva to ry,Chinese A cadem y o f Scien ces,Nan jing 210008) (2 K ey Labo rato ry o f P laneta ry Scien ces,Pu rp le M oun tain O bserva to ry,Chinese A cadem y o f Scien ces,Nan jing 210008) (3 Un iversity o f Chinese A cadem y o f Scien ces,Beijing 100049) (4 Institu te o f Space Scien ces,M acau Un iversity o f Scien ce and Techno logy,M acau 000853)

Yuanyang was found in Yunnan in 2010.Yuanyang has a rusted surface, and there are also some corroded materials inside.The major phases in Yuanyang are kamacite(Ni 4.88–6.21 w t%)and taenite(Ni 26.13–50.27 w t%).Them inor ones are schreibersite,sphalerite,and carlsbergite.Yuanyang is a coarse octahedrite w ith a high content of kamacite(80 vol%).No silicate inclusions are found in Yuanyang. The instrumental neutron activation analysis(INAA)of Yuanyang reveals that it is a low-Ni(7 w t%)and low-Au(1.565 ppm)iron.Yuanyang is an IAB-MG iron.The Ir content(1.00 ppm)of Yuanyang is relatively low compared to other IAB-MG irons. This is probably due to the partialmelting of Ir-rich phase in its parent body during an impact event.

astrochem istry,methods:laboratory,methods:data analysis,instrumentalion:electro-probem icroanalyzer

P148;

A

10.15940/j.cnki.0001-5245.2016.05.001

2016-02-24收到原稿,2016-03-26收到修改稿

∗国家自然科学基金项目(41273079,41573059)和紫金山天文台小行星基金会资助

†wanghy@pmo.ac.cn

‡wbxu@pm o.ac.cn