45.67億年前，太陽系從一片原始星雲中逐漸形成。在這段漫長的歷史中，星際塵埃和瓦斯逐漸凝聚，形成了行星、衛星、小行星和彗星等各種天體。這些天體在形成過程中經歷了頻繁的碰撞和合並，逐漸演變成我們今天所看到的太陽系。因此，天體碰撞在太陽系演化中扮演了重要角色。
由於時間久遠，研究這些天體的碰撞歷史並不是一件容易的事。不過， 我們可以在隕石中找到太陽系撞擊事件的地質「證人」——熔長石， 它是天體間撞擊過程產生的沖擊玻璃，記錄了天體間激烈碰撞的瞬間，是大自然暴力美學的直接證明。
本文將帶你了解熔長石的奧秘，告訴你它如何成為科學家探索太陽系天體撞擊歷史的寶貴線索。
隕石起源於天體之間猛烈撞擊產生的巖石碎片 （圖片來源：veer圖庫）
熔長石原來就是玻璃？
熔長石（Maskelynite）一詞最早在1872年被G. Tschermak提出，用來描述 火星隕石 中的一種具有斜長石化學成分的各向同性玻璃。
小知識
在玻璃中，微小粒子的排列是無序的，不會出現在某個方向上粒子連線緊密或連線松散的情況，因此它們在所有方向上的物理性質都是一樣的，這叫做各向同性。
早期研究認為熔長石是在沖擊作用下，斜長石內部晶體結構被破壞，直接在固體狀態下變成的玻璃，這種玻璃稱為擊變玻璃（Diaplectic glass）。中國學者陳鳴等提出熔長石不是擊變玻璃，而是高壓條件下產生的致密熔體驟冷形成的玻璃。 總的來說，長石在高能撞擊下形成熔長石，雖然化學成分沒變，但已經失去了長石的晶體結構，轉變成了一種無序的、各向同性的玻璃。
火星隕石GRV 020090的背散射電子影像。
熔長石（深灰色）表面光滑（對比橄欖石和輝石具有豐富的裂紋），周圍分布著放射狀或龍爪狀裂隙。（圖片來源：蔣雲）
熔長石的形成條件，在火星隕石和月球隕石上不一樣
在地球巖石中，長石通常是由鈣長石（簡稱An）、鈉長石（Ab）和鉀長石（Or）三種端元礦物組成的類質同象固溶體。然而在隕石中，特別是月海玄武巖中，長石主要是由鈣長石和鈉長石端元組成的斜長石，鉀長石端元相對較少，因此成分通常用An端元的百分數表示。
根據長石中An牌號（即鈣含量）不同，形成熔長石所需的壓力也會有所變化。 An牌號越高，形成熔長石所需的壓力越低。 這可能是由於更多的鈣長石包含更多的Al-O鍵，Al-O鍵比Si-O鍵更弱，能承受的壓力更低，因此熔長石化所需的沖擊壓力更小。一般認為，火星玄武巖中的斜長石（An50）在29 GPa沖擊壓力下轉變成熔長石，月球玄武巖中的斜長石（An75-95）在20-24 GPa下轉變成熔長石，竈神星和Angrite玄武巖中的斜長石（An90-100）在20 GPa下轉變成熔長石。總之， 熔長石是長石在沖擊壓力20-30 GPa下形成的。
月球隕石NWA 14992薄片同一區域對比，熔長石在單偏光（上）下顯示光滑，在正交偏光（下）下顯示全消光（全黑）。（圖片來源：蔣雲）
如何鑒別熔長石？
在巖相學研究中，可以透過顯微鏡觀察和拉曼光譜分析來鑒別熔長石。
熔長石在單偏光下表面光滑，在正交偏光下，由於其光學各向同性的玻璃性質，顯示全消光，很容易與未受沖擊的斜長石晶體區分開。
長石和熔長石在拉曼光譜上的主要區別在於晶體結構的有序性與非晶體結構的無序性，以及由此引起的譜峰的寬化、位移、強度和形狀的變化。 長石具有尖銳的特征峰，熔長石的譜峰更寬更弱，並且可能發生位移。 當球粒隕石中75%的斜長石轉變成熔長石時，沖擊變質等級被定義為S5，此時橄欖石已經顯示出強烈的馬賽克化現象。
月球角礫巖NWA 4884中斜長石和熔長石的拉曼光譜特征對比，前者峰較窄較強，後者峰變寬較弱
（圖片來源：改編自參考文獻2)
如何成為撞擊事件的「證人」？
首先我們復習一個概念：逃逸速度。它是指一個物體擺脫天體重力束縛所需的最小速度，與天體直徑和品質有關。例如，竈神星（平均直徑525 km）的逃逸速度為0.36 km/s，月球（3476 km）為2.38 km/s，火星（6792 km）則高達5.03 km/s。
加州大學洛杉磯分校Alan E. Rubin統計了不同玄武巖隕石中富熔長石樣品的比例，發現與它們母體的逃逸速度有著密切關系。 他發現，來自竈神星的Eucrite玄武巖中富熔長石樣品比例為5%，月球隕石中這一比例約為30%，而火星隕石中則高達93%。這種比例上的顯著差異揭示了一個重要的事實： 更大的天體需要更多的能量才能將物質拋射到太空中，而這些更大規模的撞擊事件往往伴隨著更高的沖擊壓力，從而更有可能在隕石中形成熔長石。
地球的直徑更大，約為火星的1.88倍。可以合理推測，如果在月球或火星表面發現來自地球巖石（由於劇烈碰撞而被撞飛出地球的巖石）的話，那麽它極有可能完全熔長石化甚至全巖完全熔融。
玄武質隕石中富熔長石樣品比例與其母體（近似等比例顯示）逃逸速度相關性
(圖片來源：改編自參考文獻6)
除了對玄武巖隕石的研究外，科學家還對球粒隕石進行了研究，也「發現」了一次遠古的撞擊事件。
球粒隕石（Chondrite）是一種更為原始的隕石，它們代表了太陽系最早期的物質。普通球粒隕石有三個群：H群（高全巖鐵）、L群（低全巖鐵）和LL群（低全巖鐵和低金屬鐵），它們來自三個不同的小行星母體，共同構成了普通球粒隕石族（Clan）。H和LL群隕石中含熔長石樣品的比例較低，分別為1%和4%，這與同為小行星的竈神星（5%）相當。但L群是個例外，它的母體肯定比竈神星小，但是富熔長石樣品的比例高達11%，位於竈神星隕石（5%）和月球隕石（30%）之間。
這表明L群具有完全不同的沖擊歷史。瑞典隆德大學的Schmitz教授在瑞典的一個奧陶系石灰巖采石場中，發現異常富集的L群球粒隕石和微隕石化石。結合L群球粒隕石的Ar-Ar年齡峰值， 確認L群小行星在大約4.7億年前經歷了一次規模巨大的母體撞擊裂解事件。異常富熔長石的L群就是在這次驚天動地的災難中形成的。
瑞典采石場奧陶系石灰巖中保存的如麗螺化石（左）和L群球粒隕石化石（右）
（圖片來源：B. Schmitz提供）
關於熔長石，這些問題可能你會關心
1. 月球上采回的樣品中也有熔長石嗎？
有，但較少。
迄今，美國Apollo任務從月球返回樣品381.7 kg，蘇聯Luna返回0.326 kg，中國嫦娥五號返回1.731 kg，嫦娥六號返回1.9353kg。這些返回樣品雖然不同於月球隕石經歷了猛烈的撞擊挖掘和逃逸過程，但也是在月表直接或間接撞擊破碎形成的。嫦娥五號玄武巖中也有熔長石報道，角礫巖中相對更常見一些。 Apollo月海玄武巖或巖屑研究結果表明，只有1%玄武巖樣品經歷了足夠高的沖擊壓力形成了熔長石。
2. 地球玄武巖為什麽缺乏熔長石？
這主要是因為地球大氣層的遮蔽效應，使得進入地球的流星體減速，海洋又對大洋玄武巖進行了額外的「緩沖」，大大地削弱了小尺度流星體撞擊地球玄武巖的威力。此外，地球玄武巖大多比較年輕（小於2億年），它們暴露在高能撞擊事件中的機率很小（據估計，直徑1萬米的流星體平均每1.5億年撞擊地球一次），因此地球玄武巖中缺乏熔長石。
3. 熔長石對其他隕石母體有什麽指示意義？
小行星玄武質隕石中，Angrite是數量僅次於Eucrite、第二大的型別。在礦物學和全巖化學成分上，Angrite與Eucrite存在明顯差異。截至2024年7月，根據國際隕石學公告的數據，已確認有53個Angrite隕石（包括成對樣本）。這些隕石均未角礫化，且不含熔長石，表明它們僅遭受了低至中等程度的沖擊變質（小於20 GPa）。 所有Angrite隕石中缺失熔長石，暗示它們可能源自一個比竈神星更小的小行星母體。
結語
每一次撞擊，是淪陷，也是重生。
透過熔長石，我們得以窺見太陽系歷史上無數激烈碰撞的瞬間，更好地理解太陽系的誕生、形成和演變。這又何嘗不是另一種「以史為鑒」？
參考文獻：
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[7] Schmitz et al. 1997. Science 278, 88–90.
作者：蔣雲
作者單位：中國科學院紫金山天文台
