南极格罗夫山陨石冲击变质效应与高温高压矿物研究

Shock metamorphism, resulting from hypervelocity collision of cosmic materials, is one of the most fundamental processes in the formation and evolution of planetary and asteroid parent bodies. Shock effects recorded in meteorites includes deformation and transformation of constitute minerals. Natural high pressure phases formed in the high pressure-temperature environment provide a unique window into deep-Earth study. High-pressure mineral assemblages with novel textures and chemical compositions have been discovered in heavily shocked Grove Mountains meteorites. This project is aimed to conduct a NanoSIMS-TEM combined investigation on these high pressure minerals, in order to clarify the formation mechanisms of high pressure minerals, determine the P-T-t path of impact event of parent body, and understand the geochemical behavior of trace elements under the conditions of the Earth's deep interior.

冲击变质效应在陨石中普遍发育，是比较行星学研究的主要内容之一。在冲击事件形成的极端高温高压环境下，陨石中的矿物组分会产生结构相变、元素迁移等冲击变质特征，形成天然产出的高压矿物，为探索陨石母体冲击历史、研究地球和星球深部物质的组成和性质提供了窗口。在南极格罗夫山陨石中观察到了大量高温高压矿物集合体，其成分和结构十分特殊，蕴含了矿物高压相变过程以及母体冲击事件的重要信息。本项目旨在利用纳米离子探针、聚焦离子束、透射电镜等先进微区分析手段，对这些高温高压矿物的显微结构、成分以及微量元素面分布进行深入研究，以揭示不同高压相矿物的形成机制，反演母体冲击事件P-T-t历史，探讨微量元素在地球深部物质中的组成和分布。

本次研究对多块南极格罗夫山普通球粒陨石的冲击变质特征进行了系统的调查，利用激光拉曼、电子探针、扫描电镜等分析手段，对冲击熔融区域的岩石矿物特征进行了深入研究，发现熔脉的细粒基质部分主要为细粒镁铁-镁铝榴石固溶体+林伍德石，在粗粒角砾中鉴定出林伍德石、镁铁榴石、阿基墨石、辉石玻璃、熔长石和玲根石等高压矿物。结合静态高压实验相图估算母体冲击事件的高压峰值为18-23 GPa，熔体形成时的温度> 2000℃。. 在此基础上挑选出具有特殊相变结构的阿基墨石-辉石玻璃集合体、橄榄石-林伍德石集合体，利用聚焦离子束制作超薄透射电镜试片进行细微分析。研究结果显示，阿基墨石-辉石玻璃集合体中，阿基墨石颗粒 (Fs15-17) 呈孤岛状分散于辉石玻璃 (Fs31-39) 中，后者略微富CaO，两者的Al2O3 含量与陨石基岩中的低钙辉石无显著差异。根据以上结构和成分特征认为原低钙辉石角砾在冲击事件中熔融，形成的辉石质熔体与熔脉基质以及其它共生矿物熔体并不混溶。在高压下富MgO 阿基墨石从其中结晶，温度降低至一定值后残余的富FeO, CaO 熔体淬火形成辉石玻璃相。. 橄榄石-林伍德石集合体普遍发育圆岛状林伍德石核部和发丝状橄榄石边部。透射电镜试片中主要包含FeO 含量较高 (Fa43-61) 的林伍德石 (0.5-1 um)，和化学成分呈双峰模式(Fa6-12以及Fa22-23) 的橄榄石微晶 (<= 100nm)。共生橄榄石和林伍德石的成分差异可达55mol%。还普遍观察到林伍德石与橄榄石晶体的共生嵌晶。根据以上结构和化学成分特征，认为原橄榄石角砾在冲击事件中被熔融，在高压下富Mg的瓦茨利石以及Fa 值相对较高的橄榄石或瓦茨利石 (Fa22-23) 从橄榄石熔体中结晶形成，随着温度的下降，富FeO 的林伍德石从残余熔体中结晶。在压力卸载阶段富MgO瓦茨利石退变质为橄榄石。. 陨石中高压矿物的形成机制是地球深部以及比较行星学研究领域的热点问题。在前人对陨石冲击熔脉中高压矿物的研究中，均指出其化学成分与基岩中的矿物基本一致，因此认为这些高压相是通过固-固态转变形成。我们对南极普通球粒陨石冲击熔脉中阿基墨石-辉石玻璃集合体和橄榄石-林伍德石集合体的分析提供了大量高压矿物相液相分异结晶的证据，证明在高压下从熔体中结晶是形成高压矿物的另一重要机制。