俄羅斯車里雅賓斯克州隕石化學成分分析

張艷霞，章亦文，孫德群

(西南科技大學 生命科學與工程學院，四川 綿陽 621000)

北京時間2013年2月15日12時30分左右，一顆隕石降落在烏拉爾山脈東側的車里雅賓斯克州，伴隨隕石高空爆炸，其碎片零星的分布山脈東麓。據美國國家航天航空局報道，此隕石以小于20°的角度極速進入大氣層，后自東向西的方向以時速20km/s運行，最終在車里雅賓斯克州20km高空處發(fā)生爆炸，此次爆炸產生超強聲波、次聲波和地震波[1]。其經濟損失嚴重，造成10億盧布損失，對當地基礎設施和建筑造成嚴重破壞，造成3 000座建筑物受損，同時還有將近1 500多人受傷并于醫(yī)院治療[2]。此次隕石墜落事件是自1908年通古斯隕石爆炸事件以來最大規(guī)模的一次隕石墜落事件，伴隨著國內地球化學、天體物理學的進步和對于宇宙探索的熱情，車里雅賓斯克州的隕石墜落引起科學界以及無數天文愛好者的廣泛討論與研究。

從獲得地外樣品的途徑來看，除了登月獲得月壤這種成本高昂、可攜帶樣品稀少以外，隕石是唯一可以提供研究且保存量相對較大的地外物質。因此，它對人們來說是一種極其有價值的材料。進入21世紀，迎來了一個空前未有的發(fā)展階段，中國的科考船5次登陸南極，在南極格羅夫山地區(qū)進行科研活動，在其間獲得超過1萬塊隕石樣本，這對于我們來說是重大的時機[1]。按照天體化學，隕石保存了原始的化學和演示特征，尤其是球粒隕石，其受變質作用發(fā)生次生變化的可能低，會貯藏于太陽系內長達幾十億年。通過隕石的深入分析，我們能知曉太陽系內固體物質的演化時標和年代，確定其從合成到形成固體之間的時間間隔，通過對其同位素檢驗，還能確定其是否來自太陽系之外。為了更好地研究，在理論技術發(fā)展的同時，大科學儀器設備也源源不斷地加入對于地外物質探索之中。隨著國家高精度ICP-MS原位微區(qū)分析平臺的建設完成，我們將運用于巖石微量元素和物相結構與組成的技術經過改造升級，為地外隕石樣品提供了更加精準和可靠的技術支撐，如能夠在原始隕石樣品以及星際顆粒中，發(fā)現僅300nm的太陽系外成因硅酸鹽。還有通過高分辨率成像，清晰完整的拍攝到火星地形原貌，推測出火星上存在過液態(tài)水和水流，由此可見，像大科學裝置這樣的前沿科技發(fā)揮著巨大的作用[3]。

對于隕石樣品的處理過程中，我們在獲得一份隕石樣品后，往往會將隕石進行分類，根據不同隕石之間的組成成分和結構構造，以及根據不同隕石在宇宙間所形成演化過程的差異，隕石可以被分為兩大類型，即未分異型和分異型[4]。其中未分異型隕石約占中國隕石研究總量的91.5%，主要是球粒隕石；分異的隕石約占中國隕石研究總量的8.5%，其包含石鐵隕石、鐵隕石、無球粒隕石[5]。而無球粒隕石又分為月球隕石、火星隕石等[6]；石鐵隕石可分為中鐵隕石和橄欖隕石；鐵隕石細分為非巖漿型和巖漿型[7]。這種分類主要是由于隕石在宇宙演化過程中經歷了不同的熱歷史，導致其化學組成成分，礦物構成和內部構造發(fā)生相應的改變，而產生不同類型的隕石。然而，前者的母體形成過程中未經歷了明顯的分餾作用，以及熔融和分離結晶作用，故其元素豐度與太陽的組成成分相近，后者則經歷了明顯的分離結晶作用[8]。

隕石的分類管理方法有很多，按照隕石中硅酸鹽和金屬含量的差異，可將隕石分為：石隕石、鐵隕石和石鐵隕石[9]。在隕石中，90%以上為石隕石，其含量占比最多，但其鐵鎳金屬含量較少，通常≤30%，故稱為石隕石，并且其主要成分為鐵、鎂和硅酸鹽，礦物成分主要為橄欖石和輝石；而鐵隕石數量在隕石總量中約占6%，其主要成分由鐵和鎳組成，總含量大于或等于95%，還有鈷、磷、硅、硫、銅等微量元素；除此之外，石鐵隕石所占的比例相對較少，約占隕石總量的2%，與鐵隕石相比其鐵鎳金屬含量在30%～65%之間，按照其形成過程，它被視作為是鐵隕石和石隕石的過渡形態(tài)[10-11]。而石隕石因具有極其容易風化而碎成渣的特點以及其數量極少，故石隕石在市場上幾乎沒有流通；鐵隕石其重要特點為外表裹有黑色或褐色1mm的熔殼，并且具有大量不同大小的氣印，此外具有不同形狀的熔溝，以上特點為辨別鐵隕石的重要條件，石鐵隕石由于其數量稀少，不易獲得，導致其商業(yè)價值最高[12]。

隕石化學成分的測定是研究隕石的重要方法之一，其可揭示太陽系的化學組成成分，形成與演化以及元素分布，并提供重要的科學信息以及合理的依據，對隕石化學群的合理分類提供了重要的依據[13]。因此，為仔細可靠的研究隕石，化學成分的分析為不可或缺的一部分工作。然而有關化學成分的分析方法有X射線熒光光譜法(XRF法)、電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS法)、納米級的掃描探針法等。其中X射線熒光光譜法其原理主要利用初級X射線激發(fā)待測物質中的原子，使得待測物質產生熒光，從而進行物質化學成分的分析和研究[14]。XRF法其優(yōu)點：①在于其儀器具有分析速度快，自動化程度高的特點以及其分析方法為物理分析方法，分析精度高；②其測量方法與元素的化學結合狀態(tài)無關，測量誤差少；③其制樣簡單且形式多樣化，與其他發(fā)射光譜相比，較為簡單，易于定性分析。相對的ICP-MS也常常被應用于無機多元素的分析，但由于其具有運行費用高，操作復雜，樣品介質影響較大以及ICP高溫導致化學反應具有多樣化，干擾測量結果的缺點。筆者使用XRF法來檢測隕石中的元素組成，依照其測出來的相應元素含量進行分類。根據其常量元素的含量初步鑒定為一號隕石樣品為石鐵隕石，二號隕石樣品為鐵隕石。其主要方法：①將樣品進行研磨，制成粉末顆粒；②與硼酸混合均勻后進行壓板；③放入熒光儀進行鑒別。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

1.1.1 儀器。

表1 實驗儀器

1.1.2 試劑。硼酸，乙醇。

1.2 方法

分別取一號、二號隕石樣品經過破碎，過20目篩后，將一號、二號隕石樣品放在振動研磨機上研成粉末，放在烘箱中烘烤4h，用酒精擦拭模具，分別精密稱取2.0g隕石樣品和已經經過烘干的硼酸2.0g，將隕石樣品在瑪瑙研缽中研磨15min，放在模具中攤平，后用硼酸粉末填滿空隙后進行壓片，40t壓力下保持60s，將壓好的隕石樣品分別寫上標簽，待XRF測樣品元素含量。

2 結果與討論

用XRF法對兩份隕石樣品進行元素測定，測定結果如表2所示。

一號隕石樣品中含量較多的元素為Fe、Si、Mg，其中Fe、Si、Mg的元素含量分別為46.04%、25.03%、16.36%，含量較少的元素為Ca、S、Al、Ni，其元素含量均在2%～3%之間，元素之間含量差異較小，并且在此隕石樣品中仍存在含量極小的常見元素，如Na、Cr、Mn、Ba、P、K、Cl、Zn，其元素含量均在1%以下，除常見元素以外，此隕石還存在少量的稀有元素，如Ti、Co、Cu，其元素含量均低于0.2%以下。二號隕石樣品中含量較多的元素為Fe，其中Fe的元素含量為96.09%，含量較少的元素為Mn，其元素含量為1.19%，并且在此隕石樣品中仍存在含量極小的常見元素，如Si、Cu、Cl、Cr、Al、Ni、S、Na、P、K、Ca、Sn、Zn、Mg、Mo，其元素含量均在1%以下。一號隕石樣品與二號隕石樣品相比，Fe均為含量最多的元素，且一號樣品中的Si、Mg的含量遠遠大于二號樣品中的Si、Mg的含量，一號樣品中的Ca、S、Al、Ni的含量大于二號樣品中Ca、S、Al、Ni的含量，一號樣品中具有Ba、Ti、Co元素，二號樣品不具有。二號隕石樣品測出具有Mo、Sn元素，一號隕石樣品不具有。

表2 隕石樣品元素含量分析 單位：%

3 結論

對于來自俄羅斯車里雅賓斯克州的兩塊隕石，可測得一號隕石樣品中鐵鎳含量分別為46.04%、2.02%，元素含量總和在30%～65%之間，并且一號隕石樣品含有Co、S、P、Cu、Cr等特有元素，可初步鑒定一號隕石樣品為石鐵隕石，二號隕石樣品中鐵鎳含量分別為96.09%、0.16%，元素含量總和在95%以上，并且二號隕石樣品具有Cr、P、Sn、Mo等稀有元素，可初步鑒定二號隕石樣品為鐵隕石。