内蒙古东乌旗中铁滑石成因探讨

内蒙古东乌旗中铁滑石成因探讨

0东乌旗中欧陨石东乌旗的三块石头（编号no.1、no.2和no.3）于1995年9月7日在内蒙古东乌旗丢失。根据结构和岩石性质，它是关中砂。中铁陨石由近等量的金属和硅酸盐紧密混合而成,根据硅酸盐基质成分和变质程度可以将中铁陨石进行亚类的划分,东乌旗中铁陨石属于IB类,即基质中含有较多的辉石,变质程度低,仅发生轻微的重结晶。目前认为中铁陨石硅酸盐与HED陨石有成因上的联系,因中铁陨石含有大量钙长辉长质(Eucritic)和奥长古铜质(Diogenitic)的岩屑,与古铜钙长陨石(Howardite)中的碎屑在岩相学上具有相似性,其硅酸盐的化学成分也和古铜钙长陨石(Howardite)非常相似。此外,中铁陨石与HED陨石来自于同一母体(Vesta小行星)的观点得到了氧同位素数据的支持。中铁陨石的形成过程一直是备受争议的焦点问题之一。Hewins总结了前人提出的中铁陨石形成模式,将其分为冲击起源和内部起源两大类并将各模式的优缺点进行了详细论述。目前冲击起源模型得到了较多认可。与冲击起源相关的两种主流模式被用于解释中铁陨石的形成:一是中铁陨石的金属相和硅酸盐相分别来自冲击体的熔融核和被冲击小行星的玄武质壳;另一种观点认为冲击作用导致分异小行星的熔融核和自身的表层硅酸盐紧密混合。对中铁陨石的研究有助于我们了解分异小行星的演化历史。前人研究表明,中铁陨石主要由近等量的Fe-Ni金属-硫化物和硅酸盐相组成,可能代表了分异小行星核幔物质和表壳物质的混合。其硅酸盐部分由岩石碎屑、矿物碎屑和细粒基质组成。岩石碎屑包括玄武岩、辉长岩和辉石岩、以及少量的纯橄岩。矿物碎屑包括辉石、橄榄石和斜长石等[2,3,8,13,20,21,22]。东乌旗中铁陨石具有典型的中铁陨石结构特点,金属-硫化物相和硅酸盐相紧密混合并各占陨石体积的一半左右,其中的硅酸盐相由角砾状岩石矿物碎屑和基质部分组成。本文将对这些硅酸盐物质进行研究,旨在进一步了解东乌旗中铁陨石的岩石地球化学特征,探索这些物质之间的相互关系,并据此对东乌旗中铁陨石的成因进行初步的探讨。1非角砾岩岩屑的表征和分析本文样品为No.2东乌旗中铁陨石(图1)。实验取该陨石中的辉长岩岩屑及非角砾部分(陨石的基质部分)进行研究。辉长岩岩屑为手选,用挑样针将其从样品表面剥离,部分样品用于湿化学分析,部分用环氧树脂注胶并抛光(图2a)。非角砾部分的样品为一厚约2mm,大小约15mm×15mm的切片(图2b),在无水条件下用酒精切割并用酒精代替水进行磨制和抛光处理。样品除在光学显微镜下进行透射光和反射光观察外,利用日本JOEL公司生产的JXA-8100型电子探针(EPMA)进行非角砾部分矿物的定量分析和显微结构照片拍摄。矿物的定性分析由电子探针配备的OXFORD公司的INCA能谱仪完成。电子探针分析在中国科学院地质与地球物理研究所进行,定量分析的实验条件为加速电压15kV、束流20nA。标准物质为相应的硅酸盐和氧化物,分析结果采用ZAF法校正。辉长岩岩屑的稀土元素含量测试在中国科学院广州地球化学研究所完成(详细过程见Kong等对角砾状橄榄石REE的测定),仪器采用Perkin-ElmerSciexELAN6000型电感耦合等离子质谱(ICP-MS)。用HF-HNO3对大约50mg的样品粉末进行溶解,将元素Rh作为内标检测仪器状态,同时使用标样W-2,BHVO-1,SARM-4和MRG-1对测量的元素含量进行校正。2结果2.1岩浆矿物组成No.2东乌旗中铁陨石呈块状,大小30cm×30cm×13cm,由不透明矿物相(主要为金属-硫化物相)和透明矿物相(主要为硅酸盐相,并含有一些磷酸盐相)紧密混合而成。东乌旗中铁陨石金属-硫化物相或呈厘米级别的团块状,或呈脉状穿过硅酸盐,或呈细粒散布在非角砾部分。其中金属-硫化物团块直径最大可达7.5cm,边界平滑(图1)。陨石硅酸盐相由角砾部分和非角砾部分组成。角砾部分主要为角砾状橄榄石和辉长岩岩屑,非角砾部分主要由辉石和斜长石组成,并含有少量橄榄石及其他矿物。硅酸盐相为本文的主要研究对象。角砾状橄榄石为单矿物碎屑,手标本中呈暗褐色,粒度明显大于非角砾部分,可达1cm(图2a)。在反射光下可见比较平滑的矿物表面,并发育细小裂隙,这些裂隙被金属物质充填(图2c)。辉长岩岩屑在手标本中呈暗褐色,粒度约1cm左右(图2a)。反射光下可以看出该样品中存在多种矿物,其中最主要的矿物为辉石和斜长石(图2d)。非角砾部分(图3)斜长石和辉石约占90%左右,其中辉石约占65%,长石约占25%。斜长石和辉石呈半自形-自形,辉长质结构,粒度多在50—100μm,边界清晰,显示出岩浆结晶的特征。非角砾部分呈现斑状结构,少量辉石呈大颗粒斑晶状分布,粒度可达1mm(图3a),且多发育环边(边部颜色较核部浅,图3c、3d),其他矿物粒度相对较小。橄榄石约占非角砾部分的2%左右,可分为两群:相对较大的橄榄石呈它形,粒度20—50μm,边界弯曲呈熔蚀状,与辉石接触处发育微小裂隙;相对较小的橄榄石被包裹在辉石中靠近辉石边部的地方,呈浑圆形态,粒度约10μm甚至更小(图3c)。石英约占3%左右,陨磷钙钠石和其他矿物约占非角砾部分的5%。2.2矿化合金的地球化学特征2.2.1辉石及其产物东乌旗中铁陨石非角砾部分主要组成矿物长石、辉石和橄榄石电子探针成分见表1和2。长石主要为基性斜长石(An86.5—87.7)。辉石主要为斜方辉石,核部成分En73.5—74.3Fs23.2—23.5Wo2.5—3.0,边部成分En63.7—65.2Fs30.1—30.5Wo3.8—5.8。非角砾橄榄石为透铁橄榄石,其中粒度相对较大的碎屑状橄榄石Fo=67—71,包裹在辉石中的包体状橄榄石Fo=62—69。2.2.2lear微细亏损量lear明显正eu异常东乌旗中铁陨石辉长岩岩屑REE元素含量见表3,特征为具有较为平坦的REE配分模式(图5),LREE轻微亏损(La=0.52—1.95CI,Lu=1.10—2.52CI),具有明显的正Eu异常(δEu=1.73—4.00)。各个辉长岩岩屑具有相近的REE含量和相似的REE配分模式,表明各个岩屑成分均匀,可能从同一种岩浆中结晶。3讨论3.1角砾岩、非角砾岩和辉长石盐的不平衡3.1.1fe/mn-mg#东乌旗中铁陨石非角砾部分的两类橄榄石具有相似的地球化学成分,可能为同一岩浆结晶的产物。但角砾状橄榄石和非角砾橄榄石投图(图4、6)结果表明两者具有较大差异。角砾状橄榄石Fo值多在90左右,为镁橄榄石,非角砾橄榄石Fo值约为60—70,主要为透铁橄榄石。在Fe/Mn-Mg#关系图上(图6a),角砾状橄榄石和非角砾橄榄石分别占据了中铁陨石两个截然相反的成分区域。角砾状橄榄石Fo值和Fe/Mn比值均比非角砾橄榄石高。Fe/Mg-Fe/Mn关系图(图6b)显示非角砾橄榄石比角砾状橄榄石具有更高的Fe/Mg和Fe/Mn比值。Fe/Mn比值的较大差异可能反映两者并非为同一套岩浆结晶的产物,因岩浆结晶过程不会导致Fe、Mn之间的分异;升高的Fe/Mg比值表明非角砾橄榄石的形成不太可能是由角砾状橄榄石FeO还原所致,因为还原作用将导致非角砾橄榄石Fe含量降低,Fe/Mg比值随之降低。因此,从地球化学特征来看,角砾状橄榄石和非角砾橄榄石可能分别结晶自不同的母岩浆,这与陶克捷等的研究结果一致。3.1.2型ree配分岩屑东乌旗陨石中的角砾状橄榄石为单矿物碎屑,具有岩浆结晶的特征,自形,粒度1cm左右,未发现角砾状橄榄石包含在其他矿物中或者与斜方辉石或斜长石共生的现象,其他中铁陨石中也未发现角砾橄榄石和其它矿物共生的现象。从REE配分模式来看,辉长岩岩屑显示出较为平坦的稀土元素配分模式,LERR和HREE含量相近,并具有Eu的轻微正异常(图5)。具有此种REE配分模式的辉长岩岩屑要求母熔体LREE亏损,HREE富集,配分曲线左倾,并具有Eu的正异常(LREE/HREE<1,Eu/Sm>1)。Kong等计算了角砾状橄榄石母熔体的REE元素含量,结果表明母熔体非常富REE,尤其LREE含量非常高(约100CI),Eu轻微负异常,配分曲线具有右倾的特点。角砾状橄榄石和辉长质岩屑母熔体配分曲线的不同可能暗示了两者分别结晶自不同的母岩浆。3.1.3角砾橄榄石或石英非角砾部分的橄榄石显示外来的特征。碎屑状橄榄石的粒度相对其他矿物较小,且边缘呈熔蚀港湾状。包体状橄榄石被包裹在辉石中,与辉石和长石没有平衡共生的关系。石英(形态不规则的二氧化硅,可能为岩浆晚期结晶产物)的出现也暗示了非角砾橄榄石具有外源的性质。通常来说橄榄石和石英同时出现表明了两种可能性:(1)岩浆冷却结晶速度非常快,橄榄石来不及和岩浆中的Si发生完全反应;(2)橄榄石和石英分别来自不同的岩浆。东乌旗陨石中的辉石和斜长石具有相对稳定的成分并呈半自形-自形的晶型产出,反映了岩浆较慢速的冷却结晶过程。因此,比较可能的情况是橄榄石和石英分别结晶自不同的岩浆,之后由于一次冲击事件导致两者混合和共存。从橄榄石相图(图7)可以看出,与非角砾橄榄石平衡的熔体Fe/(Fe+Mg)值约为0.65—0.75。东乌旗中铁陨石辉石核部Mg#约为0.76—0.77,与之平衡的熔体Fe/(Fe+Mg)值大约为0.61—0.65。由于通常情况下,随着矿物的晶出岩浆会向更富Fe的方向发展,如果辉石和橄榄石同时结晶,两者的母熔体应具有相同的Fe/(Fe+Mg)值;如果辉石比橄榄石晚结晶,则与辉石平衡的母熔体应更富Fe而贫Mg。但东乌旗陨石辉石母熔体比非角砾橄榄石母熔体更贫Fe富Mg,故两者不太可能从同一岩浆中结晶。3.2物质来源3.2.1辉石的地球化学和岩石学特征与其他中铁陨石相比,东乌旗中铁陨石具有相似的辉石成分。其Fe/Mn比值(21.6—26.4)落在中铁陨石辉石的成分范围(16—35)内,Mg#较其他中铁陨石偏高,两种辉石(位于核部的低Ca辉石和位于边部的高Ca辉石)的Mg#平均值为76.7和68.6,高于多数中铁陨石的40—60,低于Bondoc中铁陨石的81.3,CaO和MnO的含量位于含量较低的中铁陨石端元,Al2O3和Cr2O3含量则偏高,TiO2含量与其他中铁陨石类似。辉石边部常见由Ca含量较核部更高的辉石构成的环边,MgO含量相对核部较低而FeO含量较高,显示出岩浆结晶的序列演化特征。在Fe/Mg-Fe/Mn关系图上(图8a),辉石从核部到边部Fe/Mn比值基本保持在一个范围内或略有降低(辉石核部Fe/Mn=23—34;辉石边部Fe/Mn=21—27),Fe/Mg比值则明显升高。根据Mittlefehldt的FeO还原理论,该环边的形成可能是岩浆结晶作用而非变质作用的结果。将陨石中的辉石进行成分投图,在FeO—MnO相关成分图解上这些辉石落在HED陨石辉石线上(图8b),表明这些辉石可能和HED陨石中的辉石有相同的起源。因此东乌旗陨石辉长质硅酸盐部分可能和HED陨石来自同一母体,即Vesta小行星。东乌旗中铁陨石辉长岩岩屑的REE配分模式(图5)与其他中铁陨石镁铁质岩屑非常相似,均表现出Eu的正异常和LREE的亏损。Rubin和Jerde认为此种REE配分模式的形成是由于小行星母体钙长辉长质玄武岩(eucrite-likebasalts)和长石堆晶型辉长岩(feldspar-cumulate-likegabbros)源区混合物质的高度重熔。小行星表壳玄武质岩石具有未分异的REE配分模式,或者具有HREE轻微亏损、Eu轻微负异常的特点,必须有辉长质堆晶的混合熔融才能产生如东乌旗中铁陨石辉长质角砾的LREE亏损和Eu正异常。东乌旗中铁陨石辉长质角砾LREE轻微亏损的REE配分模式和Eu的轻微正异常可能暗示了在混合重熔的岩石中玄武质表壳占主要部分,仅有少量辉长质岩石同玄武质表壳一起发生重熔。3.2.2河边下地壳中的超基性岩前人研究表明,Fo值约为60的橄榄石是从钙长辉长质(eucritic)熔体中最早晶出的矿物,因此东乌旗中铁陨石非角砾橄榄石(Fo=61.7—70.6)有可能从HED陨石母体Vesta小行星上的钙长辉长质岩浆中结晶出来。但Mg含量非常高的角砾状橄榄石(Fo=90—92,原岩可能为纯橄岩)则需要进行进一步的成因探讨。对Vesta小行星的研究表明,在其地幔或者地壳深部的堆晶岩部分可能存在纯橄岩。目前已知的两个可能为Vesta纯橄岩的陨石为NorthwestAfrica(NWA)2968和MillerRange(MIL)03443。Beck等对MIL03443做了详细研究,发现该陨石中的橄榄石并不十分富Mg(Mg#74),因此与东乌旗中铁陨石角砾橄榄石并不相似。相比之下,NWA2968中的橄榄石则非常富Mg,其成分(Mg#92.5,FeO/MnO=48)和本文的角砾状橄榄石成分(Mg#90,FeO/MnO=46)非常相似。然而目前一些证据表明,NWA2968和HED陨石可能并不相关。原因包括以下几个方面:(1)HED陨石中的橄榄石通常Mg#较低,不会达到92,斜方辉石的Mg含量也低于NWA2968;(2)NWA2968次要矿物的化学成分与HED陨石不一致;(3)模拟计算获得的Vesta纯橄岩硅酸盐矿物成分和NWA2968不符合。如果NWA2968橄榄石不是来自HED陨石母体,则东乌旗中铁陨石中的角砾状橄榄石也可能和HED陨石无关。加之东乌旗陨石角砾状橄榄石与非角砾橄榄石不同源且和辉长质硅酸盐不平衡,本文倾向于认为角砾状橄榄石来自冲击体小行星,但是仍需要进一步的工作来确定这些高Mg橄榄石的详细来源。3.3金属-聚合物混合时金属酶的变化Kong等根据东乌旗中铁陨石角砾状橄榄石的REE特征推测角砾状橄榄石和辉长质硅酸盐分别来自不同的小行星母体,支持中铁陨石的金属相和硅酸盐相分别来自冲击体的熔融核和被冲击小行星玄武质壳的模型。本文支持这种推测。前文表明,东乌旗中铁陨石的角砾状橄榄石、非角砾橄榄石和辉长质硅酸盐三者之间互不平衡,可能分别结晶自不同的岩浆。角砾状橄榄石可能来自冲击体小行星,而非角砾橄榄石和辉长质硅酸盐可能来自HED陨石母体Vesta小行星。基于此,本文认为东乌旗中铁陨石可能形成于一次小行星撞击事件,冲击体小行星撞击Vesta小行星时,其熔融核及橄榄岩质地幔与Vesta小行星壳发生了混合。冲击体小行星提供了中铁陨石中的角砾状橄榄石和金属—硫化物部分,而被撞击小行星提供了非角砾橄榄石及辉长质硅酸盐部分。如果非角砾橄榄石和辉长质硅酸盐来自同一小行星,那么两者之间的不平衡现象需要解释。造成不平衡的原因可能是高温冲击作用导致被撞击小行星表壳的玄武质岩石和较深部的辉长质堆晶发生重熔,但该温度没有达到橄榄石的熔点,橄榄石未被重熔。因此,东乌旗中铁陨石中的辉长质硅酸盐和非角砾橄榄石分别代表小行星上混合熔体新结晶的成分和未发生熔融的原始物质。这些未被熔融的橄榄石在金属—硅酸盐混合时被作为