內(nèi)蒙古東烏旗中鐵滑石成因探討

0東烏旗中歐隕石東烏旗的三塊石頭（編號(hào)no.1、no.2和no.3）于1995年9月7日在內(nèi)蒙古東烏旗丟失。根據(jù)結(jié)構(gòu)和巖石性質(zhì)，它是關(guān)中砂。中鐵隕石由近等量的金屬和硅酸鹽緊密混合而成,根據(jù)硅酸鹽基質(zhì)成分和變質(zhì)程度可以將中鐵隕石進(jìn)行亞類(lèi)的劃分,東烏旗中鐵隕石屬于IB類(lèi),即基質(zhì)中含有較多的輝石,變質(zhì)程度低,僅發(fā)生輕微的重結(jié)晶。目前認(rèn)為中鐵隕石硅酸鹽與HED隕石有成因上的聯(lián)系,因中鐵隕石含有大量鈣長(zhǎng)輝長(zhǎng)質(zhì)(Eucritic)和奧長(zhǎng)古銅質(zhì)(Diogenitic)的巖屑,與古銅鈣長(zhǎng)隕石(Howardite)中的碎屑在巖相學(xué)上具有相似性,其硅酸鹽的化學(xué)成分也和古銅鈣長(zhǎng)隕石(Howardite)非常相似。此外,中鐵隕石與HED隕石來(lái)自于同一母體(Vesta小行星)的觀點(diǎn)得到了氧同位素?cái)?shù)據(jù)的支持。中鐵隕石的形成過(guò)程一直是備受爭(zhēng)議的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。Hewins總結(jié)了前人提出的中鐵隕石形成模式,將其分為沖擊起源和內(nèi)部起源兩大類(lèi)并將各模式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)論述。目前沖擊起源模型得到了較多認(rèn)可。與沖擊起源相關(guān)的兩種主流模式被用于解釋中鐵隕石的形成:一是中鐵隕石的金屬相和硅酸鹽相分別來(lái)自沖擊體的熔融核和被沖擊小行星的玄武質(zhì)殼;另一種觀點(diǎn)認(rèn)為沖擊作用導(dǎo)致分異小行星的熔融核和自身的表層硅酸鹽緊密混合。對(duì)中鐵隕石的研究有助于我們了解分異小行星的演化歷史。前人研究表明,中鐵隕石主要由近等量的Fe-Ni金屬-硫化物和硅酸鹽相組成,可能代表了分異小行星核幔物質(zhì)和表殼物質(zhì)的混合。其硅酸鹽部分由巖石碎屑、礦物碎屑和細(xì)?；|(zhì)組成。巖石碎屑包括玄武巖、輝長(zhǎng)巖和輝石巖、以及少量的純橄巖。礦物碎屑包括輝石、橄欖石和斜長(zhǎng)石等[2,3,8,13,20,21,22]。東烏旗中鐵隕石具有典型的中鐵隕石結(jié)構(gòu)特點(diǎn),金屬-硫化物相和硅酸鹽相緊密混合并各占隕石體積的一半左右,其中的硅酸鹽相由角礫狀巖石礦物碎屑和基質(zhì)部分組成。本文將對(duì)這些硅酸鹽物質(zhì)進(jìn)行研究,旨在進(jìn)一步了解東烏旗中鐵隕石的巖石地球化學(xué)特征,探索這些物質(zhì)之間的相互關(guān)系,并據(jù)此對(duì)東烏旗中鐵隕石的成因進(jìn)行初步的探討。1非角礫巖巖屑的表征和分析本文樣品為No.2東烏旗中鐵隕石(圖1)。實(shí)驗(yàn)取該隕石中的輝長(zhǎng)巖巖屑及非角礫部分(隕石的基質(zhì)部分)進(jìn)行研究。輝長(zhǎng)巖巖屑為手選,用挑樣針將其從樣品表面剝離,部分樣品用于濕化學(xué)分析,部分用環(huán)氧樹(shù)脂注膠并拋光(圖2a)。非角礫部分的樣品為一厚約2mm,大小約15mm×15mm的切片(圖2b),在無(wú)水條件下用酒精切割并用酒精代替水進(jìn)行磨制和拋光處理。樣品除在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行透射光和反射光觀察外,利用日本JOEL公司生產(chǎn)的JXA-8100型電子探針(EPMA)進(jìn)行非角礫部分礦物的定量分析和顯微結(jié)構(gòu)照片拍攝。礦物的定性分析由電子探針配備的OXFORD公司的INCA能譜儀完成。電子探針?lè)治鲈谥袊?guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所進(jìn)行,定量分析的實(shí)驗(yàn)條件為加速電壓15kV、束流20nA。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為相應(yīng)的硅酸鹽和氧化物,分析結(jié)果采用ZAF法校正。輝長(zhǎng)巖巖屑的稀土元素含量測(cè)試在中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所完成(詳細(xì)過(guò)程見(jiàn)Kong等對(duì)角礫狀橄欖石REE的測(cè)定),儀器采用Perkin-ElmerSciexELAN6000型電感耦合等離子質(zhì)譜(ICP-MS)。用HF-HNO3對(duì)大約50mg的樣品粉末進(jìn)行溶解,將元素Rh作為內(nèi)標(biāo)檢測(cè)儀器狀態(tài),同時(shí)使用標(biāo)樣W-2,BHVO-1,SARM-4和MRG-1對(duì)測(cè)量的元素含量進(jìn)行校正。2結(jié)果2.1巖漿礦物組成No.2東烏旗中鐵隕石呈塊狀,大小30cm×30cm×13cm,由不透明礦物相(主要為金屬-硫化物相)和透明礦物相(主要為硅酸鹽相,并含有一些磷酸鹽相)緊密混合而成。東烏旗中鐵隕石金屬-硫化物相或呈厘米級(jí)別的團(tuán)塊狀,或呈脈狀穿過(guò)硅酸鹽,或呈細(xì)粒散布在非角礫部分。其中金屬-硫化物團(tuán)塊直徑最大可達(dá)7.5cm,邊界平滑(圖1)。隕石硅酸鹽相由角礫部分和非角礫部分組成。角礫部分主要為角礫狀橄欖石和輝長(zhǎng)巖巖屑,非角礫部分主要由輝石和斜長(zhǎng)石組成,并含有少量橄欖石及其他礦物。硅酸鹽相為本文的主要研究對(duì)象。角礫狀橄欖石為單礦物碎屑,手標(biāo)本中呈暗褐色,粒度明顯大于非角礫部分,可達(dá)1cm(圖2a)。在反射光下可見(jiàn)比較平滑的礦物表面,并發(fā)育細(xì)小裂隙,這些裂隙被金屬物質(zhì)充填(圖2c)。輝長(zhǎng)巖巖屑在手標(biāo)本中呈暗褐色,粒度約1cm左右(圖2a)。反射光下可以看出該樣品中存在多種礦物,其中最主要的礦物為輝石和斜長(zhǎng)石(圖2d)。非角礫部分(圖3)斜長(zhǎng)石和輝石約占90%左右,其中輝石約占65%,長(zhǎng)石約占25%。斜長(zhǎng)石和輝石呈半自形-自形,輝長(zhǎng)質(zhì)結(jié)構(gòu),粒度多在50—100μm,邊界清晰,顯示出巖漿結(jié)晶的特征。非角礫部分呈現(xiàn)斑狀結(jié)構(gòu),少量輝石呈大顆粒斑晶狀分布,粒度可達(dá)1mm(圖3a),且多發(fā)育環(huán)邊(邊部顏色較核部淺,圖3c、3d),其他礦物粒度相對(duì)較小。橄欖石約占非角礫部分的2%左右,可分為兩群:相對(duì)較大的橄欖石呈它形,粒度20—50μm,邊界彎曲呈熔蝕狀,與輝石接觸處發(fā)育微小裂隙;相對(duì)較小的橄欖石被包裹在輝石中靠近輝石邊部的地方,呈渾圓形態(tài),粒度約10μm甚至更小(圖3c)。石英約占3%左右,隕磷鈣鈉石和其他礦物約占非角礫部分的5%。2.2礦化合金的地球化學(xué)特征2.2.1輝石及其產(chǎn)物東烏旗中鐵隕石非角礫部分主要組成礦物長(zhǎng)石、輝石和橄欖石電子探針成分見(jiàn)表1和2。長(zhǎng)石主要為基性斜長(zhǎng)石(An86.5—87.7)。輝石主要為斜方輝石,核部成分En73.5—74.3Fs23.2—23.5Wo2.5—3.0,邊部成分En63.7—65.2Fs30.1—30.5Wo3.8—5.8。非角礫橄欖石為透鐵橄欖石,其中粒度相對(duì)較大的碎屑狀橄欖石Fo=67—71,包裹在輝石中的包體狀橄欖石Fo=62—69。2.2.2lear微細(xì)虧損量lear明顯正eu異常東烏旗中鐵隕石輝長(zhǎng)巖巖屑REE元素含量見(jiàn)表3,特征為具有較為平坦的REE配分模式(圖5),LREE輕微虧損(La=0.52—1.95CI,Lu=1.10—2.52CI),具有明顯的正Eu異常(δEu=1.73—4.00)。各個(gè)輝長(zhǎng)巖巖屑具有相近的REE含量和相似的REE配分模式,表明各個(gè)巖屑成分均勻,可能從同一種巖漿中結(jié)晶。3討論3.1角礫巖、非角礫巖和輝長(zhǎng)石鹽的不平衡3.1.1fe/mn-mg#東烏旗中鐵隕石非角礫部分的兩類(lèi)橄欖石具有相似的地球化學(xué)成分,可能為同一巖漿結(jié)晶的產(chǎn)物。但角礫狀橄欖石和非角礫橄欖石投圖(圖4、6)結(jié)果表明兩者具有較大差異。角礫狀橄欖石Fo值多在90左右,為鎂橄欖石,非角礫橄欖石Fo值約為60—70,主要為透鐵橄欖石。在Fe/Mn-Mg#關(guān)系圖上(圖6a),角礫狀橄欖石和非角礫橄欖石分別占據(jù)了中鐵隕石兩個(gè)截然相反的成分區(qū)域。角礫狀橄欖石Fo值和Fe/Mn比值均比非角礫橄欖石高。Fe/Mg-Fe/Mn關(guān)系圖(圖6b)顯示非角礫橄欖石比角礫狀橄欖石具有更高的Fe/Mg和Fe/Mn比值。Fe/Mn比值的較大差異可能反映兩者并非為同一套巖漿結(jié)晶的產(chǎn)物,因巖漿結(jié)晶過(guò)程不會(huì)導(dǎo)致Fe、Mn之間的分異;升高的Fe/Mg比值表明非角礫橄欖石的形成不太可能是由角礫狀橄欖石FeO還原所致,因?yàn)檫€原作用將導(dǎo)致非角礫橄欖石Fe含量降低,Fe/Mg比值隨之降低。因此,從地球化學(xué)特征來(lái)看,角礫狀橄欖石和非角礫橄欖石可能分別結(jié)晶自不同的母巖漿,這與陶克捷等的研究結(jié)果一致。3.1.2型ree配分巖屑東烏旗隕石中的角礫狀橄欖石為單礦物碎屑,具有巖漿結(jié)晶的特征,自形,粒度1cm左右,未發(fā)現(xiàn)角礫狀橄欖石包含在其他礦物中或者與斜方輝石或斜長(zhǎng)石共生的現(xiàn)象,其他中鐵隕石中也未發(fā)現(xiàn)角礫橄欖石和其它礦物共生的現(xiàn)象。從REE配分模式來(lái)看,輝長(zhǎng)巖巖屑顯示出較為平坦的稀土元素配分模式,LERR和HREE含量相近,并具有Eu的輕微正異常(圖5)。具有此種REE配分模式的輝長(zhǎng)巖巖屑要求母熔體LREE虧損,HREE富集,配分曲線左傾,并具有Eu的正異常(LREE/HREE<1,Eu/Sm>1)。Kong等計(jì)算了角礫狀橄欖石母熔體的REE元素含量,結(jié)果表明母熔體非常富REE,尤其LREE含量非常高(約100CI),Eu輕微負(fù)異常,配分曲線具有右傾的特點(diǎn)。角礫狀橄欖石和輝長(zhǎng)質(zhì)巖屑母熔體配分曲線的不同可能暗示了兩者分別結(jié)晶自不同的母巖漿。3.1.3角礫橄欖石或石英非角礫部分的橄欖石顯示外來(lái)的特征。碎屑狀橄欖石的粒度相對(duì)其他礦物較小,且邊緣呈熔蝕港灣狀。包體狀橄欖石被包裹在輝石中,與輝石和長(zhǎng)石沒(méi)有平衡共生的關(guān)系。石英(形態(tài)不規(guī)則的二氧化硅,可能為巖漿晚期結(jié)晶產(chǎn)物)的出現(xiàn)也暗示了非角礫橄欖石具有外源的性質(zhì)。通常來(lái)說(shuō)橄欖石和石英同時(shí)出現(xiàn)表明了兩種可能性:(1)巖漿冷卻結(jié)晶速度非?？?橄欖石來(lái)不及和巖漿中的Si發(fā)生完全反應(yīng);(2)橄欖石和石英分別來(lái)自不同的巖漿。東烏旗隕石中的輝石和斜長(zhǎng)石具有相對(duì)穩(wěn)定的成分并呈半自形-自形的晶型產(chǎn)出,反映了巖漿較慢速的冷卻結(jié)晶過(guò)程。因此,比較可能的情況是橄欖石和石英分別結(jié)晶自不同的巖漿,之后由于一次沖擊事件導(dǎo)致兩者混合和共存。從橄欖石相圖(圖7)可以看出,與非角礫橄欖石平衡的熔體Fe/(Fe+Mg)值約為0.65—0.75。東烏旗中鐵隕石輝石核部Mg#約為0.76—0.77,與之平衡的熔體Fe/(Fe+Mg)值大約為0.61—0.65。由于通常情況下,隨著礦物的晶出巖漿會(huì)向更富Fe的方向發(fā)展,如果輝石和橄欖石同時(shí)結(jié)晶,兩者的母熔體應(yīng)具有相同的Fe/(Fe+Mg)值;如果輝石比橄欖石晚結(jié)晶,則與輝石平衡的母熔體應(yīng)更富Fe而貧Mg。但東烏旗隕石輝石母熔體比非角礫橄欖石母熔體更貧Fe富Mg,故兩者不太可能從同一巖漿中結(jié)晶。3.2物質(zhì)來(lái)源3.2.1輝石的地球化學(xué)和巖石學(xué)特征與其他中鐵隕石相比,東烏旗中鐵隕石具有相似的輝石成分。其Fe/Mn比值(21.6—26.4)落在中鐵隕石輝石的成分范圍(16—35)內(nèi),Mg#較其他中鐵隕石偏高,兩種輝石(位于核部的低Ca輝石和位于邊部的高Ca輝石)的Mg#平均值為76.7和68.6,高于多數(shù)中鐵隕石的40—60,低于Bondoc中鐵隕石的81.3,CaO和MnO的含量位于含量較低的中鐵隕石端元,Al2O3和Cr2O3含量則偏高,TiO2含量與其他中鐵隕石類(lèi)似。輝石邊部常見(jiàn)由Ca含量較核部更高的輝石構(gòu)成的環(huán)邊,MgO含量相對(duì)核部較低而FeO含量較高,顯示出巖漿結(jié)晶的序列演化特征。在Fe/Mg-Fe/Mn關(guān)系圖上(圖8a),輝石從核部到邊部Fe/Mn比值基本保持在一個(gè)范圍內(nèi)或略有降低(輝石核部Fe/Mn=23—34;輝石邊部Fe/Mn=21—27),Fe/Mg比值則明顯升高。根據(jù)Mittlefehldt的FeO還原理論,該環(huán)邊的形成可能是巖漿結(jié)晶作用而非變質(zhì)作用的結(jié)果。將隕石中的輝石進(jìn)行成分投圖,在FeO—MnO相關(guān)成分圖解上這些輝石落在HED隕石輝石線上(圖8b),表明這些輝石可能和HED隕石中的輝石有相同的起源。因此東烏旗隕石輝長(zhǎng)質(zhì)硅酸鹽部分可能和HED隕石來(lái)自同一母體,即Vesta小行星。東烏旗中鐵隕石輝長(zhǎng)巖巖屑的REE配分模式(圖5)與其他中鐵隕石鎂鐵質(zhì)巖屑非常相似,均表現(xiàn)出Eu的正異常和LREE的虧損。Rubin和Jerde認(rèn)為此種REE配分模式的形成是由于小行星母體鈣長(zhǎng)輝長(zhǎng)質(zhì)玄武巖(eucrite-likebasalts)和長(zhǎng)石堆晶型輝長(zhǎng)巖(feldspar-cumulate-likegabbros)源區(qū)混合物質(zhì)的高度重熔。小行星表殼玄武質(zhì)巖石具有未分異的REE配分模式,或者具有HREE輕微虧損、Eu輕微負(fù)異常的特點(diǎn),必須有輝長(zhǎng)質(zhì)堆晶的混合熔融才能產(chǎn)生如東烏旗中鐵隕石輝長(zhǎng)質(zhì)角礫的LREE虧損和Eu正異常。東烏旗中鐵隕石輝長(zhǎng)質(zhì)角礫LREE輕微虧損的REE配分模式和Eu的輕微正異?？赡馨凳玖嗽诨旌现厝鄣膸r石中玄武質(zhì)表殼占主要部分,僅有少量輝長(zhǎng)質(zhì)巖石同玄武質(zhì)表殼一起發(fā)生重熔。3.2.2河邊下地殼中的超基性巖前人研究表明,Fo值約為60的橄欖石是從鈣長(zhǎng)輝長(zhǎng)質(zhì)(eucritic)熔體中最早晶出的礦物,因此東烏旗中鐵隕石非角礫橄欖石(Fo=61.7—70.6)有可能從HED隕石母體Vesta小行星上的鈣長(zhǎng)輝長(zhǎng)質(zhì)巖漿中結(jié)晶出來(lái)。但Mg含量非常高的角礫狀橄欖石(Fo=90—92,原巖可能為純橄巖)則需要進(jìn)行進(jìn)一步的成因探討。對(duì)Vesta小行星的研究表明,在其地?；蛘叩貧ど畈康亩丫r部分可能存在純橄巖。目前已知的兩個(gè)可能為Vesta純橄巖的隕石為NorthwestAfrica(NWA)2968和MillerRange(MIL)03443。Beck等對(duì)MIL03443做了詳細(xì)研究,發(fā)現(xiàn)該隕石中的橄欖石并不十分富Mg(Mg#74),因此與東烏旗中鐵隕石角礫橄欖石并不相似。相比之下,NWA2968中的橄欖石則非常富Mg,其成分(Mg#92.5,FeO/MnO=48)和本文的角礫狀橄欖石成分(Mg#90,FeO/MnO=46)非常相似。然而目前一些證據(jù)表明,NWA2968和HED隕石可能并不相關(guān)。原因包括以下幾個(gè)方面:(1)HED隕石中的橄欖石通常Mg#較低,不會(huì)達(dá)到92,斜方輝石的Mg含量也低于NWA2968;(2)NWA2968次要礦物的化學(xué)成分與HED隕石不一致;(3)模擬計(jì)算獲得的Vesta純橄巖硅酸鹽礦物成分和NWA2968不符合。如果NWA2968橄欖石不是來(lái)自HED隕石母體,則東烏旗中鐵隕石中的角礫狀橄欖石也可能和HED隕石無(wú)關(guān)。加之東烏旗隕石角礫狀橄欖石與非角礫橄欖石不同源且和輝長(zhǎng)質(zhì)硅酸鹽不平衡,本文傾向于認(rèn)為角礫狀橄欖石來(lái)自沖擊體小行星,但是仍需要進(jìn)一步的工作來(lái)確定這些高M(jìn)g橄欖石的詳細(xì)來(lái)源。3.3金屬-聚合物混合時(shí)金屬酶的變化Kong等根據(jù)東烏旗中鐵隕石角礫狀橄欖石的REE特征推測(cè)角礫狀橄欖石和輝長(zhǎng)質(zhì)硅酸鹽分別來(lái)自不同的小行星母體,支持中鐵隕石的金屬相和硅酸鹽相分別來(lái)自沖擊體的熔融核和被沖擊小行星玄武質(zhì)殼的模型。本文支持這種推測(cè)。前文表明,東烏旗中鐵隕石的角礫狀橄欖石、非角礫橄欖石和輝長(zhǎng)質(zhì)硅酸鹽三者之間互不平衡,可能分別結(jié)晶自不同的巖漿。角礫狀橄欖石可能來(lái)自沖擊體小行星,而非角礫橄欖石和輝長(zhǎng)質(zhì)硅酸鹽可能來(lái)自HED隕石母體Vesta小行星。基于此,本文認(rèn)為東烏旗中鐵隕石可能形成于一次小行星撞擊事件,沖擊體小行星撞擊Vesta小行星時(shí),其熔融核及橄欖巖質(zhì)地幔與Vesta小行星殼發(fā)生了混合。沖擊體小行星提供了中鐵隕石中的角礫狀橄欖石和金屬—硫化物部分,而被撞擊小行星提供了非角礫橄欖石及輝長(zhǎng)質(zhì)硅酸鹽部分。如果非角礫橄欖石和輝長(zhǎng)質(zhì)硅酸鹽來(lái)自同一小行星,那么兩者之間的不平衡現(xiàn)象需要解釋。造成不平衡的原因可能是高溫沖擊作用導(dǎo)致被撞擊小行星表殼的玄武質(zhì)巖石和較深部的輝長(zhǎng)質(zhì)堆晶發(fā)生重熔,但該溫度沒(méi)有達(dá)到橄欖石的熔點(diǎn),橄欖石未被重熔。因此,東烏旗中鐵隕石中的輝長(zhǎng)質(zhì)硅酸鹽和非角礫橄欖石分別代表小行星上混合熔體新結(jié)晶的成分和未發(fā)生熔融的原始物質(zhì)。這些未被熔融的橄欖石在金屬—硅酸鹽混合時(shí)被作為