陨石的形成、鉴定与分类--陨石的形成

陨石的形成、鉴定与分类--陨石的形成
柯作楷
【期刊名称】《中国宝玉石》
【年(卷),期】2014(000)002
【总页数】8页(P152-159)
【作者】柯作楷
【作者单位】中南大学; 白沙源茶馆
【正文语种】中文
陨石作为一种特殊的固体矿物材料，具有与宝玉石矿物类似的物理化学性质，而且有些陨石的成分或组分本身就是优质宝石，比如橄榄石铁陨石中的橄榄石有些颗粒大到几厘米、色彩艳丽、纯净透明，有些类别的陨石还含有一类特殊的六面体金刚石。

陨石中主要矿物橄榄石、辉石本身就是我们常用的宝玉石矿物，陨石作为一种新型的宝玉石原料在业界开始引起了人们的关注，业界人士包括宝玉石鉴定从业专家迫切需要了解陨石的基础知识。

由于陨石比较稀有，类别较多，很多稀有陨石的分类尚属于研究待解决的问题，国家还没有出台陨石的鉴定标准，这些都给陨石的鉴定出证带来难题。

可喜的是，只要多接触陨石实物，大多数陨石的鉴定分类其实并不困难，而且对于行家而言陨石是不容易造假的。

陨石与地球岩石有很大的不同，这些都取决于对陨石的形成、分类和鉴定的认识，本文就这几个问题做些简单的介绍。

尽管每天都有陨石坠落到地球上，但每年被发现的陨石只有几块而已(南极陨石和
沙漠陨石收集除外)，被人们目睹降落且回收到的陨石更是非常罕见。

因此，陨石
样品非常珍贵，尤其是目击降落陨石。

虽然人类目前已有能力进行深空探测及回收太空物质(月壤、月岩等)，但相比之下，陨石是人类认识太空和宇宙乃至生命起源“廉价”的空间探测器。

陨石记录了许多太阳系的原始信息，如从太阳星云的起源与凝聚到小行星和行星的形成与演化的整个历史，甚至保存了太阳系形成之前的各种恒星物质，是人类认识宇宙的极其珍贵的样品，极具科学研究和收藏价值。

不仅如此，近几年陨石已进入珠宝首饰行业。

市场上也出现铁陨石和石陨石手链、吊坠和戒指，橄榄石铁陨石的首饰也开始出现。

2013年，瑞典铁陨石MUONIONALUSTA在中国至少有3吨用于加工首饰。

虽然喜欢和收藏陨石的人越来越多，但还是有很多人并未见过真正的陨石或见到的陨石类别有限，市场中网络上假陨石大量出现，以假充真、以次充好比较普遍。

甚至出现了一些令人啼笑皆非的说法，如：钻石夜明珠陨石、彩色陨石、鸡血石陨石、黄龙玉陨石，等等，这都说明了人们对陨石知识了解得太少，有待提高。

经验丰富的陨石研究人员和收藏家基本都能目测或直观判断陨石的真伪，但任何一块陨石的详细鉴定和分类都需要在实验室中依靠科学仪器完成。

国际上有一个由多个国家的陨石科学家组成的官方学术组织，叫陨石学会（METEORETICAL SOCIETY），下设陨石命名委员会（METEORITE NOMENCLATURE COMMITTEE）负责对陨石的鉴定分类和命名审核公布，并将获得官方陨石名称的陨石录入陨石数据库，数据库中的陨石作为收藏家收藏和科学家研究引用，可获得全世界的认可。

购买、收藏或研究中引用疑似陨石的真实性是不会被公认的。

初学者购买或学习已经分类命名的陨石是较好的选择，对于疑似陨石或非陨石科研机构鉴定的或个别无良商人夸大宣传的陨石要谨慎对待。

根据大多数陨石中的冲击脉络和角砾化特征判断，陨石在来到地球之前其母体普遍经历过剧烈碰撞，只是由于太阳的巨大引力作用，小星体不容易进入地球轨道而已。

我们用图1表示这种行星体之间的碰撞。

大多数掉下来的陨石是一种外表黑色内
部具有圆形细沙状颗粒粘结而成的结构，并散布有金属颗粒亮点的石头，这种陨石母体内部比较均匀，但显然较小而容易掉到地球上，一般将它们称为球粒陨石或未分异的陨石；还有些不太常见的陨石，它们有时是铁，有时是不含球粒的石头，有时则是铁和石头的混合物，从这些陨石的内部特征判断，其母体必然是不均匀的，现在将它们统称为分异的陨石。

对比陨石的矿物和化学成分与小行星反射光谱的成分数据，以及探测器的实物取样对比研究，已经证实，大多数陨石的母体来源于火星与木星的小行星带（图2）。

比如，1970年1月3日在美国奥克拉荷马的LOST CITY记录了一颗火流星，随后找到了一颗普通球粒陨石。

经计算，这颗陨石的轨道外推到火星和木星之间的小行星带，由于与地球轨道相交而进入地球的引力场中成为陨石，如图2b所示。

根据以往的某个阶段目击陨石记录数据统计，降落事件中的不同类别陨石频率分布见表1。

由表1中可以看出，大部分目击陨石为球粒石陨石，其外部特征见图3，其次为无球粒石陨石，其外部特征见图4，然后是铁陨石，其外部特征见图5，最少为石铁陨石类，其外部特征见图6。

从图1～图6中看，陨石一般具有在大气中高速烧蚀形成的皮，称为熔壳（CRUST），外表还有一些像手指压出来的印子，称为气印（FINGER PRINT, REGMAGLYPTS）,较强的磁性或微弱的磁性。

图3是块新近落下的典型的普通球粒陨石，能清楚显示陨石的一般特征，然而，一些落入地球较久的陨石，表面经过风化和氧化，这些熔壳和气印并不明显。

经验丰富的才能判断，有时甚至需要实验室数据才能判断是否是陨石。

图4是钙长辉长无球粒石陨石，它具有很微弱的磁性，没有球粒结构，而是晶体颗粒的堆积结构。

图5是新鲜的铁陨石典型的外观形态，典型的鉴定特征是至少含有5%以上的金属镍，很多具有一种称为维斯台登的网状结构。

图6是橄榄石铁
陨石的典型结构。

石铁陨石中还有一种中铁陨石，和橄榄陨铁不同的是，石的部分通常为橄榄石，辉石和长石，多数含有大量角砾，一般为非岩浆成因。

这些不同陨石典型的内部结构如下：
图7显示了球粒陨石有明显的球粒，这些球粒是太阳星云直接凝聚的产物；图8中无球粒陨石内部有菱角的晶体颗粒，显示了陨石的母体是有岩浆冷却结晶而成，而不同岩性的角砾混合则表明母体经历外来岩石的碰撞和角砾化事件；研究表明，灶行星陨石HED
中三类陨石古铜钙长无球粒陨石HOWARDITE，钙长辉长无球粒陨石EUCRITE和古铜无球陨石DIOGINITE具有相同的氧同位素构成，他们来源于同一母体——灶行星，但矿物组合表明，它们形成于于灶行星的不同深度和部位，HOWARDITE 为EUCRITE和DIOGINITE碰撞后的混合物；图9中石铁陨石是晶体和金属铁的混合物，形成于行星体中内核与壳体之间星体幔的部分，也就是重力分异过程中较重的橄榄石晶体与金属体接触混合的部分。

图10显示大的行星如月球和火星要形成陨石，通常需要受到巨大碰撞才能产生足够脱离速度，因而陨石中会留下这种玻璃化纹路。

1969年，美国航天局在全国范围内筹建了不少实验室，装备了先进的实验设备，等待研究阿波罗11登月返回的月壤样品。

恰巧这时，ALLENDE到来，史密森学会收集了大量ALLENDE陨石，派发到各个研究机构。

研究结果表明：ALLENDE 陨石比登月取回的月球样品重要得多。

科学家切开ALLENDE陨石，他们发现一种奇怪的白色物质，从未有人研究过陨石中类似的东西。

图7照片中这些白色物质是富钙铝包体(CAIs )，它们是一些高温氧化物和钙铝钛的硅酸盐混合物，它们是太阳系初期旋转尘埃最早的形成的物质，通过研究它，科学家第一次揭开了地球最早5亿年的历史。

对ALLENDE几年广泛的研究还催生了一门新的学科：宇宙化学（COSMO CHEMISTRY），它整合了地质学、行星科学、天文学和天体物理学。

近年对ALLENDE的研究还不断有新的发现。

科学家一直认同太阳系约在45亿年前形成，但是怎么形成仍然争论不断。

大多数认为，太阳星云是一个或数个恒星爆炸的产物，因为行星中重的元素只能在较大的恒星中产生，研究人员甚至提出元素核素产生的三种物理过程（p-,s- and r-processes）。

2013年发表在PNAS上对ALLENDE的研究表明了这些同位素由太阳系外的超新星爆炸的r-过程直接注入太阳系星云，而其他组分是星云尘埃碎屑（debris）凝聚而成。

ALLENDE陨石中的包裹体代表了太阳系最古老的的物质，它们提供了太阳系形成过程中的直接事件的证据。

现代陨石学认为，陨石是由太阳系星云凝聚吸积和分异而成。

这一点由最原始的球粒陨石的元素丰度与太阳的元素丰度一致性得到证实，如图11所示。

由陨石的年龄推导出来太阳系的年龄45.6亿年。

太阳系星云由于边缘的超新星爆炸诱发或其他原因而生成旋转吸积星云盘，现代天文观测到其他星系有类太阳系形成初期的双极射流吸积过程（图12、图13）。

依据现代天文学观察和对陨石中原始组分的化学同位素研究，提出了流行的X-WIND模型来解释球粒陨石的形成和演化机理。

星云盘旋转而吸入星云尘埃，形成原太阳，同时产生双极喷射从原恒星喷发出来物质，在此过程中难熔包体，球粒和基质不断形成。

在星云盘星云尘埃（NEBULA DUST）、钙铝难熔包体(CAI)、球粒(CHONDRULES)和微星体(PLANETESIMALS)的形成部位见图13，这些微星体（或称星子，planetesimals）吸积聚合成太阳系的行星，这一过程持续了500万年到1000万年，而那些没有
吸积成大行星的剩余物就被挤压到火星和木星之间成为小行星带。

这个过程中还有星际尘埃（INTERSTELLAR DUST）参与其中，所以陨石中还包含有比太阳系更为古老的物质。

比如已经发现一些前太阳系的碳、碳化硅、尖晶石的微细颗粒，它们的同位素异常可以追溯到一些红巨星和超新星的核素合成。

X-WIND模型认为，原太阳与吸积盘并非直接相连，由于太阳的磁场作用，吸积
盘在离太阳0.06AU处被截断（TRUNCATED），此处被称为X区（X REGION），在X区中2/3的物质沿原太阳的磁场被吸入原太阳中，1/3的物质以高速气流向
两极喷射，一部风物质落回吸积盘中不同部位，形成球粒，抛射过程中形成的球粒互相碰撞成为破碎的球粒或矿物集合体。

如图13b所示，双极流的边缘位置是波
动的，富氧16的钙铝包体在内侧边缘形成，由蒸发和凝聚的气固相过程控制（EVAPORATION-CONDENSATION）；而球粒在吸积盘中间由熔化结晶形成(MELTING-SOLIFICATION)。

陨石各组分的凝聚和吸积是在星云盘的旋转和双击
流的喷射的的电磁场环境中剧烈的动态下快速完成的。

关于构成大多数陨石中的球粒组分的形成机理，长期以来都是一个迷。

现在大多数陨石学家相信，某些恒星爆炸产生的冲击波通过太阳星云时，将星云尘埃球熔化，这些融化的液滴冷凝结晶成为球粒，这一过程如图14所示。

而球粒之间的基质的矿物颗粒更小，一般认为是气固凝聚物，由于球粒被基质分开，所以推断基质在球粒之后凝聚。

陨石定年学的研究表明，分异的无球粒石陨石、铁陨石和石铁陨石的形成年龄要比球粒陨石晚至少几百万年以上，陨石学家推断，这些分异的陨石是由球粒陨石堆积融化分异结晶而形成。

图15为这一过程的示意图，图15a为球粒陨石堆积长大的行星体，足够大而保留一定的热量，发生重力分异形成星体，如图15b、图15c
中星体内核就是铁陨石的母体，绿色部分为橄榄石或辉石和铁的混合体，是石铁陨石的母体，而灰色的壳体为无球粒石陨石的母体。

当这一星体被击破并少量碎块落入地球，就形成了各类分异型陨石。

现代对陨石中短寿命同位素的研究表明，球粒陨石中存在同位素铝26的衰变产物镁的同位素，短寿命同位素铝26的衰变（半衰期7百万年）产生大量的热，当球粒陨石堆积成较大的星体时，这些热量积聚足够融化小星体，而产生重力分异。

大
多数球粒陨石的星体即使很小也或多或少地在这些加热过程中产生热变质作用，球粒都会发生变化，这就解释了多数球粒陨石的岩石学类型为5型或6型，而原始3型球粒陨石极少的原因。

对地球、月球和水星的结构测定证明，这些大的行星体也是由球粒陨石堆积分异而成，如图16所示。

地球的内部结构应与对应的分异陨石有类似的矿物组成，因此陨石的收藏和研究对地球科学的发展的意义也是十分重大的。

根据以上对球粒陨石和分异陨石的母体形成机制的认识，陨石基本分类可见图17所示。

图中R代表Rumuruti-like(R群)球粒陨石；H、L、LL分别为普通球粒陨石的高铁群、低铁群、低铁低金属群；CI、CM、CO、Cv、CK、CR、CH、CB均为以陨落的典型陨石命名的碳质球粒陨石化学群，如CI是以Ivuna陨石命名、CM以Mishei陨石命名、CO以Omans陨石命名，CV以Vigamao陨石命名，CK以Karoondayu陨名，CR以Renazzo陨石命名等；EH、EH分别为顽辉石球粗陨石的低铁群和高铁群；kKakangari-like(K群）球粒陨石；HED族也称为灶神星陨石族，包括古铜钙长无球粒陨石(Howardites)、钙长辉长无球粒陨石(Eucrites)，奥长古铜无球粒陨石(Diegenites)。

这些陨石类别的含义，或代表不同的母体，或不同的成因以及相同母体不同的来源部位。

并非所有的无球粒陨石是由分异过程形成，具体到每类陨石的形成和母体是一个很复杂的问题，对于同一问题尚有多个模型多种解释。

在以后的文章中再简单介绍分类的母体或成因含义。

（文中陨石为作者个人收藏）。