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楊晶等-GCA:太陽系早期熾熱小行星之間的撞擊作用
2019-10-08 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  在太陽系早期,類地行星、月球和小行星上發生的撞擊作用是非常普遍又極其重要的地質過程。撞擊過程產生的巨大能量曾被認為是行星和小行星進行熔融分異的主要熱源之一。但是,對來自小行星的隕石研究卻發現:隕石(例如,普通球粒隕石)即使遭受高達60 GPa以上的強烈沖擊,也只產生微米至毫米級寬度的熔脈或熔融囊,這些沖擊熔體只占到隕石體積極小的一部分。模型計算也顯示,當設定小行星溫度為100-300 K時,在撞擊程度不足以粉碎小行星的前提下,撞擊產生的熔融只有約10-4體積。因此,當小行星處于低溫時,沖擊并不能有效熔融小行星的巖石。 

  太陽系形成最初的20 Ma內,由于滅絕核素衰變釋放的能量,小行星被加熱,其內部經歷熱變質作用(950-1300 K)甚至發生熔融分異(>1300 K),保持在一種高溫狀態。由于巖石的物理性質與溫度具有密切的關系,因而高溫靶巖和低溫靶巖的沖擊效應可能有很大的差異,并導致對小行星早期熱演化的不同影響。但是,對高溫靶巖沖擊效應的研究鮮有報道,也缺乏熱狀態下小行星發生強烈撞擊的證據。中科院地質與地球物理研究所地球與行星物理重點實驗室楊晶博士后與合作導師林楊挺研究員等,通過對未分群無球粒隕石Northwest Africa (NWA) 7325的研究,發現該隕石是小行星母體仍處于高溫狀態時,通過撞擊作用部分熔融形成,并提出了熾熱小行星的撞擊變質模型以及撞擊對早期小行星熱演化的影響。 

  NWA 7325是呈堆晶結構的橄欖輝長巖,選擇該隕石作為研究對象的考慮是:(1)結晶年齡非常古老,約為4563 Ma,距太陽系形成僅4 Ma;(2)巖礦特征表明經歷了加熱和部分熔融,但是否為沖擊熔融尚待確認;(3)與輝石接觸的長石顆粒邊界以及長石內部分布有大量的亞微米至微米級尺度的微晶(圖1),這一特殊的巖相學特征未在其他隕石中有過報道。他們以這些微晶的組成、結構和成因為切入,采用FIB-TEM聯用技術,同時結合巖相學和礦物化學的分析,取得了以下新的發現: 

1  NWA7325中在與輝石(Px)接觸的長石(Pl)顆粒邊界分布的透輝石(Di)微晶,以及在長石顆粒內部分布的大量富鋁尖晶石(Sp)微晶和少量的針狀剛玉(Cor)微晶

  1NWA 7325發生了高程度的部分熔融,使全部長石顆粒完全熔融,這是小行星撞擊導致熔融的證據之一; 

  2)與長石顆粒相鄰的透輝石、以及可能的橄欖石邊緣發生部分熔融,并且與長石熔體發生擴散混合,形成一個組成不均一的熔體,其Mg含量剖面呈邊緣高而中央低的特點(圖2)。該熔體不同位置快速結晶形成不同的微晶組合,長石顆粒邊緣區域多為富鋁透輝石,含少量橄欖石微晶;向內出現大量亞微米級富鋁尖晶石微晶(圖3),極少量剛玉針狀微晶與尖晶石微晶分布在長石顆粒中部(圖4)。同時,尖晶石的Mg/Al比值也由外向內趨于降低; 

  3)基于Mg在長石熔體的擴散,得到1300 時熔體的冷卻速率約為500-650/h,進一步證明是沖擊熔融。根據沖擊模型的能量計算,文章認為NWA 7325的小行星母體在溫度約為1000-1100 條件下,發生了這一撞擊部分熔融事件。 

2  NWA 7325長石顆粒不同區域的Mg/Al比值與其距邊界距離之間的關系

3  長石顆粒內部富Al尖晶石(Sp)微晶的TEM圖像

4  長石顆粒內部與尖晶石微晶共生的針狀剛玉微晶的TEM圖像

  此項工作的研究意義在于: 

  1)通過對未分群無球粒隕石NWA 7325長石顆粒中微晶的化學組成和礦物結構的分析,確定了這些從未在其他隕石中有過報道的特殊微晶的成因。以微晶成因作為切入點,構建小行星撞擊模型,計算撞擊時小行星母體的溫度,證實太陽系早期小行星在高溫狀態下發生強烈的沖擊作用; 

  2)首次證明了在小行星撞擊過程中,高溫靶巖與低溫靶巖的沖擊效應存在顯著差異。當撞擊強度不足以粉碎小行星時,低溫巖石多是只產生微米級寬度的熔脈或熔融囊,而高溫巖石會出現大范圍的熔融,并從沖擊熔體中結晶新的礦物; 

  3)太陽系早期(20 Ma內)小行星處于高溫狀態,并且星子間的撞擊也最為頻繁。因此,本研究表明沖擊作用能夠有效的熔融小行星的殼層巖石,是太陽系早期小行星(殼)進行熔融分異的重要熱源。 

  研究成果發表于Geochimica et Cosmochimica Acta. Yang J, Zhang C, Miyahara M, Tang X, Gu L X, Lin Y T*. Evidence for early impact on a hot differentiated planetesimal from Al-rich micro-inclusions in ungrouped achondrite Northwest Africa 7325 [J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2019, 258: 310-335. DOI: 10.1016/j.gca.2019.03.010原文鏈接 

 
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