一块特殊的陨石记录太阳系早期熔融过程

摘要

       中科院比较行星学卓越创新中心学科带头人徐伟彪教授、李晔博士及其合作者，发现了一块特殊的来自普通球粒陨石母体的熔融残余；这块陨石形成于太阳系的早期，约4546 ± 34 Ma年前。研究团队推测，太阳系早期的冲击作用于未完全冷却的小行星有利于这类陨石的形成。

普通球粒陨石通常被划分为3-6型，变质程度从3型到6型递增；此外，还有少量的具有熔体结晶结构或经历了“超高温变质作用”的岩石，这部分岩石被称为熔融体或者7型岩石。

前人的研究显示结晶于熔融体的普通球粒陨石（如PAT 91501和MIL 05029）主要显示以下特征：

• （1）低钙辉石的TiO₂和Al₂O₃之间具有明显的线性相关性；

• （2）橄榄石和辉石的Fe含量可能会高于正常值范围；

• （3）斜长石填隙结晶，比例相对偏高。

研究团队发现LL7 NWA 11004陨石发育以下特征：

• （1）低钙辉石呈嵌晶结构，颗粒粗大（3-5 mm）（图1）；

• （2）低钙辉石的TiO₂和Al₂O₃之间未见明显的线性相关性（图2）；

• （3）相较于典型的LL型球粒陨石，NWA11004的橄榄石和辉石的Fe含量相对偏低(Fa_25.4, Fs_21.3)；

• （4）NWA 11004的斜长石、高钙辉石以及金属比例偏低；

• （5）低钙辉石的稀土含量相对较低。

  NWA 11004明显不同于熔融结晶形成的岩石，更可能是一个熔融残余体；在发生部分熔融以后，由高钙辉石-斜长石-金属组成的熔体发生了迁移，残余橄榄石和低钙辉石发生重结晶。

图1. NWA11004的背散射图像。（a-b）PMO-0390未发生角砾化，（c-d）PMO-0391由角砾化部分和未角砾化部分组成（两者由虚线分开）。橄榄石-Ol，辉石-Pyx，斜长石-Pl。

图2  NWA 11004低钙辉石和高钙辉石的TiO2 vs. Al2O3单点投图。其他数据点来自McSween and Patchen (1989), Brearley and Jones (1998), Ruzicka et al. (2005), Mittlefehldt and Lindstrom (2001), Gastineau‐Lyons et al. (2002), and Tait et al. (2014)

此外，NWA 11004的低钙辉石显示波状消光-马赛克消光冲击特征，记录发生在熔融事件之后的冲击碰撞事件（冲击等级为S4）。磷酸盐的²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb年龄为4546 ± 34 Ma（图3），代表了此次碰撞事件的时间。这说明，NWA 11004的部分熔融事件发生在4546 ± 34 Ma之前。

图3  （a）NWA 11004磷酸盐的Tera-Wasserburg U-Pb反向谐和图. （b）NWA 11004磷酸盐的²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb加权平均年龄

在太阳系形成早期，假设球粒陨石母体发生热变质（²⁶Al是主要热源）并形成洋葱层结构，6型球粒陨石在整个小行星母体所占比例最大，大约占的~70-80 vol.%，其峰期变质温度大概为~900-950℃，不足以在静压条件下使硅酸盐发生熔融 (Kessel et al., 2007; Mare et al., 2014)。

     但是，近期的研究发现存在少量形成于太阳系初期的7型球粒陨石（如PAT 91501和MIL 05029的Ar-Ar年龄大约为4.46-4.53 Ga，NWA11004的磷酸盐²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb年龄为~4.55 Ga；Friedrich et al., 2017; Garrison & Bogard, 2001; Ruzicka et al., 2015; Trieloff et al., 2003)；这些岩石的矿物晶体参数特征以及矿物化学特征均记录了高温过程(Ruzicka & Hugo, 2018)。球粒陨石母体数值模拟结果显示

（1）在太阳系形成最初的~10-20Myr，冲击碰撞频率相对较高(Bottke et al., 2015; Ciesla et al., 2013; Davison et al., 2013)；

（2）在太阳系形成最初的~30-40Myr，球粒陨石母体尚未完全冷却，内部温度相对较高，可能可以达到~850–950°C（Bennett & McSween, 1996; Ciesla et al., 2013)。假设变质温度为500-950℃的5-6型普通球粒陨石受到冲击作用，只需要升高100-500℃便可发生熔融 (Tait et al., 2014)。目前发现的7型陨石大部分都是熔融结晶或固态重结晶形成的，而NWA 11004是一块熔融残余，对进一步研究球粒陨石母体早期热演化以及冲击作用具有重要意义。

    成果发表于国际权威学术期刊Journal of Geophysical Research: Planets，论文的通讯作者是中科院比较行星学卓越创新中心及类地行星先导专项骨干成员中国科学院紫金山天文台李晔博士和骨干成员徐伟彪研究员

    该成果获得了中科院行星科学先导B项目（XDB41000000），国防科工局民用航天“十三五”技术预先研究空间科学项目（D020202和D020302）以及国家自然科学基金（41973060, 41773059, 41873076和41803051）等的经费支持。

李晔 中国科学院紫金山天文台 助理研究员 天体化学 比较行星学卓越创新中心/类地行星先导专项成员

徐伟彪 中国科学院紫金山天文台研究员 天体化学 比较行星学卓越创新中心学术带头人

论文信息

Li, Y., Rubin, A. E., Hsu, W., & Ziegler, K. (2020). Early impact eventson chondritic parent bodies: Insights from NWA 11004, reclassified as an LL7 breccia. Journal of Geophysical

Research:Planets,125,e2019JE006360. https://doi.org/10.1029/2019JE006360

参考文献

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Bottke, W. F., Vokrouhlický, D., Marchi, S., Swindle, T. D., Scott, E. R. D., Weirich, J. R., & Levison, H. (2015). Dating the Moon‐forming impact event with asteroidal meteorites. Science, 348(6232), 321–323.

Ciesla, F. J., Davison, T. M., Collins, G. S., & O'Brien, D. P. (2013). Thermal consequences of impacts in the early solar system. Meteoritics &Planetary Science, 48(12), 2559–2576.

Davison, T. M., O'Brien, D. P., Ciesla, F. J., & Collins, G. S. (2013). The early impact histories of meteorite parent bodies. Meteoritics & Planetary Science, 48(10), 1894–1918.

Friedrich, J. M., Ruzicka, A., Macke, R. J., Thostenson, J. O., Rudolph, R. A., Rivers, M. L., & Ebel, D. S. (2017). Relationships among physical properties as indicators of high temperature deformation or post‐shock thermal annealing in ordinary chondrites. Geochimica et Cosmochimica Acta, 203, 157–174.

Garrison, D. H., & Bogard, D. D. (2001). 39Ar‐40Ar and space exposure ages of the unique Portales Valley H‐chondrite. In Paper presented at 32nd Lunar and Planetary Science Conference, (No. 1137). Houston, TX.

Kessel, R., Beckett, J. R., & Stolper, E. M. (2007). The thermal history of equilibrated ordinary chondrites and the relationship between textural maturity and temperature. Geochimica et Cosmochimica Acta, 71(7), 1855–1881.

Mare, E. R., Tomkins, A. G., & Godel, B. M. (2014). Restriction of parent body heating by metal‐troilite melting: Thermal models for the ordinary chondrites. Meteoritics & Planetary Science, 49(4), 636–651.

Ruzicka, A. M., & Hugo, R. C. (2018). Electron backscatter diffraction (EBSD) study of seven heavily metamorphosed chondrites: Deformation systematics and variations in pre‐shock temperature and post‐shock annealing. Geochimica et Cosmochimica Acta, 234, 115–147.

Tait, A. W., Tomkins, A. G., Godel, B. M., Wilson, S. A., & Hasalova, P. (2014). Investigation of the H7 ordinary chondrite, Watson 012: Implications for recognition and classification of Type7 meteorites. Geochimica et Cosmochimica Acta, 134, 175–196.

Trieloff, M., Jessberger, E. K., Herrwerth, I., Hopp, J., Fléni, C., Ghélis, M., et al. (2003). Structure and thermal history of the H‐chondrite parent asteroid revealed by thermochronometry. Nature, 422, 502–506.

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