科学论文原始球粒陨石中难熔包体的前世今生

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　　球粒陨石是太阳系形成和早期演化过程残留的＂化石＂，是地球等类地行星的＂建筑材料＂。难熔包体是球粒陨石的重要组成部分，是太阳系最早形成的固态物质（～4567 Ma），记录了太阳星云的初始状态、重要事件以及星云盘径向空间上的同位素分布。难容包体通常由黄长石、尖晶石等高温难熔矿物组成，并根据结构特征划分出火成结构的熔融结晶型、细粒松散结构的气-固凝聚型二大类。
　　火成难熔包体是研究热点，但其初始物质组成、熔融程度、同位素异常和分馏的机制等仍存在争议。火成难熔包体常存在一种由尖晶石晶体层包围的特殊集合体（后面简称＂尖晶石壳体＂）（图1），一种观点认为它们是残留的前一世代难熔包体，另一种观点认为是难熔包体熔融时形成的气泡，尖晶石在气泡表面聚集成壳，随后气泡破裂，熔体灌入并结晶。
　　为了进一步厘清火成难熔包体的成因，中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室博士生张明明与导师、研究员林杨挺等对Allende碳质球粒陨石中火成难熔包体的＂尖晶石壳体＂开展了岩相学、背散射电子衍射晶体取向测定、三维结构CT分析以及氧同位素离子探针分析等工作。
　　岩相特征表明，尖晶石壳层由自形尖晶石晶体紧密排列构成，并且晶体的长轴指向壳体的中心，具有熔融结晶的特征。背散射电子衍射结果表明，尖晶石壳体内、外的钙长石具有结晶连续性（图1c），可能是同一晶体的连续生长结果。
　　CT分析给出的3D结构显示，两个独立的尖晶石壳体在中部发生了部分融合；另有一个尖晶石壳体被粗粒的钙长石晶体包裹，其内部的钙长石和主晶钙长石具有相同的结晶学取向。电子探针和离子探针分析表明，尖晶石壳体与宿主难熔包体具有相同的矿物化学和氧同位素组成。该研究为火成难熔包体的形成提供了新证据，证明尖晶石壳体是富气泡熔体结晶的产物，而不是残余或捕获的前一世代难熔包体。
　　通常认为难熔包体形成于靠近原始太阳的高温区域，而后被抛射或搬运到整个原始星云盘，最终与其他物质一起聚积形成星子，包括各类球粒陨石的不同母体小行星。另外，在原始星云盘中还普遍存在另一种高温加热事件，形成了球粒陨石中最主要的组分，即各种硅酸盐球粒。但是，有关难熔包体与球粒这二类组分之间的成因关系不清楚，而一些特殊的富铝球粒可以为厘清这二类重要组分之间的关系提供重要的制约。
　　为此，张明明等对Allende和宁强碳质球粒陨石中13个富铝球粒开展了岩石学、矿物化学、全岩主微量元素以及原位氧同位素分析，发现了指示难熔包体来源的残留镁橄榄石、尖晶石和富铝钛透辉石，表明这些富铝球粒的形成是由混入难熔包体的初始物质高温熔融形成。更为重要的发现是，混入的难熔包体在化学组成上，包含了已知5种REE配分模式中的3种（I型、II型和类II型、III型）（图2）。此外，富铝球粒和普通球粒具有相同的氧同位素组成（Δ17O～-5‰，图3），指示两者在相同区域熔融。该发现表明各类型难熔包体形成之后，一起被搬运到球粒陨石形成区域，并与镁铁硅酸盐物质混合，然后加热熔融形成富铝球粒。新的发现不支持富铝球粒是难熔包体与球粒形成过程的中间产物的观点。
　　Allende碳质球粒陨石中的一个火成难融包体。（a） Allende碳质球粒陨石中的火成难熔包体 （BBA-7），它富含尖晶石壳体（黄色框）；（b）复合型尖晶石壳体（FA-1），其中FA-1b完全包裹着FA-1a，且两者同时被一个连续的钙长石晶体穿插；(c) 尖晶石壳体的背散射电子衍射结果。白色为尖晶石，彩色为不同取向的钙长石。矿物缩写：Mel=黄长石；An=钙长石；Fas=富铝钛透辉石
　　图3 富铝球粒的矿物氧同位素组成；残余的橄榄石和尖晶石显著富集16O（Δ17O低至～-20‰），类似于难熔包体矿物的氧同位素组成；原位结晶的橄榄石和辉石显著贫16O（Δ17O ～-5‰），类似于与铁镁质球粒中的结晶相；斜长石则不同程度地贫16O（Δ17O ～-5‰到-1‰），指示它们受到了母体小行星热液流体交代作用的影响。矿物缩写：Sp=尖晶石；Ol=橄榄石；Lpx=低钙辉石；Hpx=高钙辉石；Pl=斜长石；Al-Ti-Di=富铝钛透辉石。PCM=原始球粒矿物线（斜率0.987，Ushikubo, 2012）; CCAM=碳质球粒陨石无水矿物线（斜率0.941；Clayton, 1993）