陨石的化学成分

陨石是落到地球上的行星物体碎块,即从行星际空间穿过大气层后到达地表的星体残骸,也是人类最早直接接触的地外天体物质。陨石的形态、大小各异,如陨石可以是显微质点大小,也可以是几千千克的巨块。因为陨石是太阳系中其他天体的代表样品,人们又能采用最先进的分析技术获得最精确可靠的成分数据,所以,已获得的陨石化学成分已成为估计太阳系元素丰度及推断地球化学成分最有价值的成果。

每天降落到地球表面的地外物质约102~105t,大约1%成为陨石。据估计,每年落到地球表面的大陨石约有500个,其总质量可达3×106t至3×107t。然而由于地球表面近3/4的面积被海洋覆盖,加上荒无人烟的沙漠、高山和丛林,人类能观察和找到的陨石极少,每年能见到其陨落且又能找到的陨石仅有5到6个(表11)。

表11 “陨落”和“发现”陨石的数目和频率

(转引自赵伦山等,1988)

陨石研究表明,绝大多数降落至地球的陨石来源于小行星带,也有极少数来自其他天体,如ALAH-81005和EEAT-79001两块陨石被认为可能分别来自月球和火星表面。迄今在南极地区已发现并证实有12块陨石来自月球表面,在南极和非南极区共发现有8块可能是来自于火星的陨石,并认为来自月球与火星的陨石是小天体撞击月球或火星表面,使其表面的土壤或岩石产生熔融,并溅射至地表而成的。这类陨石是行星等被撞击过程产生的“陨石”。

陨石是目前最易获取和数量最大的地外物质,它携带着有关太阳系的化学成分、起源与演化、有机质起源和太阳系空间环境等丰富的信息。通过对CI型碳质球粒陨石等各类陨石化学成分和形成条件的研究,可以恢复太阳星云元素分布格局,揭示太阳星云的分馏过程。陨石中已发现60多种被认为是非生物合成的有机化合物(前生物物质),通过对它们的人工模拟合成和理论解释,为探索生命前期化学演化过程开拓了新的途径(见第10章)。通过对陨石母体与宇宙线相互作用产生核素的研究,可了解宇宙线的成分、能谱和通量等特征。对陨石中长寿命放射性核素组成的测定,可以提供元素起源、太阳系形成和演化、星云形成和凝聚以及行星形成和演化的时间序列的信息。

陨石的成分多种多样,有些几乎全部由金属组成,另一些几乎全部由硅酸盐组成。通常根据陨石中的金属含量先将陨石划分为三大类:石陨石、铁陨石和石-铁陨石(表12)。石陨石按其中是否具球粒结构又分为球粒陨石和无球粒陨石。目前世界上最大的石陨石是我国的吉林陨石,收集的样品总质量为2550kg,最大的吉林1号陨石质量达1770kg。世界上最大的铁陨石是非洲纳米比亚的戈巴铁陨石(质量约为60t),我国的新疆铁陨石(质量约为28t)是世界第三大铁陨石。

表12 陨石的基本分类

(转引自赵伦山等,1988)

1121 球粒陨石和无球粒陨石

球粒陨石与无球粒陨石以是否含硅酸盐类球粒来区分的。

球粒陨石的最大特征是含球粒,具球粒构造。球粒一般由橄榄石和斜方辉石组成,球粒间的基质常由镍铁、陨硫铁、斜长石、橄榄石、辉石等组成。球粒陨石是最常见的一类陨石,据化学成分可划分为5个化学群:E群(顽辉石球粒陨石)、H群(高铁群普通球粒陨石,如我国的吉林陨石)、L群(低铁群普通球粒陨石)、LL群(低铁低金属普通球粒陨石)和C群(碳质球粒陨石)。H群、L群及LL群统称为普通球粒陨石,主要由橄榄石、斜方辉石、铁镍金属和陨硫铁组成。各群陨石中铁和亲铁元素的含量以及金属铁与氧化铁之比由大到小的顺序为H群>L群>LL群。普通球粒陨石一般遭受过不同程度的冲击变质,主要形成于太阳星云硅酸盐—金属分馏与凝聚阶段。顽火辉石球粒陨石较为稀少,它是在比较还原的条件下冷凝与聚集形成的。碳质球粒陨石中的非挥发性组成代表了太阳星云的平均化学成分,其中高温与低温矿物分别以包裹体或基质的形式共存于陨石中。

无球粒陨石不含球粒,通常比球粒陨石结晶粗得多,在成分和结构方面,许多无球粒陨石与地球上的火成岩相似,它们可能是由硅酸盐熔体结晶形成的。无球粒陨石据CaO的含量划分为贫钙[w(Ca)≤3%]和富钙[w(Ca)≥5%]两类。据成因可将无球粒陨石划分为三类:钙长辉长无球粒陨石系列、顽辉石无球粒陨石系列和尚未划分出成因系列的无球粒陨石。

铁陨石和石陨石(含球粒陨石和无球粒陨石)均属分异型陨石,即经过岩浆侵入或喷出、或部分熔融产生结晶分异或岩浆残留物凝结而形成的。

碳质球粒陨石是球粒陨石中的一个特殊类型,含有碳的有机化合物分子,并且主要由含水硅酸盐组成。碳质球粒陨石按化学成分可划分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三种(CⅠ、CⅡ和CⅢ)类型。碳质球粒陨石虽然十分稀少,但在探讨太阳系元素丰度方面却有特殊的意义。

一个特别重要的碳质球粒陨石于1969年陨落在墨西哥北部,它叫做“阿伦德”(Allende)陨石,属于Ⅲ型碳质球粒陨石。其基质(约60%)呈暗灰色,主要由富铁橄榄石组成,其中球粒有两种,一种富铁(约30%),另一种富Ca、lA(约5%),此外还存在着富Ca、Al的集合体。在阿伦德以及其他碳质球粒陨石(尤其CⅠ型)中,非挥发性元素的丰度几乎同太阳中观察到元素的丰度完全一致(图11)。

图11 CⅠ型碳质球粒陨石元素丰度与太阳元素丰度对比(据涂光炽,1998)

因此,目前已用碳质球粒陨石的化学成分来估计太阳系中非挥发性元素的丰度。

玻陨石(tekitites)由富SiO2的玻璃组成,类似黑曜岩,但化学成分、结构与黑曜岩相差很大。人们迄今尚未见到陨落的玻陨石,只是由于其特殊的形态和成分才认为是陨石。现在积累的许多有关资料,促使人们倾向于视它们为由于彗星或大型陨石冲击地球而引起的物质熔化的产物。

1122铁陨石与石-铁陨石

铁陨石主要由两种矿物组成,其一为铁纹石(kamacite,立方体心格子的α铁,又称自然铁),另一种为镍纹石(taenite,立方面心格子的α铁)。此外,还常含有少量石墨、陨磷铁镍石[schreibersite,(Fe,Ni)3P]、陨硫铬铁(daubreelite,FeCr2S4)、陨碳铁[cohenite,(Fe,Ni)3C]、铬铁矿和陨硫铁等矿物。所以Fe、Ni是铁陨石中的主要元素,此外还有少量(wB<2%)Co、S、P、Cu、Cr和C。根据矿物晶体结构和w(Ni)/w(Fe)比值,铁陨石还可分出六面体式陨铁(hexahedrite)、八面体式陨铁(octahedrite)和富镍中陨铁陨石(ataxite)三个亚类。

铁陨石中镍的含量及其与Ga、Ge、Ir、P等元素的含量关系是划分铁陨石化学群的基础。各种微量元素在铁陨石的金属相和硫化物相中的含量范围变化很大,亲硫元素(Co、Cu、Zn、As、Se、eT、Hg、Ti、Pb和Bi等)在陨硫铁中含量高,而亲铁元素尤其是铂族元素(Os、Ir、Pt、Ru、Rb、Pd、Au)以及W、Mo、Re等在金属相中富集。铁陨石按多参数微量元素分类可分为13个化学群。其中有两群属非岩浆型(由母体产生的冲击熔体形成),其余为由母体内的岩浆作用形成。

石-铁陨石由硅酸盐相和铁镍相组成,按两相比例划分出橄榄陨铁和中铁陨石。在橄榄陨铁的铁镍相中镍质量分数为10%~15%。中铁陨石的金属相中含镍质量分数约为7%。石-铁陨石在矿物组成、结构构造、化学成分和演化历史上都具有石陨石和铁陨石的双重特性,它还可以进一步划分出橄榄陨铁、中陨铁、古英铁镍陨石和古铜橄榄陨铁四类。

陨石中共发现140种矿物,其中39种在地球上尚未被发现。

1123 陨石中的有机质

陨石,特别是碳质球粒陨石中已发现的有机化合物有60多种,有关陨石中有机质的来源主要有两种观点:①原始大气层处于高度还原状态,主要由CH4、NH、3H2O、H2和CO组成,在紫外线照射与放电过程中形成激发态自由基,最后合成各种有机化合物;②太阳星云凝聚晚期,星云中的CO、H2在磁铁矿、含水硅酸盐的催化反应下合成。后一种方式合成的有机化合物与碳质球粒陨石中发现的有机质极为相似,且碳同位素组成也相似。陨石中的有机质与地球的污染物是不同的,如Murchison碳质球粒陨石中发现的52种氨基酸的碳原子不对称并且有外消旋特征,以非蛋白氨基酸为主,还发现有烃类、杂环化合物和脂肪酸等。现在认为,地球早期生命系统的化学演化不一定来源于行星的大气,而可能来自在太阳星云凝聚时已合成的有机质。

由于存在三类迥然不同的陨石——石陨石、石-铁陨石和铁陨石,人们很自然地会设想陨石是来自某种曾经分异成一个富金属的核和一个硅酸盐外层的行星体,这种行星破裂后就可能成为各类陨石;其中石-铁陨石来自金属核与硅酸盐幔的界面,而石陨石来自富硅酸盐的幔区。这种设想已成为依据陨石资料推测地球内部结构和化学成分的重要根据之一。

然而,现在已有许多证据表明,由“一个母体形成陨石”的假说是不可取的。因为不仅各类陨石有不同的年龄,而且在陨石群之间也存在年龄差异。再者,各群球粒陨石和各种铁陨石之间均存在着成分间隔以及氧同位素(18O/16O原子比率及71O/16O原子比率)比例的差别。这些事实都表明,不同群的陨石应分别形成于不同的行星母体。

目前对小行星的形成和早期特征还了解甚少。一些学者认为,在明显的非平衡热条件下,从热的、低密度和部分电离的气体中直接凝聚出固态物质,可能是陨石球粒形成的机制。也就是说,球粒陨石可能代表着由行星聚集形成的微星物质的碎块,而其他类型的陨石可能是由具球粒陨石成分的物质经部分或完全熔融和分异形成。

陨石有多种，成分各不相同。大体可分为石质陨石、铁质陨石（又称陨铁），石铁混合陨石。陨石的主要成分是硅酸盐。陨铁主要由铁、镍组成。陨铁石成分介于两者之间。其他少量和微量成分和地球上有的一样，一般都是元素周期表中的元素。陨石是外太空的来物，大部分来源于小行星带，小部分来源于月球和火星。陨石中的主要矿物有碳化物类、硫化物及类似化合物类、氧化物类、硅酸盐类和磷酸盐类。

陨石在传统上被分为三大类：石陨石是岩石，主要的成分是硅酸盐矿物；铁陨石有很大部分的成分是铁-镍；石铁陨石则包含大量的金属及岩石的成分。现代的分类法则依据陨石的结构、化学和同位素的组成和矿物来分组

全世界收集到的陨石约有3万多块，陨石根据所含金属含量高低不同，可以分为：

铁陨石（陨铁），主要含有铁和镍

石铁陨石（陨铁石），铁、镍和硅酸盐各占一半，数量甚少

橄榄陨铁

中铁陨石

石陨石（陨石），主要含有硅酸盐，也是最常见的一种

球粒陨石

普通球粒陨石

碳质球粒陨石（碳粒陨石）

顽辉球粒陨石

无球粒陨石

顽辉无球粒陨石

橄辉无球粒陨石

HED无球粒陨石

钛辉无球粒陨石

月球陨石

火星陨石

陨石有大有小，最小的可能因燃烧变成微尘。大型陨石撞击到地表会留下撞击的痕迹，称陨石坑。沈阳陨石山上的古陨石曾是世界上发现的最大的一块陨石，体积155×50×60立方厘米，但是1976年3月8日呈雨状陨落在吉林市区的陨石总重量达2700公斤，其中最大的1号陨石重1770公斤，体积为117×93×84立方厘米。从而吉林陨石成为“世界陨石之最”[34]。吉林陨石雨降落时，没有造成一人一畜一物的伤害，实属世界陨石雨降落历史中所罕见。2005年1月美国太空总署火星越野车机遇号在火星中央平原首次发现了地球以外天体上的陨石。 行星闯入大气层后由于经受高温高压，会产生炸裂；熔点较低的铁之类物质会被熔融分离成另一类陨石，所以主体陨石大都带有熔壳，跌落到地面大多成球状的或是扁圆的并通常带有解体口，这类陨石较为普遍。

现在所发现的陨石上的组成都是由一致的地球上的元素组成的。在一些陨石当中曾发现有水，还在一些陨石当中发现了构成生命物质基本成分之一的氨基酸，因此有一种假说认为地球上最初的生命来自宇宙，是陨石把生命带来地球

陨石主要是由镍-铁合金、结晶硅酸盐或两者的混合物所组成，按成分分为三类：

1）铁陨石（siderite）：主要由金属Ni、Fe（占98%）和少量其他元素组成（Co、S、P、Cu、Cr、C等）。

2）石陨石（aerolite）：主要由硅酸盐矿物（橄榄石、辉石）组成。这类陨石可以分为两类，按它们是否含有球粒硅酸盐结构，分为球粒陨石和无球粒陨石。这些陨石大都是石质的，但也有少部分是碳质的。碳质球粒陨石是球粒陨石中的一个特殊类型，由碳的有机化合分子和主体含水硅酸盐组成。它对探讨生命起源和太阳系元素丰度等各方面具有特殊的意义。由于阿伦德（Allende）碳质球粒陨石（1969年陨落于墨西哥）的元素丰度几乎与太阳气中观察到的非挥发性元素丰度完全一致，因此碳质球粒陨石的化学成分已被用来估计太阳系中非挥发性元素的丰度。

3)

铁石陨石（sidrolite）：由数量上大体相等的Fe－Ni和硅酸盐矿物组成，是上述两类陨石的过渡类型。

陨石的构成元素有铁、镍。

大多数陨石来自于火星和木星间的小行星带，小部分来自月球和火星。陨石大体可分为；石质陨石，铁质陨石，石铁混合陨石。每类陨石下面又有它们的子项。

月球陨石可分为火山岩和沉积岩两大类，月球玄武岩是构成月球的主要岩石之一，颜色为黑色，白色，暗紫色，紫红色，绿色，墨绿色，灰绿色，**，棕**，混合色等。成斑状结构的构造和杏仁构造并存在黑云母。

扩展资料：

陨石中的主要矿物质：

1、六方金刚石（Lonsdale），颜色灰（含石墨引起），密度351g/cm3（计），N=241-242 ，产于陨石。

2、氮铬矿（Carlsbergite），化学分子式CrN，等轴晶系，形态粒状，颜色紫，密度351g/cm3， 产于铁陨石。

3、硅磷镍矿（Perryite），化学分子式(Ni，Fe)5(Si，P)，密度g/cm3， 产于陨石中，与闪锌矿共生。

4、巴磷铁矿（Barringerite），化学分子式(Fe，Ni)2P，六方晶系，形态粒状、带状，颜色白、浅蓝，密度692g/cm3(计) 产于石铁陨石(橄榄陨石)中，与陨铁镍石、陨硫铁矿共生。

5、碳铁矿（Haxonite），化学分子式(Fe，Ni)23C6，等轴晶系，形态细微粒，密度770g/cm3 ，产于陨石中。

—陨石

大量陨石组成的分析资料表明,陨石中分布最广泛的化学元素是:O、Fe、Si、Mg、Ni、S、Al、Ca等,其比值取决于陨石的矿物组成。除含有那些存在于地球上的已知元素外,陨石中不含其他元素。地球上已知的元素,在陨石中都发现了。陨石中的矿物成分比地球上岩石中的简单得多,地球岩石中已发现有 3000 多种矿物 (Perkins,1998),而陨石中只鉴定出约80 种矿物。在陨石中发现的大多数普通矿物通常也在地球上出现,但在陨石中发现的大约有24 种矿物至今尚未在地球上的岩石中找到 (格拉斯,1986)。

在天体化学和地球化学中,球粒陨石占据着独特的地位,它们是判定绝大多数地球化学作用效能的基准。理由很简单,在所有可以直接进行研究的已知物质中,球粒陨石的组成与太阳的组成最为匹配 (图1-6)。Cameron (1973 )认为,Ⅰ型碳质球粒陨石未经受热变质作用的影响,形成于远离太阳的较低温的区域,是最原始的太阳星云凝聚物质。还由于球粒陨石是唯一的未发生过熔融和分异的陨石,因而能保持太阳星云中非挥发性元素的初始浓度。而发生过熔融和分异作用的陨石,如无球粒陨石,在陨石元素丰度与太阳元素丰度对比图上,大多数投点远离对角线,意味着除球粒陨石之外的其他陨石的组成与太阳和太阳星云的组成有显著差异 (Zanda et al,2001)。

图1-6 CI 碳质球粒陨石元素丰度 (原子数/106 Si)与太阳元素丰度 (原子数/106 Si)对比

(据 Norton,2002)

图1-6 比较了太阳与CI球粒陨石的元素丰度,二者都对 106 硅原子进行标准化。对角线是太阳非挥发性元素的丰度,CI 球粒陨石中非挥发性元素的丰度数据基本沿着该线散布,证明原始球粒陨石的化学组成与太阳的化学组成特别相称。大多数石陨石相对于太阳亏损挥发性元素C、H、O和N,因此这些元素的位置处在图的上部 (Norton,2002)。

大多数陨石组的鉴别特征是直接或间接地以它们的整体化学成分差异为基础。这种差异最明显地表现在金属/硅酸盐比值上,该比值将铁陨石、石铁陨石和石陨石这三大组分分开。由于铁陨石和石铁陨石组的成分如此极端,以致除特殊的研究外,它们的全岩化学成分分析结果无多大意义。许多无球粒陨石的情况也是这样,由于它们是强分异的岩石,所以它们几乎是单矿物岩 (米勒等,1982)。

球粒陨石组内化学成分的变化是最令人感兴趣和最有意义的。就非挥发金属的丰度来说,作为整体的球粒陨石通常是均一的陨石组,而不同类型的球粒陨石,就它们铁的氧化程度来看,彼此明显不同。普赖尔 (1916)将这些关系表述为:“在球粒陨石质的石陨石中,镍-铁含量愈小,它就愈富镍,而镁硅酸盐就愈富铁”。表1-10 为主要类型球粒陨石的整体化学分析结果,由表可知,其中金属含量的不变性十分突出,但全铁量仍有不大但显著的差异,由此分出高铁组 (H )和低铁组 (L)。

表1-10 不同球粒陨石组的代表性分析结果 单位:wB/%

Wiik将所有的 S报道为 FeS,但这里给出的是 S,相应地 Fe被报道为 FeO。 (据米勒等,1982)

作为一个整体的球粒陨石,非挥发元素显示出巨大的均一性,而对于 Se、Ag、Ga、Pb、Tl、Bi、Hg,以及In等挥发性痕量元素来说,并不保持这一特点。实际上从Ⅰ型碳质球粒陨石到普通球粒陨石,这些元素是逐渐亏损的。研究表明,作为一个整体的球粒陨石,它们的主要非挥发金属的含量显著地均一,它们的化学组成与太阳和太阳系接近一致。但是微量的挥发性元素大概发生了相当大的分离作用,以致相对于太阳的元素丰度,除了I型碳质球粒陨石外,都稍有亏损。

对碳质球粒陨石化学组成的分析大多数是基于Orgueil的 (图1-7 ,表1-11 ),这是因为Orgueil是最大的CI球粒陨石,其物质容易获得并用于分析。CI 球粒陨石的化学组成是认定CI球粒陨石是作为原始或未分异物质的基础。CI 球粒陨石含有成分可变的毫米至亚毫米级显微碎屑的显微角砾岩。晚阶段裂隙被碳酸盐、水合钙镁硫酸盐充填,证明有低温作用影响了球粒陨石。CI 球粒陨石中没有球粒,几乎完全由含有一些磁铁矿的极细粒水合硅酸盐组成。球粒陨石中也经常发现橄榄石和辉石等高温相矿物,特征是含有碳的有机化合物分子,并且主要由含水硅酸盐组成。碳质球粒陨石虽然十分稀少,但在探讨太阳系元素丰度方面却具有特殊的意义。

图1-7 在法国Mountauban的Orgueil发现的一个CI碳质球粒陨石

(Norton,2002)

黑色熔化外壳与内部有磁铁矿穿插的似黏土状矿物混杂在一起,白色区域为水化碳酸盐和硫酸盐矿物。样品长 20mm,质量为 239g

表1-11 CI 碳质球粒陨石元素的丰度

续表

续表

(据McDonough et al,1995)

1铁陨石，也叫陨铁，它的主要成分是铁和镍；

2石铁陨石，也叫陨铁石，这类陨石较少，其中 铁镍与硅酸盐大致各占一半；

3石陨石，也叫陨石，主要成分是硅酸盐，这种陨石的数目最多

火星陨石（nakhlite）

2002年2月，A和GHupé（xHupé）购买自图森矿物展，陨石于2001年9月，从阿尔及利亚西部或摩洛哥东部被收购，陨石质量为456克。切割前的尺寸为 72毫米x65毫米×48毫米。

分类和矿物学（A Irving and S Kuehner, UWS）：易碎，深绿色，小的橙褐色产物可能是前陆地产物。陨石主要由半自形，橄榄绿，复杂的带状次钙辉石（Fs22Wo39），附属矿物**橄榄石（Fa64），斜方辉石（Fs49Wo4），间隙矿物斜长石（Ab61Or4 含有 01 wt% SrO，并表现出正常的双折射），钛磁铁矿，氯磷灰石，磁黄铁矿组成。陨石整体结构为一个浅成的，累积的火成岩，结晶顺序是橄榄石，斜方辉石，钛磁铁矿，辉石，磷灰石，斜长石。有一个择优取向的棱柱状辉石晶体，其中有许多非常独特的成分分区，体现在不规则物包裹着辉石核，反向的易变辉石边（由斜方辉石和细小的辉石片晶构成）。微小的熔融包裹体存在于辉石的裂隙内; 探针的研究表明，其中大部分是钾-钠 - 铝 硅酸盐玻璃，但有些是玻璃和铁碳酸盐共生，这可能是猝灭冷却的非混相硅酸盐与碳酸盐液体。后成合晶的钛磁铁矿和低钙辉石共生于，分立的橄榄石和磁铁矿晶界，但是橄榄石内部不存在铬钛磁铁矿包体。这些观察结果表明，这些是前陆地氧化过程中生成的后成合晶，涉及到高温，岩浆后期的流体沿着晶界渗透; 这种流体也可能会导致辉石晶体，不规则的易变辉石边的生成。（可能前陆地产物）铁白云石，碳酸盐，钾长石，蛇纹石（？），方解石，硫酸钙存在于辉石晶界和裂缝中。

氧同位素组成（D Rumble, CIW）： δ18O = +39 ± 02‰; δ17O = +24 ± 01‰; 17O = +030 ± 002‰。

陨石标本：20克，UWS；20克，FMNH；两个抛光薄片，UWS; xHupé持有大部分陨石。

Mineralogical Mode for NWA998

Treiman 05 Treiman +

Irving 2008

橄榄石 10 vol % 9

辉石 68 75

斜方辉石 2 35

斜长石 7

磁铁矿 1

其它 19 5

Table 1 Chemical composition of NWA 998

reference Treiman08

weight

SiO2 % 474 (a) 491 (b)

TiO2 05 (a) 05 (b)

Al2O3 2 (a) 28 (b)

FeO 184 (a) 176 (b)

MnO 05 (a) 05 (b)

MgO 117 (a) 117 (b)

CaO 138 (a) 14 (b)

Na2O 06 (a) 08 (b)

K2O 015 (a) 03 (b)

P2O5 01 (b)