陨石是落到地球上的行星物体碎块,即从行星际空间穿过大气层后到达地表的星体残骸,也是人类最早直接接触的地外天体物质。陨石的形态、大小各异,如陨石可以是显微质点大小,也可以是几千千克的巨块。因为陨石是太阳系中其他天体的代表样品,人们又能采用最先进的分析技术获得最精确可靠的成分数据,所以,已获得的陨石化学成分已成为估计太阳系元素丰度及推断地球化学成分最有价值的成果。
每天降落到地球表面的地外物质约102~105t,大约1%成为陨石。据估计,每年落到地球表面的大陨石约有500个,其总质量可达3×106t至3×107t。然而由于地球表面近3/4的面积被海洋覆盖,加上荒无人烟的沙漠、高山和丛林,人类能观察和找到的陨石极少,每年能见到其陨落且又能找到的陨石仅有5到6个(表1.1)。
表1.1 “陨落”和“发现”陨石的数目和频率
(转引自赵伦山等,1988)
陨石研究表明,绝大多数降落至地球的陨石来源于小行星带,也有极少数来自其他天体,如ALAH-81005和EEAT-79001两块陨石被认为可能分别来自月球和火星表面。迄今在南极地区已发现并证实有12块陨石来自月球表面,在南极和非南极区共发现有8块可能是来自于火星的陨石,并认为来自月球与火星的陨石是小天体撞击月球或火星表面,使其表面的土壤或岩石产生熔融,并溅射至地表而成的。这类陨石是行星等被撞击过程产生的“陨石”。
陨石是目前最易获取和数量最大的地外物质,它携带着有关太阳系的化学成分、起源与演化、有机质起源和太阳系空间环境等丰富的信息。通过对CI型碳质球粒陨石等各类陨石化学成分和形成条件的研究,可以恢复太阳星云元素分布格局,揭示太阳星云的分馏过程。陨石中已发现60多种被认为是非生物合成的有机化合物(前生物物质),通过对它们的人工模拟合成和理论解释,为探索生命前期化学演化过程开拓了新的途径(见第10章)。通过对陨石母体与宇宙线相互作用产生核素的研究,可了解宇宙线的成分、能谱和通量等特征。对陨石中长寿命放射性核素组成的测定,可以提供元素起源、太阳系形成和演化、星云形成和凝聚以及行星形成和演化的时间序列的信息。
陨石的成分多种多样,有些几乎全部由金属组成,另一些几乎全部由硅酸盐组成。通常根据陨石中的金属含量先将陨石划分为三大类:石陨石、铁陨石和石-铁陨石(表1.2)。石陨石按其中是否具球粒结构又分为球粒陨石和无球粒陨石。目前世界上最大的石陨石是我国的吉林陨石,收集的样品总质量为2550kg,最大的吉林1号陨石质量达1770kg。世界上最大的铁陨石是非洲纳米比亚的戈巴铁陨石(质量约为60t),我国的新疆铁陨石(质量约为28t)是世界第三大铁陨石。
表1.2 陨石的基本分类
(转引自赵伦山等,1988)
1.1.2.1 球粒陨石和无球粒陨石
球粒陨石与无球粒陨石以是否含硅酸盐类球粒来区分的。
球粒陨石的最大特征是含球粒,具球粒构造。球粒一般由橄榄石和斜方辉石组成,球粒间的基质常由镍铁、陨硫铁、斜长石、橄榄石、辉石等组成。球粒陨石是最常见的一类陨石,据化学成分可划分为5个化学群:E群(顽辉石球粒陨石)、H群(高铁群普通球粒陨石,如我国的吉林陨石)、L群(低铁群普通球粒陨石)、LL群(低铁低金属普通球粒陨石)和C群(碳质球粒陨石)。H群、L群及LL群统称为普通球粒陨石,主要由橄榄石、斜方辉石、铁镍金属和陨硫铁组成。各群陨石中铁和亲铁元素的含量以及金属铁与氧化铁之比由大到小的顺序为H群>L群>LL群。普通球粒陨石一般遭受过不同程度的冲击变质,主要形成于太阳星云硅酸盐—金属分馏与凝聚阶段。顽火辉石球粒陨石较为稀少,它是在比较还原的条件下冷凝与聚集形成的。碳质球粒陨石中的非挥发性组成代表了太阳星云的平均化学成分,其中高温与低温矿物分别以包裹体或基质的形式共存于陨石中。
无球粒陨石不含球粒,通常比球粒陨石结晶粗得多,在成分和结构方面,许多无球粒陨石与地球上的火成岩相似,它们可能是由硅酸盐熔体结晶形成的。无球粒陨石据CaO的含量划分为贫钙[w(Ca)≤3%]和富钙[w(Ca)≥5%]两类。据成因可将无球粒陨石划分为三类:钙长辉长无球粒陨石系列、顽辉石无球粒陨石系列和尚未划分出成因系列的无球粒陨石。
铁陨石和石陨石(含球粒陨石和无球粒陨石)均属分异型陨石,即经过岩浆侵入或喷出、或部分熔融产生结晶分异或岩浆残留物凝结而形成的。
碳质球粒陨石是球粒陨石中的一个特殊类型,含有碳的有机化合物分子,并且主要由含水硅酸盐组成。碳质球粒陨石按化学成分可划分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三种(CⅠ、CⅡ和CⅢ)类型。碳质球粒陨石虽然十分稀少,但在探讨太阳系元素丰度方面却有特殊的意义。
一个特别重要的碳质球粒陨石于1969年陨落在墨西哥北部,它叫做“阿伦德”(Allende)陨石,属于Ⅲ型碳质球粒陨石。其基质(约60%)呈暗灰色,主要由富铁橄榄石组成,其中球粒有两种,一种富铁(约30%),另一种富Ca、lA(约5%),此外还存在着富Ca、Al的集合体。在阿伦德以及其他碳质球粒陨石(尤其CⅠ型)中,非挥发性元素的丰度几乎同太阳中观察到元素的丰度完全一致(图1.1)。
图1.1 CⅠ型碳质球粒陨石元素丰度与太阳元素丰度对比(据涂光炽,1998)
因此,目前已用碳质球粒陨石的化学成分来估计太阳系中非挥发性元素的丰度。
玻陨石(tekitites)由富SiO2的玻璃组成,类似黑曜岩,但化学成分、结构与黑曜岩相差很大。人们迄今尚未见到陨落的玻陨石,只是由于其特殊的形态和成分才认为是陨石。现在积累的许多有关资料,促使人们倾向于视它们为由于彗星或大型陨石冲击地球而引起的物质熔化的产物。
1.1.2.2铁陨石与石-铁陨石
铁陨石主要由两种矿物组成,其一为铁纹石(kamacite,立方体心格子的α铁,又称自然铁),另一种为镍纹石(taenite,立方面心格子的α铁)。此外,还常含有少量石墨、陨磷铁镍石[schreibersite,(Fe,Ni)3P]、陨硫铬铁(daubreelite,FeCr2S4)、陨碳铁[cohenite,(Fe,Ni)3C]、铬铁矿和陨硫铁等矿物。所以Fe、Ni是铁陨石中的主要元素,此外还有少量(wB<2%)Co、S、P、Cu、Cr和C。根据矿物晶体结构和w(Ni)/w(Fe)比值,铁陨石还可分出六面体式陨铁(hexahedrite)、八面体式陨铁(octahedrite)和富镍中陨铁陨石(ataxite)三个亚类。
铁陨石中镍的含量及其与Ga、Ge、Ir、P等元素的含量关系是划分铁陨石化学群的基础。各种微量元素在铁陨石的金属相和硫化物相中的含量范围变化很大,亲硫元素(Co、Cu、Zn、As、Se、eT、Hg、Ti、Pb和Bi等)在陨硫铁中含量高,而亲铁元素尤其是铂族元素(Os、Ir、Pt、Ru、Rb、Pd、Au)以及W、Mo、Re等在金属相中富集。铁陨石按多参数微量元素分类可分为13个化学群。其中有两群属非岩浆型(由母体产生的冲击熔体形成),其余为由母体内的岩浆作用形成。
石-铁陨石由硅酸盐相和铁镍相组成,按两相比例划分出橄榄陨铁和中铁陨石。在橄榄陨铁的铁镍相中镍质量分数为10%~15%。中铁陨石的金属相中含镍质量分数约为7%。石-铁陨石在矿物组成、结构构造、化学成分和演化历史上都具有石陨石和铁陨石的双重特性,它还可以进一步划分出橄榄陨铁、中陨铁、古英铁镍陨石和古铜橄榄陨铁四类。
陨石中共发现140种矿物,其中39种在地球上尚未被发现。
1.1.2.3 陨石中的有机质
陨石,特别是碳质球粒陨石中已发现的有机化合物有60多种,有关陨石中有机质的来源主要有两种观点:①原始大气层处于高度还原状态,主要由CH4、NH、3H2O、H2和CO组成,在紫外线照射与放电过程中形成激发态自由基,最后合成各种有机化合物;②太阳星云凝聚晚期,星云中的CO、H2在磁铁矿、含水硅酸盐的催化反应下合成。后一种方式合成的有机化合物与碳质球粒陨石中发现的有机质极为相似,且碳同位素组成也相似。陨石中的有机质与地球的污染物是不同的,如Murchison碳质球粒陨石中发现的52种氨基酸的碳原子不对称并且有外消旋特征,以非蛋白氨基酸为主,还发现有烃类、杂环化合物和脂肪酸等。现在认为,地球早期生命系统的化学演化不一定来源于行星的大气,而可能来自在太阳星云凝聚时已合成的有机质。
由于存在三类迥然不同的陨石——石陨石、石-铁陨石和铁陨石,人们很自然地会设想陨石是来自某种曾经分异成一个富金属的核和一个硅酸盐外层的行星体,这种行星破裂后就可能成为各类陨石;其中石-铁陨石来自金属核与硅酸盐幔的界面,而石陨石来自富硅酸盐的幔区。这种设想已成为依据陨石资料推测地球内部结构和化学成分的重要根据之一。
然而,现在已有许多证据表明,由“一个母体形成陨石”的假说是不可取的。因为不仅各类陨石有不同的年龄,而且在陨石群之间也存在年龄差异。再者,各群球粒陨石和各种铁陨石之间均存在着成分间隔以及氧同位素(18O/16O原子比率及71O/16O原子比率)比例的差别。这些事实都表明,不同群的陨石应分别形成于不同的行星母体。
目前对小行星的形成和早期特征还了解甚少。一些学者认为,在明显的非平衡热条件下,从热的、低密度和部分电离的气体中直接凝聚出固态物质,可能是陨石球粒形成的机制。也就是说,球粒陨石可能代表着由行星聚集形成的微星物质的碎块,而其他类型的陨石可能是由具球粒陨石成分的物质经部分或完全熔融和分异形成。