大流星体在陨落中呈现明亮的火流星,有的甚至白天可见,常伴有呼啸声和爆裂声。由于低层浓密大气的阻尼而减速,产生不完全烧蚀,其残骸落到地面,称为陨石或陨星(Meteorite)。有时,爆裂的陨石碎块像雨似地落下,称为陨石雨。陨石常以发现地命名,如吉林陨石、新疆陨铁(见图7-64)。
图7-64 吉林陨石1号(左)与新疆陨铁(右)(彩图见附录B)
1)陨石的类型
陨石的形态结构和性质多样。按照金属和硅酸盐的相对含量,传统上把陨石分为三类(见图7-65):石陨石、铁陨石(陨铁)、石铁陨石。石陨石主要由硅酸盐组成。铁陨石主要由铁镍金属组成。石铁陨石的铁镍和硅酸盐大致各半。每大类又分为一些亚类。近些年来在南极地区收集到大量陨石。陨石常有陨落烧蚀的表面特征,可用化学成分、矿物等来鉴别出陨石。
图7-65 陨石的分类
地球矿物有万种以上,而陨石矿物仅140多种,其中只有39种是陨石特有而地球没有的。大多陨石矿物是在宇宙的缺水和还原条件下原生的,少数是陨落以后在地球环境下次生的。即使是陨石和地球都有的矿物,也有结构构造上的差异。
球粒(石)陨石的主要特征是内部散布着0.1 mm到几毫米的球状颗粒(球粒),球粒之间充填着基质(见图7-66左)。它们分为五个化学群:E群(顽火辉石球粒陨石)、H(高铁)群(古铜辉石球粒陨石)、L(低铁)群(紫苏辉石球粒陨石)、LL(低铁低金属)群(橄榄石-紫苏辉石球粒陨石)、C群(碳质球粒陨石)。常把H、L、LL三群合称O(普通球粒陨石)群。按E、H、L、LL、C顺序,金属铁的含量依次减少,氧化程度增高。每群又按岩石学特征再分为六个岩石型。1976年3月8日15时,我国吉林地区发生罕见的一场壮观陨石雨,一团光亮夺目的大火球从东飞来,拖着尾迹,伴随滚雷般爆裂声,变为很多小火球,逐渐变暗,散落在东西长72 km、南北宽8 km、面积500平方千米的地区。收集到100多块、计2600多千克陨石。最大的1号陨石冲击地面时溅起高达50 m的“蘑菇云”,陨击成深为6.5 m、直径为2 m的坑,它重为1770 kg。吉林陨石为H5型,是世界上最大的石陨石。
图7-66 球粒陨石的球粒和基质(左)(彩图见附录B)以及陨铁的维斯台登图案(右)
图7-67 Allende碳质陨石
碳质球粒陨石含碳多(0.8%~3.6%),但实际上却没有球粒,只是它们的性质属于球粒陨石类。它们尤其受重视,因为:①富含挥发元素及其化合物,除了少数元素(氢、氦等)之外,它们的元素丰度与太阳大气的一致,尤其CI型碳质球粒陨石代表太阳系的原始物质;②含有60多种有机物,尤其是前生命有机物(多种氨基酸等);③有的陨石(如Allende陨石,见图7-67)中有形状不规则的富钙铝包裹体(CAIS),由高温凝聚矿物组成,出现太阳系物质的同位素异常。
无球粒(石)陨石是没有球粒的石陨石。它们在矿物学和结构上近似于地球火成岩,但形成条件和成分不同,按含钙多少又分为贫钙和富钙两亚类无球粒陨石。
铁陨石主要由铁镍金属组成,含镍超过6%甚至65%(地球铁含镍少于3%)。主要矿物是铁纹石和镍纹石,用稀硝酸腐蚀其抛光面就呈现“维斯台登”图案(见图7-66右),这是地球铁镍合金没有的。世界上最大的铁陨石是非洲纳米比亚的霍巴陨铁(质量约60 t),其次是格陵兰的约克角陨铁(约57 t),第三是我国的新疆陨铁(约30 t)。
石铁陨石的化学成分、矿物组成和结构构造兼有石陨石与铁陨石的特征,分为橄榄陨铁和中铁陨石两亚类。
应指出,从成分和演化角度来说,陨石分为原始型和分异型。球粒陨石属于原始型的,除了丢失易挥发元素外,它们由原始星云物质直接凝聚形成,而未经历化学分异,因而代表太阳系形成以来很少变化的原始物质,尤其CI群碳质球粒陨石最原始。其他类型陨石都属分异型的,即经过岩浆和结晶分异而形成。
2)玻璃陨石
玻璃陨石是一种天然玻璃体,一般质量为几克,大小为几厘米,也有大到20 cm的及小于1 mm的,它们呈纽扣状、哑铃状、水滴状等多种形状,一般呈黑色和绿色,也有褐、灰、乳白等色的,有不透明的,也有半透明的,大多有表面流纹等或环状纹及浅坑,说明经历过飞行烧蚀。玻璃陨石与(地球)黑曜岩(玻璃质喷出岩)相像,但玻璃陨石含焦石英、有特殊流纹等重要特征。关于玻璃陨石的成因已争论很久,一般认为可能是地表物质被陨击而形成,也包裹部分陨石物质。玻璃陨石主要分布在四个区域,如表7-3所示,同一区域的玻璃陨石的年龄和性质相似。玻璃陨石以发现地命名,我国雷州半岛发现的叫雷公墨。(www.xing528.com)
表7-3 玻璃陨石分布区
3)月球陨石和火星陨石
在南极区收集的(无球粒)陨石中鉴别出一些来自月球的月球陨石、来自火星的火星陨石。由于月球和火星的逃逸速度小,外来天体陨击它们表面所溅射出的冷凝石块可以抛到行星际运行,有的陨落到地球上而成为月球陨石和火星陨石(见图7-68)。
月球陨石有月球岩石的化学成分及捕获的太阳风气体。例如,MAC-88104和MAC-88105两块(作为一个)来自月球高地,Asuka-881757来自月海玄武岩。从同位素年代分析可得到它们的结晶(抛出)年龄、月-地空间运行时间及落地年龄。有的在月-地空间运行上千万年,有的不到10万年,有的还经历2~3次撞击。有的落地年龄仅几千年,有的达17万年。
有些判据鉴定火星陨石。例如,EETA-79001的成分与火星表土相似,其同位素成分与火星大气一致,其结晶年龄(13亿年)比一般陨石的结晶年龄(约45亿年)小,推断它是火星的火山活动产生的,这类主要包含熔辉长、透橄榄、纯橄三种无球粒陨石成分的陨石又特称为“SNC陨石”。
图7-68 月球陨石(左)与火星陨石(右,彩图见附录B)
4)陨石的年龄和演化史
用放射性同位素测定年代方法可以得到陨石从形成到陨落的演化史。
陨石的形成间隔年龄(即陨石母体经历多长时间形成)常用碘-氙法,即测定129I衰变的129Xe数目来算出。结果得出陨石母体都在较短时期(几百万到二千多万年)内形成。
陨石的形成年龄或固结年龄,即陨石母体形成固结体系至今的时间间隔,常用铷-锶法、铀-钍-铅法测定。结果得出多数陨石母体的形成年龄为(45.7±0.03)亿年,月球和地球也如此,说明太阳系的天体大致在约46亿年前同时期形成。但有些岩石是固结年龄小的,说明它们形成后又经历过热变质及丢失子核的事件。
由于热事件,矿物中放射衰变生成的气体或重核(如238U)自发裂变产生的子核径迹数目就减少,因而可从保留数目定出气体保留年龄和径迹保留年龄,揭示陨石的热历史、冷却率及变质史。
当陨石从母体碎裂出来后,其表面就受到宇宙线高能粒子轰击,发生“散裂反应”,生成“宇宙成因核”。例如,高能质子轰击陨石表面的26Mg生成26Al和中子,写成26Mg(p,n)26Al。测定宇宙成因核的含量,就可得出陨石暴露在空间至今的时间间隔——宇宙线暴露年龄。宇宙线暴露年龄的测定结果表明,石陨石为2万年到8000万年,铁陨石为4000万年到23亿年,石铁陨石约2亿年。
对于已找到但未见到陨落过程的陨石,因地球大气已屏蔽了宇宙线,就不再有新的宇宙成因核,由落地前生成的宇宙成因放射核(14C等)的衰变物含量来测定它陨落多久——落地年龄。由于风化,石陨石落地超过10万年,铁陨石超过50万年后就难识别了。
根据陨石的分析结果,可以追溯它们的形成演化史,给太阳系演化提供主要线索。例如,吉林陨石的形成演化大致如下:45.7亿年以前,从温度2000 K逐渐冷却,各种物质依次凝聚,液滴冷凝为球粒,撞碎的球粒和尘粒成为基质;距今46~45.5亿年,冷却至570~400 K,凝聚物质聚集形成半径约为220 km的陨石母体,母体内升温而发生热变质;从径迹保留年龄(40~39亿年)和气体保留年龄(38.4~23.7亿年)可得到温度依次降到约800 K和200 K,冷却率约为每百万年1 K。母体多次被撞击碎裂;距今约800万年,从母体撞碎而分离出约10 m一块,它碎裂出半径约1 m、质量约9.7 t的吉林陨石,绕太阳公转轨道半长径为1.77 AU、偏心率为0.4721;吉林陨石闯入地球大气,爆裂为陨石雨落下。陨落中,其表层温度超过3000℃,烧蚀形成约1 mm厚的熔壳,共烧蚀掉约30%。其他陨石的演化史大致也经历这几个阶段,只是它们在星云盘的形成部位和环境不同,母体的演化和撞击碎裂及冲击变质程度不同。各类迄今陨石的吸积(聚集)形成条件列于表7-4。从陨石的陨落轨迹的一系列观测可以逆推它的空间运行轨道,很多陨石是小行星带空隙处的原来小行星的碎块。
表7-4 各类球粒陨石的形成条件
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