南極格羅夫山隕石收集、研究進展和富集機制

陳宏毅 繆秉魁 夏志鵬 謝蘭芳 趙斯哲,2

研究綜述

南極格羅夫山隕石收集、研究進展和富集機制

陳宏毅1繆秉魁1夏志鵬1謝蘭芳1趙斯哲1,2

(1桂林理工大學, 廣西隱伏金屬礦產勘查重點實驗室, 行星地質演化廣西高校重點實驗室, 隕石與行星物質研究中心, 廣西 桂林 541006;2中國科學院地球化學研究所, 月球與行星科學研究中心, 貴州 貴陽 550081)

經過7次南極格羅夫山考察, 我國成功收集隕石12 665塊, 證明格羅夫山為南極隕石富集區, 但和南極其他富集區相比, 格羅夫山隕石數量多、平均重量小、特殊類型隕石所占比例小。第3次和第4次格羅夫山考察共收集隕石9 802塊, 106.5 kg, 分別占總數量和總重量的77.4%和82.5%, 之后收集隕石的數量和重量持續下降。相對于國際上研究程度高的隕石富集區, 格羅夫山冰流速率快、流向復雜、冰裂隙發育、夏季盛行偏東風且風力大, 可能是格羅夫山隕石碎塊相對富集的客觀原因; 但格羅夫山的藍冰消融率、冰川流速、全年的氣象條件等方面積累數據不足。因此, 盡快采集格羅夫山地區的冰川變化和氣象數據, 建立格羅夫山隕石富集機制模型, 對合理規劃格羅夫山隕石科考和探索新的隕石富集區具有重要意義。

南極 格羅夫山 隕石收集 研究進展 富集機制

0 引言

隕石是來自太陽系小行星、行星及其衛星等星體的地質樣品, 保存了太陽星云凝聚、星子堆積和熔融分異等全部過程的信息, 這些樣品對研究太陽系的形成和演化、行星和小行星巖漿演化、地球生命起源和深部物質組成等均具有極其重要的意義。相對于登陸外星表面采樣, 隕石具有成本低廉和代表性廣泛等特點。但是, 同地球上的其他資源相比, 隕石極為稀少, 在發現南極隕石之前, 人類收集到的隕石總數僅2 000多塊[1], 且大部分為降落型隕石。1969年, 日本的南極科學考察隊在東南極的大和山區發現了9塊不同類型的隕石[2-3], 從此揭開了人類南極隕石科學收集和富集機制研究的序幕[4-8]。在此后50余年的時間里, 日本、美國、中國、韓國和歐洲聯隊等國科學家在南極共收集到5萬多塊隕石, 發現了50多個隕石富集區[9-17](圖1)。尤為重要的是: (1)這些富集區均沿著橫貫南極山脈、大和山區和格羅夫山等山脈和冰原島峰分布, 這些山脈有效阻擋和減緩了冰蓋的運動速度, 為隕石擱淺和富集提供了天然的屏障; (2)我國的中山站和泰山站可為格羅夫山隕石收集和潛在的南查爾斯王子山隕石調查提供后勤支撐, 而羅斯海新建站可為在橫貫南極山脈東南側的米勒山區、戴維冰川和先鋒山等地開展隕石收集提供保障, 美國等國家在該區域已經發現了包括月球隕石[18]在內的大量珍貴隕石; (3)1998年至今, 我國共組織了7次格羅夫山考察, 收集到12 665塊隕石, 使格羅夫山成為南極隕石密度最高的富集區之一[10-17]; (4)隨著隕石分類工作的持續開展, 一批珍貴隕石類型如鈣長輝長無球粒隕石、橄輝無球粒隕石、原始無球粒隕石、頑輝石球粒隕石、碳質球粒隕石等逐步被識別并開展研究工作; 此外, 隨著分析測試技術的進步和我國綜合國力的提升, 2008年之前已經開展研究的珍貴隕石類型如火星隕石等, 利用NanoSIMS等高精設備測試取得了重要的科學新發現; 在對普通球粒隕石稀有氣體測試、氧同位素分析、磁化率測試等方面同樣取得了重要進展。因此, 針對格羅夫山已回收隕石的分布、數量、重量和類型等數據進行統計學分析, 并結合現場考察采集的氣象和冰川流速數據, 通過衛星遙感采集的冰流方向和藍冰變化等數據開展隕石富集規律的研究, 不但可以合理規劃格羅夫山隕石考察, 還可以預測和發現新的隕石富集區, 收集更多的南極隕石。而南極隕石的資源儲備, 將可以有效促進我國隕石學與行星科學的學科發展, 更大程度上服務于我國深空探測的國家戰略。

圖1 南極大陸隕石富集區分布圖

Fig.1. The distribution of meteorite concentration areas in Antarctica

1 格羅夫山地形地貌和氣象條件

格羅夫山位于東南極普里茲灣蘭伯特裂谷東岸, 中山站南西方向直線距離約400 km處(圖1)。該地區由64座冰原島峰和大面積出露的藍冰區組成, 總體地勢東南高西北低, 東南側為冰原高地, 與下方的藍冰區落差形成陣風懸崖(蓋爾陡崖), 冰面最高海拔2 130 m, 最低1 831 m, 平均海拔2 000 m。蘭伯特(Lambert)冰川由南東向北西流經格羅夫山地區, 由于島峰鏈及其冰下隱伏山系走向垂直于主要冰流方向(圖2), 對冰川的流動構成了巨大障礙。格羅夫山地區藍冰出露面積廣闊, 角峰眾多, 高低不一, 形態萬千, 冰流十分復雜, 在幾十平方公里的不同區域內冰流速度存在明顯差別, 導致冰裂隙分布甚廣[19-20]。冰川流經格羅夫山地區減速明顯, 加上強烈下降風的作用, 藍冰的消融作用非常明顯[21], 為隕石的擱淺富集提供了得天獨厚的條件。

隕石的擱淺富集不但與冰川流動和冰原山脈分布有直接關系, 而且強烈受制于富集區的溫度、風速、風向等氣象條件。為此, 作者在第32次中國南極科考格羅夫山考察過程中專門采集了工作區的氣象數據。采集地點為距離工作區較近的營地周邊, 分中午和傍晚兩次采集, 從2015年12月22日進入格羅夫山地區開始, 到2016年1月25日離開結束, 共計采集35天。使用常規的手持式風速風向儀及最高、最低溫度表, 儀器在赴南極前和在中山站都進行過標定, 其觀測精度可滿足氣象觀測規范的要求[22]。

2015年格羅夫山地區夏季12月份最低溫度?21℃, 最高溫度?9℃, 10天的平均氣溫為?13℃; 2016年1月份最低溫度?27℃, 最高?12℃, 25天的平均氣溫為?19℃; 相對于12月份, 1月份的平均氣溫下降6℃。風向以東風、偏東風、東南風和偏南風為主, 最大風速16 m·s?1(7級風), 7級風出現6天, 頻率為24%, 35天中風速大于10 m·s?1(5級風)的天氣有22天, 特殊的天氣情況有地吹雪和白化天。而程彥杰等[22]在1998—1999年第1次格羅夫山考察測得的氣象數據為1月份平均氣溫?18.5℃, 夏季盛行風向為偏東風, 平均風速為10 m·s?1, 7級風出現頻率為25%。由此可見, 格羅夫山地區在17年間, 1月份的氣象條件穩定, 沒有太大變化。由于32次隊在格羅夫山國旗營地首次設置的自動氣象儀在隊伍撤離1周后出現故障, 至今沒有格羅夫山地區冬季的氣象數據。

圖2 格羅夫山地區地形、冰流方向和隕石分布圖[15]

2 隕石收集、分類和類型分布

1998年12月, 我國組織了第一次南極內陸格羅夫山考察, 揭開了我國南極內陸科學考察的序幕, 并在陣風懸崖北段和中段的藍冰表面回收4塊隕石, 其中3塊為普通球粒隕石, 1塊為鐵隕石[23-24]; 第2次考察, 發現了28塊隕石[25], 經鑒定, 發現火星隕石1塊, 鈣長輝長無球粒隕石1塊[26]; 第3次考察收集到4 448塊隕石[27]。至此, 格羅夫山作為南極一個新的隕石富集區的推斷被證實。此后, 第4—7次格羅夫山考察分別收集到5 354塊、1 618塊、583塊和630塊隕石, 我國的南極隕石擁有量達12 665塊(表1)。

2.1 隕石分布特征

我國7次南極格羅夫山隕石考察收集的隕石絕大多數分布于陣風懸崖下方的藍冰和冰磧帶中, 其次收集于薩哈羅夫嶺東側的藍冰區, 在哈丁山、戴維冰原島峰和梅森峰周邊的藍冰上也曾發現零星隕石, 總體規律是從東南到西北的藍冰上發現隕石數量越來越少(圖2)。

根據7次格羅夫山隕石收集情況, 主要特征有: (1)按產狀, 格羅夫山隕石可分為藍冰型和冰磧型兩類; (2)隕石主要產出區域位于陣風懸崖下方的藍冰區和薩哈羅夫嶺東側藍冰區, 并非所有藍冰區均富集隕石; (3)在迎風坡的冰磧帶和一些藍冰凹地富集了許多質量小的隕石, 這些小隕石大部分是隕石碎片, 完整個體較少, 可能與風的搬運作用有關; (4)7次考察的隕石分布區基本重疊, 例如第4次所收集的5 354塊隕石, 絕大部分與第3次考察所收集的4 448塊隕石是在相同的區域內被發現的。

2.2 隕石收集數量和重量規律

7次格羅夫山隕石搜尋工作共計收集隕石12 665塊, 總重量127.72 kg, 參與搜尋工作65人次。由于在格羅夫山采用步行拉網式的隕石搜尋方式, 因此, 在已經搜尋過的區域內, 隕石基本被搜尋殆盡, 隕石搜集的信息基本能夠反映一定時間段內被搜尋區域的隕石富集特征。

第1次格羅夫山考察回收的4塊隕石重量分別為13.5 g、76.4 g、282.2 g和154.8 g[23-24], 平均重量較大, 此后歷次考察收集隕石數量增多, 在第4次考察達到峰值(5 354塊), 之后3次考察收集數量快速下降, 平均重量也下降(表1, 圖3), 主要規律為: (1)7次隕石收集總量的單塊重量呈正態分布, 主峰值出現在0.1~0.5 g區間(4 499塊), 次要峰值在1~5 g區間(2 549塊), 大于1 kg的隕石數量僅10塊; (2)單次搜集的數量和重量與總體規律基本一致, 細節略有差別: 峰值出現在1~5 g區間的有第2、5和6次, 峰值在0.1~0.5g區間的有第3、4次和第7次; (3)第3次和第4次在歷次收集中數量最多(兩次合計9 802塊, 105.57 kg, 分別占總數量和總重量的77.39%和82.66%), 高居歷次隕石收集數量和重量的頂峰, 之后隕石收集的數量和重量均急劇下降; (4)第5次收集小于0.1 g、0.1~0.5 g和1~5 g的數量相當, 第6次0.1~0.5 g、0.5~1 g和1~5 g數量相當, 而第7次0.5~1 g和1~5 g數量相當; (5)在隕石產狀分布上, 第1次和第2次全部為藍冰型, 第3次和第4次轉為冰磧型為主, 但藍冰型仍占據一定比例(21.81%和39.86%), 在第5—7次藍冰型所占比例急劇減少(占比分別為: 0%、3.26%、7.30%), 總體上藍冰型占所有回收隕石比例的25.27%(表1), 大多數隕石在冰磧帶中被發現, 收集難度加大。主要原因是藍冰型隕石易于識別, 在視力可見范圍內基本不會被漏掉, 因此, 在目前可到達的工作區內, 藍冰型隕石基本被收集完。

表1 我國南極格羅夫山隕石收集信息數據表

2.3 隕石分類工作進展和類型分布規律

自格羅夫山隕石發現以來, 我國持續開展了南極隕石分類、國際命名提交和相關的科學研究工作[28-42]。截至2020年10月, 已經分類的南極隕石共4 049塊, 其中提交國際命名的隕石有3 426塊,暫未提交命名的隕石可在中國極地標本資源共享平臺中檢索(http://birds.chinare.org.cn/ index/)。在已經提交國際命名的隕石中主要為普通球粒隕石, 占申報總數的98.31%, 其余特殊類型隕石數量分別為: 火星隕石2塊, HED(Howardite-Eucrite-Diogenite)族隕石3塊, 原始無球粒隕石2塊, 橄輝無球粒隕石11塊, 鐵隕石4塊, 橄欖隕鐵1塊, 中鐵隕石12塊, 碳質球粒隕石21塊, 頑輝石球粒隕石2塊(表2, 圖4)。在已申報的隕石中, HED族隕石(1塊)、鐵隕石(3塊)、中鐵隕石(1塊)、橄輝無球粒隕石(1塊)、碳質球粒隕石(1塊)、頑輝石球粒隕石(1塊)是2013年之后新提交的特殊隕石類型[41-42]。

圖3 我國歷次南極格羅夫山科學考察隕石收集數量和重量分布圖

Fig.3. The distribution of quantity and weight of Grove meteorites in Antarctica

將已獲得國際隕石命名的格羅夫山隕石與南極其他隕石富集區的隕石進行對比, 可見如下特點: (1)在格羅夫山所發現的特殊類型隕石比例相對較小, 至今未發現月球隕石、頑輝石無球粒隕石、鈦輝無球粒隕石等, 而HED族隕石、碳質球粒隕石、頑輝石球粒隕石、鐵隕石和橄欖隕鐵等隕石類型不但數量上遠小于南極其他富集區的發現比例, 且其亞類也相對單一, 唯有中鐵隕石比例(0.35%)高于南極其他富集區(0.13%); (2)格羅夫山普通球粒隕石比例(98.31%)高于其他富集區(91.73%); (3)所發現的普通球粒隕石中, L群的占大多數(68.21%), 被認為其中存在大量的隕石碎塊或成對隕石[41-42]; (4)非平衡型普通球粒隕石比例(2.34%)與南極其他地區(3.99%)接近(表2)。

圖4 格羅夫山和南極其他隕石富集區不同類型隕石分布圖. a)格羅夫山; b)南極除格羅夫山之外的其他富集區總數

Fig.4. Histogram of chemical groups of meteorites recovered from Antarctica. a) meteorites from the Grove Mountains; b) meteorites from the other concentration areas

表2 格羅夫山和南極其他地區不同類型隕石數量對比

續表2

注: a)3型為非平衡型隕石, 與普通球粒隕石的不同化學群重復計數; b)我國第一塊南極隕石GRV 98001未開展化學群分類; c)部分隕石包含多種化學群組分; d)存在未劃分亞型的隕石; e)GRV 020043被認為代表了原始無球粒隕石的母體物質, 在國際隕石分類表上被劃分為普通球粒隕石H4型。

3 格羅夫山隕石研究新進展

在對南極格羅夫山開展隕石搜尋工作的同時, 我國科學家十分重視隕石分類和科學研究工作: 在隕石的巖石學礦物學特征、地球化學特征及其類型劃分, 隕石的起源、巖漿演化及其母體的地質過程, 隕石的沖擊變質和熱變質過程, 隕石的爆裂年齡和濺射年齡、氧同位素組成特征、磁化率和難熔包裹體等方面開展了大量的科研工作, 取得了突出的科研成果。繆秉魁等[14]和林楊挺等[16]做了系統綜述, 本文主要總結2008年之后的研究進展。

3.1 火星隕石

我國在格羅夫山收集火星隕石2塊, 分別為GRV 99027和GRV 020090, 從發現伊始, 科研工作者就對它們開展了持續研究, 截至發稿, 累計發表科研論文17篇[43-59]。GRV 99027和GRV 020090均為二輝橄欖巖質火星隕石[43,45], 屬于火星隕石分類中的輝玻無球粒隕石, 對研究火星早期的巖漿演化和火星水等具有重要意義。

GRV 99027隕石∑REE(Rare Earth Element,稀土元素總量)低, 橄欖石和輝石富集HREE (Heavy Rare Earth Element,重稀土元素); 熔長石富LREE(Light Rare Earth Element,輕稀土元素), δEu(δEu=Eu×[(Sm+Gd) ×2?1]?1)具較高的正異常(δEu>1為正異常, δEu<1為負異常); 白磷鈣礦具有極高的∑REE, LREE≈HREE, δEu負異常明顯; 全巖氫同位素具有高的δD值[52,54]; 橄欖石、輝石和斜長石的Rb-Sr等時線年齡為177±5(2σ)Ma, 初始87Sr/86Sr = 0.710364±11(2σ), Sr同位素的初始比值落在ALHA 77005和LEW 88516等輝玻無球粒隕石之間[46,55], 這些特征與輝玻無球粒隕石一致, 與其他類型的火星隕石不同, 說明不同類型的火星隕石具有不同的巖漿源區, 二輝橄欖巖質火星隕石來自于同一巖漿構造單元, 反應了火星幔的均一性[54-55]。通過計算宇宙成因核素10Be的含量得出GRV 99027的宇宙射線暴露年齡為(4.4±0.6) Ma[50], 稀有氣體計算得出的宇宙射線暴露年齡為(5.7±0.4)Ma (1δ)[59], 與同為火星幔起源的LEW 88516, Y- 793605, NWA 1950和ALHA77005具有相似的礦物學、地球化學特征和宇宙線暴露年齡, 說明它們極有可能來自火星上的同一次撞擊事件[50]。

GRV 020090具有嵌晶結構和非嵌晶結構兩種結構類型, 相對于GRV 99027和其他輝玻無球粒隕石, 具有較高的二輝橄欖巖和熔長石含量(24.2%)[53], 橄欖石和輝石相對富鐵, 熔長石具有較高的堿金屬含量, 輕稀土元素相對富集, 和玄武巖質輝玻無球粒隕石一致[55,57], 其巖石學、礦物學和地球化學特征表明其原始巖漿源來源于稀土虧損的火星幔, 之后部分熔融, 具有兩個階段的巖漿結晶過程[56-57]。Hu等[58]對GRV 020090巖漿包裹體的水含量和H同位素做了研究, 發現兩者具有非常好的對數相關性, 指示為火星大氣水交換的結果。巖漿包裹體的水含量和D/H比值非常不均勻, 兩者都從中央向外逐漸升高, 表明這些水是由外部通過擴散進入巖漿包裹體。因此, 這些水是火星大氣水而不是巖漿水, 該文章首次報道火星存在大氣降水的同位素證據。通過對水在這些巖漿包裹體中的擴散模擬, 進一步對液態水存在的最長時間進行了估算: 在0℃的條件下, 液態水最長可存在13萬~25萬年左右, 如果溫度升高到40℃, 則時間縮短至700~1 500年。這表明GRV 020090火星隕石的巖漿上侵至火星近表面時, 其熱量熔化了周圍的凍土層, 形成了一個區域性的、有限時間的地下熱水體系。同時, 由于所測得的D/H比值遠高于之前報導的結果, 表明有更多的水逃離了火星, 意味著火星早期曾經有過更深的海洋[58]。

3.2 HED族隕石

我國在格羅夫山共收集到3塊HED族隕石, 全部為Eucrite, 分別為GRV 99018[60], GRV 051523[61]和GRV 13001[62-63]。GRV 99018是一塊遭受強烈沖擊變質和熱變質的角礫巖化玄武巖質無球粒隕石, 沖擊導致了部分熔融, 沖擊熔脈寬5~20 μm; 輝石具有1~3 μm寬的出溶條帶, 重結晶的顆粒普遍發育, 說明其遭受了多期次的熱變質作用[60]。GRV 051523玄武巖質無球粒隕石受到強烈的撞擊并角礫化, 形成沖擊熔脈; 粗粒輝石晶體周邊普遍存在微粒狀或細針狀鉻鐵礦, 并具有定向分布特征, 不同產狀的輝石成分均一, 表明該隕石經歷過強烈的熱變質作用, 其巖石類型為5—6型[61]。GRV 13001重1 299 g, 是我國在南極發現最大的一塊無球粒隕石, 其四分之三表面被一層灰黑色熔殼覆蓋, 熔殼厚度0.02~0.10 mm; 隕石內部呈深灰—灰白色, 含大量深灰色不規則角礫, 基質為灰白色; 易變輝石出溶普通輝石片晶, 斜長石出溶富鐵納米顆粒, 含硫元素的二氧化硅熱液沿裂隙交代輝石和斜長石, 形成隕硫鐵和石英, 證明其母體上發生過熱液變質反應[62]。通過氧和鉻同位素的對比研究(δ18O‰=3.65, δ17O‰=?0.238±0.001;ε54Cr=?0.32), 推測GRV 13001可能直接起源于一個直徑數公里的V型小行星碎片, 該小行星碎片在進入地球軌道之前位于比灶神星更加靠近火星的位置[62]。通過GRV 13001和其他HED族隕石的熱變質對比綜合研究, Eucrite熱變質發育程度最高, 而Diogenite只有微弱的熱變質, 組成Howdite不同的角礫具有不同的熱變質程度, 玄武巖質Eucrite具有最高程度的熱變質, 輝長堆晶巖型Eucrite次之, Diogenite角礫熱變質程度最低; 因此, Eucrite熱變質的熱量最有可能來源于玄武巖漿噴發的覆蓋加熱[63]。

3.3 橄輝無球粒隕石

橄輝無球粒隕石是一類特殊的無球粒隕石, 既具有高度分異的火成特征, 又具有原始球粒隕石的特征, 對了解太陽系形成和演化有重要意義[64]。我國在格羅夫山成功收集橄輝無球粒隕石11塊, 占已分類隕石總數的0.32%, 與國際水平相當(表2), 累計發表科研論文9篇[64-72], 其中, GRV 021788, GRV 024516, GRV 024237, GRV 022888, GRV 052382和GRV 052408在巖石學和礦物化學特征、地球化學特征、宇宙射線暴露年齡和氣體保存年齡、沖擊變質作用等方面開展了一定的研究工作[64-72]。

GRV 021788由橄欖石、輝石、少量的富碳基質和不透明礦物組成, 橄欖石晶體具有三線共點的三聯晶結構和富鎂還原邊等典型的橄輝無球粒隕石特征。黑色的填隙基質富含碳、金剛石和石墨, 屬于單礦I型橄輝無球粒隕石, 可能形成于多階段部分熔融和堆積[64]。GRV 024516的宇宙射線暴露年齡為33.3 Ma, 氣體保存年齡為1 936.8 Ma, 填隙物含金剛石、石墨和無定型碳, 并為主要稀有氣體的載體, 且沖擊變質效應明顯, 導致40Ar部分丟失[65]。GRV 052382遭受了強烈的沖擊變質作用, 主要由橄欖石(75%)、易變輝石(5%)、富碳填隙物(20%)和少量金屬組成, 橄欖石具有鎂質還原邊, 輝石成分均勻, 但存在沖擊作用影響下的波浪狀成分變化, 石墨和金剛石作為填隙物充填在橄欖石裂隙中, 沖擊作用的主要表現為橄欖石細晶化、易變輝石中的不規則氣孔被金屬鐵充填、石墨的金剛石相變等, 與GRV 021788一樣可劃分為富鐵的I型[66-68,70]。GRV 024237由粗粒橄欖石(60%)、易變輝石(30%)和不透明礦物組成, 橄欖石具有120°角三聯晶、反環帶等典型橄輝無球粒隕石特征, 基質富含碳質, 充填于裂隙中, 沖擊程度弱, 與GRV 021788同屬于單礦I型橄輝無球粒隕石[69,71]。GRV 052408由橄欖石(60%)、輝石(35%)和富碳質填隙物(5%)組成; 而GRV 022888橄欖石含量達98%, 僅有極少量的輝石和含碳質填隙物。GRV 052408和GRV 022888的共同特征是橄欖石具有核部富鐵邊部富鎂的反環帶結構, 屬于單礦I型橄輝無球粒隕石[72]。

通過以上研究, 可以明確橄輝無球粒隕石的主要特點是: 礦物組成以橄欖石為主, 輝石為輔, 輝石中以易變輝石為主; 填隙物中富含石墨和金剛石; 橄欖石具有120°的三聯晶結構和核部富鐵邊部富鎂的反環帶, 說明其經歷了巖漿結晶后期復雜的重熔或變質作用, 可能起源于隕石母體部分熔融后殘余物質的重結晶[64-72]。

3.4 原始無球粒隕石

我國在格羅夫山隕石中識別出兩塊原始無球粒隕石GRV 021663和GRV 022890[73-77], 亞類分別為Acapulcoite和Winonaite(表2)。Li等[73]對GRV 021663做了報道, GRV 021663主要由原始的鎂橄欖石(Fa5.4)、頑輝石(Fs4.7Wo3.0)、透輝石(En53.6Fs2.4Wo44.0)、隕硫鐵、鐵鎳合金和斜長石(Ab74.5Or4.0An21.5)組成, 含有少量的隕磷鐵鎳石和富鉀長石; 全巖的氧同位素組成為δ18O= 7.50‰, δ17O=3.52‰。Zeng等[74]通過對GRV 021663、GRV 022890兩塊南極格羅夫山原始無球粒隕石, 以及四塊西北非原始無球粒隕石綜合的巖石學和地球化學特征分析后認為, 原始無球粒隕石母體在演化歷史上形成了四層結構: 由球粒隕石物質組成的表層、經歷了變質反應和FeNi–FeS部分熔融物質形成的亞層、深部的硅酸鹽部分熔融層和最里面不完全分異的金屬熔體。

此外, 通過對球粒隕石GRV 020043進行氧和鉻同位素測試, 全巖氧同位素組成為: δ18O= 3.226±0.267‰, δ17O=0.797±0.131‰, Δ17O=?0.927± 0.017‰, 全巖鉻同位素組成為: ε54Cr =0.48± 0.10‰。同位素組成和普通球粒隕石以及未分組的球粒隕石不同, 而與已知的原始無球粒隕石一致, 從而推測GRV 020043代表了原始無球粒隕石母體形成之前的物質來源[74-76], 并結合部分原始無球粒隕石的研究給出了其母體的可能結構[76]。

3.5 鐵隕石

王道德和林楊挺[77-78]對我國在南極發現的第一塊鐵隕石GRV 98003做了研究, 將其劃分為IAB- complex群, 化學類型與南丹鐵隕石、邕寧鐵隕石和NWA 468鐵隕石等一致。與NWA 468相比, GRV 98003具有明顯的難熔親鐵元素(Re, Ir)和中等揮發性元素(Ga, Ge)的貧化, 其他的化學組成與NWA 468相似, 兩者均可能是在碳質球粒隕石小行星母體表面由表土經過沖擊熔融形成的。

3.6 碳質球粒隕石

碳質球粒隕石是我國在格羅夫山發現的隕石中除了普通球粒隕石之外數量最多的隕石類型, 目前已鑒定出21塊(表2)。碳質球粒隕石的巖石學礦物學特征, 富Ca,Al難熔包裹體(CAI, Calcium- aluminum Inclusions)特征和成因[79-84], 以及太陽系外顆粒和來源分析[85]等方面是研究的重點。

GRV 020025、GRV 021579、GRV 022459和GRV020017分別被劃分為CM2、CO3、CV3和CM2型碳質球粒隕石, 基質和球粒的面積比值分別為2.8、1.2、1.0和2.0, 最大的球粒直徑達0.6~ 2 mm(GRV 022459), 4個隕石薄片中共發現30個鈣鋁包裹體[79]。大部分鈣鋁包裹體強烈蝕變, 被劃分為A型或尖晶石-輝石富集型, 具有類似的巖石學和礦物化學特征, 推測它們具有相似的起源[80]。在GRV 020025和GRV 021579中還發現兩個富尖晶石球粒狀鈣鋁包裹體, 分別為3R18和3R15, 3R18中尖晶石含量高, 在球粒的最外邊存在嚴重蝕變的不規則邊, 鈣鈦礦主要分布在靠近邊的位置; 3R15的尖晶石中的鈣鈦礦消失, 發現深綠輝石, 薄薄的蝕變層位于尖晶石核和富鈣輝石邊之間, TiO2含量較高, 巖石學和礦物化學特征表明, 3R18和3R15都經歷過熔融結晶過程, 它們的蝕變均發生在非氧化的含水或無水的環境中[81-82]。GRV 022459的蠕蟲狀橄欖石集合體中的尖晶石強烈富鐵, 說明其形成于高氧逸度的環境[83]。GRV 023155 和GRV 050179分別被劃分為CV3和CM2型碳質球粒隕石, 多數難熔包裹體強烈蝕變, 在球粒、基質和包裹體中均發現了層狀硅酸鹽, 證明在其母體上發生了較強烈的含水蝕變, 所有包裹體被劃分為A型或尖晶石-輝石富集型, 可能代表了太陽星云的連續凝聚[84]。

利用NanoSIMS在CR型碳質球粒隕石GRV 021710中發現了前太陽系顆粒(太陽系外顆粒), 在35個異常的含碳顆粒中28個為碳化硅(SiC), 通過N和Si同位素測試, 在7個顆粒中, 1個為新星顆粒、1個為Y顆粒、1個為Z顆粒, 4個為主流顆粒; 112個氧異常的顆粒中有89個屬于1組(Group 1), 說明了起源于低到中等質量紅巨星和AGB星, 21個屬于4組(Group 4)顆粒, 起源于超新星[85]。

3.7 頑輝石球粒隕石

謝蘭芳等[86-87]對我國在南極新發現的頑輝石球粒隕石GRV 13100做了系統研究。GRV 13100為EH4型, 沖擊變質程度為S2, 風化程度為W2。主要由不同類型的球粒、基質和不透明礦物組成, 球粒及基質礦物組成均以頑火輝石或輝石質玻璃為主, 次要礦物為鈉長石、鎂橄欖石、方石英和不透明礦物。不透明礦物包括隕硫鐵、隕硫鉻鐵礦、隕硫鎂礦、隕硫鈣礦、含硅鐵紋石(Si含量2.23~3.90 wt.%)、隕磷鐵礦、硅磷鎳礦等金屬硫化物和磷化物, 不透明礦物總含量達21vol.%。隕硫鎂礦中FeS含量可以反映母體變質溫度, 通過計算和對比, GRV 13100中大部分隕硫鎂礦變質溫度為200℃~300℃, 個別經歷了400℃~800℃的高溫, 可能為外來吸入成因或代表了原始星云的凝聚或結晶溫度; 隕硫鎂礦形成于太陽星云的直接凝聚, 并在橄欖石和頑火輝石冷凝結晶之后形成; 隕硫鐵的成因分為原生和次生兩種, 原生的隕硫鐵由太陽星云直接凝聚而成, 次生的隕硫鐵是在后期熱變質過程中由鐵鎳金屬經過硫化作用或者由隕硫鎂礦分解而形成; 硅磷鎳礦可能來自含硅鐵紋石的出溶[86-87]。

3.8 普通球粒隕石的沖擊變質作用

Feng等[88-92]、Xie等[93-96]、馮璐等[97]、張廣良等[98]、王江與繆秉魁[99]、Zhong等[100]、朱佳玲等[101]在南極格羅夫山隕石的沖擊變質特征、高壓相礦物集合體對溫度和壓力約束、沖擊熔融過程等方面做了積極探索。

通過對93塊格羅夫山普通球粒隕石的調查, 它們的沖擊變質特征表現為主要組成礦物的破裂、消光、熔融和重結晶等, 存在林伍德石、鎂鐵榴石、輝石玻璃和熔長石等多種硅酸鹽礦物的高壓多形。在遭受強烈沖擊變質(S4—S5)的23塊樣品中, 22塊為L群, 1塊為H群, 且大部分為平衡型(5—6型)隕石, 說明熱變質程度高的L群隕石母體遭受沖擊變質程度最高[90,97]。隕石遭受強烈的沖擊變質可導致球粒的全部或部分消失, 如GRV 052483撞擊熔融角礫巖型L6普通球粒隕石[98]。H群普通球粒隕石的沖擊變質程度相對較弱, 沖擊熔脈寬度較窄, 在調查的47塊H型隕石中, 僅在GRV 022469的沖擊熔脈中發現了橄欖石的高壓礦物相瓦茲利石[99]。GRV 090228(L5)中硅酸鹽礦物具破裂、波狀消光、擊變面狀頁理, 長石熔長石化, 沖擊熔脈中鐵鎳金屬與隕硫鐵共熔, 含橄欖石–林伍德石集合體、鎂鐵榴石等高壓礦物組合, 沖擊變質程度達到S5, 沖擊壓力峰值在18~23 GPa, 沖擊溫度峰值在1 800~2 500℃[101]。

在GRV 052049(L5—6型)中發現了輝石的高壓變質礦物鎂鋁榴石, 限定沖擊壓力峰值21~ 25 GPa,之后橄欖石及其高壓相礦物林伍德石在<10 GPa壓力和1 473 K溫度下達到平衡, 橄欖石的出溶條帶可能在橄欖石向林伍德石和瓦茲利石固相轉變以及之后的退變質過程中形成[88]。橄欖石-林伍德石-瓦茲利石共存可能有沿晶界不連貫結晶和共格晶內成核生長兩種成因機制, 而在GRV 052049中發現林伍德石和與其共存的瓦茲利石之間存在巨大的成分空隙可能說明還有其他的成因機制[89]。在GRV 052082(L6)的沖擊熔脈中發現了鈦鐵礦的高壓相礦物阿基墨石、林伍德石、鎂鐵榴石與鎂鐵榴石和輝石固融體共存, 限定沖擊壓力峰值在18~23 GPa, 溫度峰值在2 000~ 2 300℃。熔脈中的低鈣輝石角礫已經部分或全部轉變為阿基墨石和輝石玻璃集合體, 阿基墨石中Fe含量減少(Fs6-19), 輝石玻璃中Fe含量增加(Fs31-39), 而原始輝石具有均勻中等的Fe含量, 說明沖擊導致輝石全部熔融之后重結晶, 阿基墨石先結晶, 輝石質玻璃從殘余熔體中快速淬火[92]。GRV 022321發育網脈狀的沖擊熔脈, 在熔脈中發現了橄欖石和林伍德石集合體, 中心為橄欖石, 邊部為林伍德石, 林伍德石(Fa50)比橄欖石(Fa10-30)具有高的鐵含量, 該樣品有助于合理計算的沖擊持續時間內溫度的轉變[93-94], 利用電子探針、激光拉曼和超薄切片透射電鏡相結合的技術, 可以闡明橄欖石和林伍德石中Mg-Fe遷移機制, 并用動力學原理評估沖擊持續時間[94,96]。Xie等[95]利用FIB-TEM(Focused Ion Beam-Transmission Electron Microscope, 聚焦離子束超薄切片和透射電鏡)技術研究了GRV 022115(L6)中主要硅酸鹽相的破裂相變、蒸汽相和納米鐵的形成機制。

由于GRV 052049中的林伍德石具有巨大的成分分帶(Fa27.8-86.1), Feng等[91]探討了拉曼光譜和化學成分之間的關系, 研究發現林伍德石顆粒的Fa值與拉曼譜峰有很好的線性相關。隨著林伍德石的Fa值從27.8%升高至86.1%, DB1峰從796.3 cm?1位移至782.7 cm?1; SB1峰從296.0 cm?1位移至284.6 cm?1。從而建立了林伍德石Fa值與拉曼譜峰的關系式, 得到利用拉曼光譜測定林伍德石的化學成分的新方法, 其分析精度好于5 mol%。該項技術具有兩個潛在應用, 即在高溫高壓實驗中在線測定橄欖石-林伍德石的相變及其化學組成變化, 以及在深空探測中, 利用拉曼譜儀實現礦物結構和化學組成的同時測定。

3.9 普通球粒隕石的稀有氣體

Lorenzetti等[102], Ranjith等[103]先后對格羅夫山普通球粒隕石進行了He、Ne和Ar等稀有氣體含量測試。GRV 98002(L5)的宇宙射線暴露年齡(CRE,Cosmic Ray Exposure Age)為(17.0±2.5) Ma, GRV 98004(H5)從母體暴露到地球的時間極短: (0.052±0.008) Ma, 它的巖石學和礦物化學特征與其他H5型隕石也不同, 只有3個隕石具有類似低的CRE年齡: Farmington (L5), Galim (LL6)和ALH 82100 (CM2)。因此, 這些CRE年齡≤0.1 Ma隕石的母體可能是天文觀測中那些和地球軌道相交或者主帶小行星中接近于彈射共振的小行星[102]。GRV 13095(L5)的K-Ar氣體保留年齡為(459±13)Ma,支持發生在470 Ma年前的L型球粒隕石母體的大撞擊事件, 利用He、Ne和Ar含量(avg.4He=61.5×10?8ccSTP·g?1, avg.40Ar=173.5×10?8ccSTP·g?1)計算的CRE年齡為14.1±2.5 Ma; GRV 13083(H4)的的K-Ar氣體保留年齡為(3.67±0.26) Ga, 落在3.5~4.0 Ga期間H型球粒隕石大撞擊范圍內, 其CRE年齡為(3.9±0.7) Ma, 比H型隕石CRE年齡峰值年輕[103]。

3.10 隕石的磁化率、風化程度和氧同位素

磁化率是隕石的一個基本物理常數, 對磁化率影響較大的是隕石中鐵鎳金屬的含量, 利用磁化率對未分異型球粒隕石以及鐵隕石和中鐵隕石等分類可以起到快速、便捷的作用[104]。通過對613塊格羅夫山隕石磁化率測量, 結果表明利用磁化率可以劃分大部分H、L、LL群隕石。格羅夫山H群隕石的磁化率分布與南極其他地區的隕石十分相似, 兩者相對于降落型隕石均向低質量磁化率方向平移0.2(logχ,10–9m3·kg–1), L群隕石的質量磁化率分布同樣較降落型隕石偏低0.2左右, 反映了風化作用對南極隕石磁化率的影響程度[105]。

采用對金屬和硅酸鹽同時進行風化等級劃分的辦法, 尚穎麗等[106]對南極隕石的風化等級標準進行了重新厘定。金屬的風化等級劃分為Wm0—Wm4五級, 硅酸鹽風化等級Ws0—Ws3四級。按照這個方案, GRV 021588、021636、021772和021957等4塊無法用Wlotzka標準確定風化等級的隕石的風化程度被劃分為Wm1—Ws1, 而GRV 023312的風化等級為Wm3—Ws0, 相當于Wlotzka標準的W3[107]。

富鋁球粒在巖石學礦物學和同位素組成等方面兼具富鈣富鋁難熔包體和鎂鐵質球粒的特征, 在GRV 022410(H4)、GRV 052722(H3.7)和Jule-sburg (L3.6)3個普通球粒隕石中發現了7個富鋁球粒, 它們的全巖Al2O3含量為17%~33%, 均顯示火成結構。富鋁球粒的氧同位素成分(δ18O= ?6.1‰~7.1‰; δ17O=?4.5‰~5.1‰), 與鎂鐵質球粒相近, 遠比富鈣富鋁難熔包體(δ18O=?40‰; δ17O=?40‰)虧損16O。在三氧同位素圖上, 大部分富鋁球粒投在地球分異(TF)線附近, 少部分(含尖晶石)投在TF線和碳質球粒隕石無水礦物(CCAM)線之間。與前人研究結果相比, 更緩的斜率及更貧16O的成分進一步表明普通球粒隕石中的富鋁球粒不是CAI與鎂鐵質球粒簡單混合形成的, 相反, 它們很有可能在多次熔融過程中與貧16O的星云氣體經歷了更高程度的氧同位素交換[108-109]。

4 南極隕石富集機制和規律探討

自1969年以來, 南極隕石富集機制日益受到各國隕石研究者的關注。南極隕石富集機制是指在數以百萬年時間里降落在南極冰蓋上的隕石, 在藍冰中儲存、運移, 并隨著冰川運動由中心向四周流動, 在接近海岸遇到冰原島峰或冰下山脈阻擋, 流速減緩, 在下降風的作用下藍冰消融, 薄層積雪被吹走, 歷經數以萬年的積累, 儲存在藍冰中的隕石逐漸被暴露, 并在強風作用下產生分選和富集的過程[110-111]。在南極大陸目前已經發現了50多個隕石富集區, 大部分沿著橫貫南極山脈分布, 少部分位于東南極的冰原島峰, 如大和山區、拉扎列夫站和格羅夫山等地(圖1)。

隕石的富集與擱淺區的地形地貌條件、冰蓋流動速率、藍冰的消融速率、下降風和盛行風的作用等因素密切相關[112]: (1)攜帶隕石的藍冰從冰原高地向海邊運動過程中遇到山脈阻擋, 流速減緩, 如維多利亞地東部先鋒山區的冰流遇到山脈阻擋后, 流速從100 cm·a?1降低到10 cm·a?1[113], 強烈的下降風吹走表層冰雪, 消融淺層藍冰, 攜帶在藍冰中的隕石暴露于冰層表面; (2)根據多個隕石富集區的統計數據, 隕石擱淺冰面的海拔高度一般在2 000 m左右[8], 這個海拔易于使流入擱淺區的冰和流出及消融的冰保持動態平衡(隕石富集區的冰流條件必須滿足: V流入≥V流出+V升華, V指藍冰的體積); (3)隕石擱淺區必須是裸冰區, 裸冰具有動態消融過程, 根據多個隕石富集區裸冰消融率測試, 南極藍冰平均消融速率為5~6 cm·a?1,如先鋒山區藍冰消融率為6.5 cm·a?1[25], 艾倫丘陵為4 cm·a?1[114], 大和山區為5 cm·a?1[115]; (4)藍冰的消融使隕石暴露于冰面產生富集的時間最長可達5萬年[113]; (5)艾倫丘陵的強風可以移動冰面上重量小于100 g的隕石[115], 而先鋒山區的強風和冰磧共同作用可以搬運小于200 g的隕石[111]。

格羅夫山地區平均海拔為2 000 m左右, 符合隕石擱淺冰面海拔的最佳條件。根據衛星影像數據, 格羅夫山地區的藍冰在9—12月份體積明顯增加, 在1月中下旬達到最大值, 2—4月份面積顯著減少[116]。藍冰具有動態流動和變化過程, 藍冰體積增大主要原因是覆蓋在上面積雪的融化或者被盛行風吹走造成的, 藍冰體積最大的時候也是收集隕石的最佳時刻。利用Envisat ASAR數據對格羅夫山冰流數據提取表明, 受角峰群的影響, 格羅夫山的冰流十分復雜, 外圍的兩大主冰流流速最高可達40 m·a?1[117]; 中國第22次南極考察隊測得從中山站行進到格羅夫山地區7個觀測點的冰流速率介于7.6~21.3 m·a?1之間, 位于格羅夫山上游4個點的冰流平均速率8 m·a?1, 而在格羅夫山島峰內部的14天內冰流運動了0.282 m, 平均合計7.35 m·a?1[13]; 而在格羅夫山內部的威爾遜嶺、哈丁山和陣風懸崖北段之間的幾十平方公里冰面上, GPS實測的7個竹竿標志點(圖2)的冰流速度分別為3.54、1.11、0.62、5.98、7.32、5.40和12.34 m·a?1;同時, 將DInSAR和偏移量跟蹤得到的二維平面相應點的流速分別為2.82、1.39、1.43、7.09、9.19、5.60和10.84 m·a?1[118]; 兩種方法數據規律基本一致, 流速差值分別為11.72 m·a?1和9.45 m·a?1。因此, 格羅夫山島峰對于冰流減速十分顯著, 但在島峰內部冰流速率有非常大的差值, 這是造成格羅夫山冰裂隙發育的主要原因[118], 廣布的冰裂隙對隕石收集隊員的安全構成了巨大的威脅, 是不利于隕石收集的自然因素。

至今依然沒有格羅夫山藍冰消融率的確切數據, 而冰流在遇到山脈島峰阻擋之后的流速依然遠大于維多利亞地東部先鋒山區的冰流速度, 格羅夫山的盛行偏東風能夠搬運多大重量的隕石, 也沒有做過相應的現場實驗。因此, 作者在2015—2016年的考察季在格羅夫山陣風懸崖北段和中段設置了4處藍冰消融率和冰流速度的監測點, 計劃下次科考再在不同島峰之間設置5個類似的監測點(圖2)。每個監測點由點距50 m的測量用花桿和竹竿陣組成, 以期采集到近5年來的藍冰消融率和冰流速度, 建立格羅夫山隕石富集規律模型。此外, 格羅夫山地區的下降風和流行風特別強烈, 夏季5級以上大風占62.9%以上, 富集的隕石在強風作用下易發生碰撞破碎和風化, 這個結論和在格羅夫山收集到0.1~0.5g重量的隕石占比最多一致。

5 結論、問題分析和建議

我國經過7次南極格羅夫山考察, 成功回收隕石12 665塊, 證明格羅夫山為南極隕石富集區。但相對于南極其他的隕石富集區, 我國在格羅夫山收集的隕石數量多, 平均重量小, 特殊類型隕石所占比例偏低, 至今沒有發現月球隕石。主要原因為: (1)相對于國際上研究程度高的隕石富集區, 格羅夫山冰流速率快、流向復雜、冰裂隙發育、夏季盛行偏東風且風力大, 可能是格羅夫山隕石碎塊相對富集的客觀原因; (2)我國在格羅夫山收集隕石基本采用徒步方式, 可搜尋的范圍非常有限, 與美國在橫貫南極山脈等地采用雪地摩托車大范圍的搜尋方式有很大不同, 搜尋方式的差別可能是造成格羅夫山回收隕石數量多但質量小的主要原因; (3)在歷次格羅夫山隕石考察中, 回收的藍冰型隕石總體上逐步下降, 第5—7次考察收集的小質量隕石大部分發現于冰磧帶中, 這些隕石成對的比例較大; (4)限于冰裂隙發育等安全因素考慮, 我國并未在藍冰區開展大面積隕石搜尋工作。

為了持續有效開展我國南極隕石回收工作, 提高特殊類型隕石回收比例, 以產生更有價值的科研成果, 建議: (1)制定周密的野外工作方案, 利用雪地摩托車在格羅夫山擴大藍冰區的搜尋范圍, 進一步提高隕石單塊重量和特殊類型隕石比例; (2)盡快采集格羅夫山地區的藍冰消融率、不同區域冰川流向和流速、全年的氣象條件等方面的數據, 建立健全格羅夫山隕石富集機制模型, 對合理規劃格羅夫山隕石科考和探索新的隕石富集區具有重要意義; (3)隕石的富集需要幾千年甚至上萬年的時間, 格羅夫山富集區可回收的隕石資源量所剩不多, 急需要探測新的隕石富集區, 依托于中山站的南查爾斯王子山和羅斯海新站的橫貫南極山脈南延部分是下一步隕石勘探的潛力區。

致謝: 中國歷次南極格羅夫山科考隊和中國極地研究中心提供了部分資料, 匿名審稿人提出了很好的修改意見, 在此一并感謝。

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RECOVERIES, RESEARCH PROGRESS, AND CONCENTRATION MECHANISM OF METEORITES IN THE GROVE MOUNTAINS, ANTARCTICA

Chen Hongyi1, Miao Bingkui1, Xia Zhipeng1, Xie Lanfang1, Zhao Sizhe1,2

(1Guangxi Key Laboratory of Hidden Metallic Ore Deposits Exploration, Guangxi Key Laboratory of Planetary Geological Evolution, Research Center of Meteorites and Planetary Materials, Guilin University of Technology, Guilin 541006, China;2Center for Lunar and Planetary Sciences, Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang 550081, China)

China has successfully recovered 12 665 meteorites in the previous seven expeditions to the Grove Mountain region of Antarctica, unarguably demonstrating that the Grove Mountains are a meteorite concentration area. However, meteorites recovered from the Grove Mountains display larger numbers, lower average weights and smaller proportions of specific types of meteorites compared with other meteorite concentration areas in Antarctica. A total of 9 802 meteorites (106.5 kg) were collected in the third and fourth Grove Mountains expeditions, accounting for 77.4% and 82.5% of the total amount and weight, respectively. Then, the number and weight of meteorites recovered in the Grove Mountain region continually decreased from 1 618(17.1 kg) to ~600 (~2.0 kg)in the following three missions. Compared with mature meteorite concentration areas in Antarctica, the ice flow rate of the Grove Mountains is fast, the flow direction is complex, the crevasses of glacier are well developed, and the prevailing easterly wind in summer is strong, which may be the reasons for the relative enrichment of meteorite fragments in the Grove Mountains. However, the data of ablation rates of blue ice, glacier velocity, and annual meteorological conditions are insufficient. Therefore, it is of great significance to collect glacier change and meteorological data as soon as possible and to establish a model of the meteorite concentration mechanism in the Grove Mountains for reasonable planning of meteorite scientific expeditions to the Grove Mountains and the exploration of new meteorite concentration areas.

Antarctica, Grove Mountains, meteorite recovery, research progress, concentration mechanism

2020年2月收到來稿, 2020年3月收到修改稿

國家自然科學基金(41866008, 41776196)、桂林理工大學科研啟動金(RD19200001)、廣西科技計劃項目(桂科AD16450001, 桂科AD1850007)資助

陳宏毅, 男, 1980年生。博士, 主要從事隕石學和天體化學研究。E-mail: Chy@glut.edu.cn

10. 13679/j.jdyj.20200006