內(nèi)蒙古東烏旗中鐵滑石成因探討

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行亞類的劃分,東烏旗中鐵隕石屬于IB類,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輝長質(zhì)(Eucritic)和奧長古銅質(zhì)(Diogenitic)的巖屑,與古銅鈣長隕石(Howardite)中的碎屑在巖相學(xué)上具有相似性,其硅酸鹽的化學(xué)成分也和古銅鈣長隕石(Howardite)非常相似。此外,中鐵隕石與HED隕石來自于同一母體(Vesta小行星)的觀點得到了氧同位素數(shù)據(jù)的支持。中鐵隕石的形成過程一直是備受爭議的焦點問題之一。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)部起源兩大類并將各模式的優(yōu)缺點進行了詳細論述。目前沖擊起源模型得到了較多認可。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;另一種觀點認為沖擊作用導(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?；|(zhì)組成。巖石碎屑包括玄武巖、輝長巖和輝石巖、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,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。本文將對這些硅酸鹽物質(zhì)進行研究,旨在進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)此對東烏旗中鐵隕石的成因進行初步的探討。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)。實驗取該隕石中的輝長巖巖屑及非角礫部分(隕石的基質(zhì)部分)進行研究。輝長巖巖屑為手選,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),在無水條件下用酒精切割并用酒精代替水進行磨制和拋光處理。樣品除在光學(xué)顯微鏡下進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。電子探針分析在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所進行,定量分析的實驗條件為加速電壓15kV、束流20nA。標準物質(zhì)為相應(yīng)的硅酸鹽和氧化物,分析結(jié)果采用ZAF法校正。輝長巖巖屑的稀土元素含量測試在中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所完成(詳細過程見Kong等對角礫狀橄欖石REE的測定),儀器采用Perkin-ElmerSciexELAN6000型電感耦合等離子質(zhì)譜(ICP-MS)。用HF-HNO3對大約50mg的樣品粉末進行溶解,將元素Rh作為內(nèi)標檢測儀器狀態(tài),同時使用標樣W-2,BHVO-1,SARM-4和MRG-1對測量的元素含量進行校正。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別的團塊狀,或呈脈狀穿過硅酸鹽,或呈細粒散布在非角礫部分。其中金屬-硫化物團塊直徑最大可達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巖巖屑,非角礫部分主要由輝石和斜長石組成,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象。角礫狀橄欖石為單礦物碎屑,手標本中呈暗褐色,粒度明顯大于非角礫部分,可達1cm(圖2a)。在反射光下可見比較平滑的礦物表面,并發(fā)育細小裂隙,這些裂隙被金屬物質(zhì)充填(圖2c)。輝長巖巖屑在手標本中呈暗褐色,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石(圖2d)。非角礫部分(圖3)斜長石和輝石約占90%左右,其中輝石約占65%,長石約占25%。斜長石和輝石呈半自形-自形,輝長質(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),其他礦物粒度相對較小。橄欖石約占非角礫部分的2%左右,可分為兩群:相對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石、輝石和橄欖石電子探針成分見表1和2。長石主要為基性斜長石(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微細虧損量lear明顯正eu異常東烏旗中鐵隕石輝長巖巖屑REE元素含量見表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)。各個輝長巖巖屑具有相近的REE含量和相似的REE配分模式,表明各個巖屑成分均勻,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)晶過程不會導(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,因為還原作用將導(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配分模式來看,輝長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輕微負異常,配分曲線具有右傾的特點。角礫狀橄欖石和輝長質(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的特征。碎屑狀橄欖石的粒度相對其他礦物較小,且邊緣呈熔蝕港灣狀。包體狀橄欖石被包裹在輝石中,與輝石和長石沒有平衡共生的關(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)。通常來說橄欖石和石英同時出現(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自不同的巖漿。東烏旗隕石中的輝石和斜長石具有相對穩(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向更富Fe的方向發(fā)展,如果輝石和橄欖石同時結(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似。輝石邊部常見由Ca含量較核部更高的輝石構(gòu)成的環(huán)邊,MgO含量相對核部較低而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質(zhì)硅酸鹽部分可能和HED隕石來自同一母體,即Vesta小行星。東烏旗中鐵隕石輝長巖巖屑的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認為此種REE配分模式的形成是由于小行星母體鈣長輝長質(zhì)玄武巖(eucrite-likebasalts)和長石堆晶型輝長巖(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輕微負異常的特點,必須有輝長質(zhì)堆晶的混合熔融才能產(chǎn)生如東烏旗中鐵隕石輝長質(zhì)角礫的LREE虧損和Eu正異常。東烏旗中鐵隕石輝長質(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的橄欖石是從鈣長輝長質(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小行星上的鈣長輝長質(zhì)巖漿中結(jié)晶出來。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)則需要進行進一步的成因探討。對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。目前已知的兩個可能為Vesta純橄巖的隕石為NorthwestAfrica(NWA)2968和MillerRange(MIL)03443。Beck等對MIL03443做了詳細研究,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)。原因包括以下幾個方面:(1)HED隕石中的橄欖石通常Mg#較低,不會達到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質(zhì)硅酸鹽不平衡,本文傾向于認為角礫狀橄欖石來自沖擊體小行星,但是仍需要進一步的工作來確定這些高Mg橄欖石的詳細來源。3.3金屬-聚合物混合時金屬酶的變化Kong等根據(jù)東烏旗中鐵隕石角礫狀橄欖石的REE特征推測角礫狀橄欖石和輝長質(zhì)硅酸鹽分別來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。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自沖擊體小行星,而非角礫橄欖石和輝長質(zhì)硅酸鹽可能來自HED隕石母體Vesta小行星?；诖?本文認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,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質(zhì)硅酸鹽部分。如果非角礫橄欖石和輝長質(zhì)硅酸鹽來自同一小行星,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質(zhì)堆晶發(fā)生重熔,但該溫度沒有達到橄欖石的熔點,橄欖石未被重熔。因此,東烏旗中鐵隕石中的輝長質(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—硅酸鹽混合時被作為