科普：富含「寶石」的隕石——橄欖石鐵隕石 (Pallasites)

2024-04-29科學

歡迎各位朋友們來到 星石空間站 ，本次星際知識之旅將深入、 系統地 講述 橄欖石鐵隕石 (Pallasites) 。

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深度科普：橄欖石石鐵隕石(Pallasites)

一、類群定名史

1772年，德國博物學家 Peter Simon Pallas 在西伯利亞Krasnoyarskiy kray地區得到了當地人撿拾的金屬質石塊。

Krasnojarsk隕石

1955年，研究認為這些石塊屬於隕石，以發現地 Krasnojarsk 作為此塊隕石的命名，發表於【隕石學原理】第340頁。

1955年【隕石學原理】-340頁

學界決定 以Krasnojarsk隕石作為特征隕石 ，將這種由鐵鎳單質與橄欖石混合組成的隕石新類群命名為 Pallasites ，即： 橄欖石鐵隕石 。

定名隕石：Krasnojarsk隕石

二、數量與占比

根據 國際隕石學會 (The Meteoritical Society) 的 國際隕石數據庫 的官方統計，目前全球範圍尋獲的 橄欖石鐵隕石 ( Pallasites ) 共計 174個 ，約占總數的 0.234% 。

國際隕石數據庫 (螢幕擷取)

三、隕石學分類

根據巖相特征、礦物組成、元素組成及含量、同位素特征等差異劃分為以下3種亞群：

橄欖石鐵隕石-主群 (Pallasite, PMG)
橄欖石鐵隕石-鷹站亞群 (Pallasite, PES)
橄欖石鐵隕石-未分群 (Pallasite, ungrouped)

橄欖石鐵隕石基礎分類圖

(一)、橄欖石鐵隕石-主群

橄欖石鐵隕石-主群 ( Pallasite, PMG )，是已知尋獲數量最多的一個亞群，目前共計75個。

Marjalahti隕石 (主群)

主群 (PMG) 矽酸鹽部份的橄欖石主要為 富鎂橄欖石 ，顏色呈 黃綠色-橙黃色 ，晶體相對完整。橄欖石的Fo值為82～88 mol%。

Acomita隕石 (主群)

金屬部份的化學元素組成與含量 近似Iron, IIIAB群鐵隕石 ，含有少量隕硫鐵。

Esquel隕石 (主群)

主群的氧同位素低於地球分餾線 (TFL)， ΔO-17= -0.183 ± 0.018 。

主群氧同位素值域分布圖

橄欖石鐵隕石-輝石型

在橄欖石鐵隕石的主群 (PMG)與未分群 (ungrouped)中有一種 矽酸鹽部份含有輝石 的特殊類別，稱為 橄欖石鐵隕石-輝石型 ( Pyroxene Pallasite )，是以Finmarken隕石為特征隕石劃分的類別。

Finmarken隕石 (輝石型)

該類別主要由14～63 vol%的橄欖石、30%～43 vol%的鐵鎳金屬組成， 含有0.7～3 vol%的輝石 以及～1 vol%的隕硫鐵。

Admire隕石 (輝石型)

(二)、橄欖石鐵隕石-鷹站亞群

橄欖石鐵隕石-鷹站亞群 ( Pallasite, PES )，目前全球僅尋獲 5個，是以 Eagle Station隕石 作為特征隕石劃分的一個亞群，是目前尋獲數量最少的亞群。

國際隕石數據庫 (螢幕擷取)

鷹站亞群 (PES)在矽酸鹽部份與金屬部份均與主群 (PMG)存在諸多差異。矽酸鹽部份的橄欖石主要為 富鐵橄欖石 ，顏色呈 棕色-褐色 ，晶體通常較為 破碎且棱角分明 。其橄欖石比主群更富含鈣元素與鐵元素。

Eagle Station，鷹站亞群

金屬部份比主群 (PMG)更富鎳和銥元素，同位素組成及元素含量更 接近Iron, IIF群鐵隕石 。

Oued Bourdim 001隕石

鷹站亞群 (PES)的氧同位素 ΔO-17約為-4.83～-4.91。 同位素學研究表明，可能與CK群碳質球粒隕石的來源天體存在一定的關聯性。

Itzawisi隕石 (鷹站亞群)

(三)、橄欖石鐵隕石-未分群

橄欖石鐵隕石-未分群 ( Pallasite, ungrouped )，其特征與任何已建立的橄欖石石鐵隕石亞群存在一定的差異，目前共包含 12個 隕石。

國際隕石數據庫 (螢幕擷取)

未分群的經典案例

Choteau隕石 (Pallasite-ungrouped)，其氧同位素特征與其它橄欖隕鐵存在較大差異，更近似原始無球粒隕石Acapulco-Lodranite。

Choteau隕石 (未分群)

NWA 1911隕石 (Pallasite-ungrouped)，矽酸鹽中含有輝石類礦物。

NWA 1911隕石 (未分群)

Milton隕石 (Pallasite-ungrouped)，金屬部份的元素含量異常。

Milton隕石 (未分群)

四、形成機理研究

對於橄欖石鐵隕石的形成過程學界有多種觀點，但其中 4種成因理論可以合理的解釋隕石中存在的特征與現象。

(一) 、分異與融合成因

2012年，Boesenberg等人研究認為， 橄欖石鐵隕石為球粒隕石質小行星深層熔融與混合的產物 ，形成過程如下：

球粒隕石質小行星內部的金屬與矽酸鹽發生分離，橄欖石從熔融的金屬外核中結晶析出。靠近金屬核的外層逐漸形成純橄巖地層。

內核熱量使純橄巖、矽酸鹽熔體和熔融金屬核之間發生對流，部份橄欖石被裹挾到熔融金屬外核中。

橄欖石促進了金屬外核向深層結晶，形成了橄欖石鐵隕石物質。

分異與融合成因形成過程示意圖

撞擊產生的沖擊波使橄欖石發生碎裂， 破碎的橄欖石晶體在1250 ℃以上的矽酸鹽熔體中熔蝕變成圓形 。

Sericho隕石 (圓形橄欖石)

2018年，Donohue等人研究發現，母體經歷數百萬年的時間使圈層間達到相對平衡態。橄欖石與金屬之間的元素發生遷移。

1700～1000 ℃ ，冷卻速率約為 300～100 °C/百萬年 ，熔融金屬外核的磷遷移進入矽酸鹽熔體中。

低於1000 ℃ ，金屬外核的冷卻速率逐漸降低至 1 °C/百萬年 ，金屬結晶形成維斯台登結構。

Seymchan隕石（維斯台登結構）

(二)、掠射撞擊成因

2010年， E. Scott等人認為 橄欖石石鐵隕石是小行星遭受掠射撞擊的產物 ，形成過程如下：

橄欖石從小行星熔融的金屬外核中結晶析出，金屬核由內向外逐漸冷卻凝固。靠近金屬核的外層逐漸形成橄欖巖地層。

金屬核冷卻80%時，一場掠射撞擊事件破壞了母體原始結構，導致局部低粘度液態的金屬核從下地幔高壓註入結晶的橄欖巖地層。

金屬部份存在不同冷卻速率反映發生於同一顆母體的不同深度的冷卻，並非核-幔界面的自然冷卻。

掠射撞擊形成了一顆 碎石堆積型小行星 ，主要由Pallasite物質構成。

掠射撞擊成因形成過程示意圖

2017年，Edward Scott等人研究發現，來源天體核-幔邊界存在3個區層。

掠射撞擊破壞了母體結構，導致 早期形成的富銥橄欖石（3區）與晚期形成的貧銥橄欖石（1區與2區）發生碎裂與混合 。

撞擊過程中， 熔融的液態金屬註入到碎裂的橄欖石間隙 ，使得橄欖石鐵隕石局部形成 較大面積的金屬物質 。

Seymchan隕石 (大面積金屬)

(三)、撞擊與熔合成因

2020年，Walte等人研究認為，部份橄欖石石鐵隕石的形成過程如下：

球粒隕石質小行星內部發生分異作用，金屬熔體開始形成和分離。持續的加熱逐漸形成矽酸鹽熔體，但有部份金屬熔體被截留在貧鈉的地幔中。

晚期分化形成的幔部主要由圓形的橄欖石與熔融對流外核的原始金屬熔體組成。

撞擊事件導致母體幔部變形碎裂，金屬來自撞擊天體的熔融金屬核。

撞擊與熔合成因形成過程示意圖

2022年，Windmill等人對7個橄欖石石鐵隕石進行了高精度的氧、鉻、鎢同位素分析。依據其橄欖石與鉻鐵礦之間氧同位素差異劃分了 兩個群組 ，即：

低鋁錳群組 ：由 低鋁鉻鐵礦 (從金屬中結晶) 和 低錳橄欖石 組成，包括：Brahin、Brenham、Hambleton、Sericho、Seymchan隕石。
高鋁錳群組 ：由 高鋁鉻鐵礦 (從矽酸鹽熔體中結晶) 和 高錳橄欖石 組成，包括：Imilac，Fukang隕石。

研究隕石的氧-鉻同位素值域分布圖

研究表明，ΔO-17值的不均勻現象已經超出質素分餾過程所能產生的差異，支持了以下形成過程，即： 兩顆來自不同氧同位素儲庫的分異型小行星發生碰撞與混合，一顆天體的熔融金屬核註入到另一顆天體的破碎橄欖石中 ，進而形成了橄欖石石鐵隕石物質。同位素特征進一步揭示，撞擊天體與被撞擊天體可能形成於相近的吸積區域。

研究隕石的氧同位素值域分布圖

(四)、巨大撞擊與混合成因

2022年，Sugiura等人研究認為，一些橄欖隕鐵是經歷以下形成過程：

一顆小天體與一顆直徑約540 km（金屬核半徑110 km、幔部厚度120 km、殼部厚度40 km）的高度分異天體發生嚴重的撞擊。

撞擊事件將核部和幔部物質拋射至天體表層並混合於一體。

形成的天體表層主要由幔部物質組成，核部金屬豐度較低。

此後的撞擊將這些石鐵混合物質拋射到太空，最終降落到地球。

巨大撞擊與混合成因形成過程示意圖

五、隕石的關聯性研究

(一)、與核幔邊界的關聯性研究

2006年，Goldstein等人研究發現，橄欖石鐵隕石-主群的多項特征與小行星核幔邊界特征完全不符， 否定了源於小行星核幔邊界的可能 。

Cloudy Zone觀察圖

(二)、與IIIAB群鐵隕石的關聯性研究

2006年，Goldstein等人透過研究Brahin、Brenham、Rawlinna 001、Springwater和Zaisho隕石樣品發現， 橄欖石鐵隕石 金屬部份的冷卻速率明顯低於Iron, IIIAB群鐵隕石 。

Brahin隕石

橄欖石鐵隕石-主群的冷卻速率為2.5~18 克耳文/百萬年；橄欖石鐵隕石-鷹站亞群的冷卻速率為13~16 克耳文/百萬年，而Iron, IIIAB群鐵隕石的冷卻速率為50~350 克耳文/百萬年。表明 Iron, IIIAB群鐵隕石比橄欖石鐵隕石更靠近天體表層。 但是，2010年Yang等人對橄欖石鐵隕石-未分群的Milton隕石進行研究時發現，其冷卻速率＞5000 克耳文/百萬年，與上述結論相矛盾。

Milton隕石

2007年，Yang等人透過測定橄欖石鐵隕石-主群和Iron, IIIAB群鐵隕石的高Ni顆粒尺寸，證實橄欖石鐵隕石的冷卻速率比Iron, IIIAB群鐵隕石慢了2.5~25倍，冷卻速率存在較大的範圍跨度。以上表明， 橄欖石鐵隕石形成區域記憶體在明顯熱不均勻性 ， 但是在Iron, IIIAB群鐵隕石的天體中不存在這種性質 。

Brenham隕石

2007年，Scott等人透過測定錸-鋨同位素表明， 橄欖石鐵隕石的形成時間比Iron, IIIAB群鐵隕石晚了6000萬年 。

研究全部證實， 橄欖石鐵隕石與Iron, IIIAB群鐵隕石之間不存在關聯性 。

Springwater隕石

六、來源研究

2018年，Sanborn等人對橄欖石鐵隕石-主群的Brenham、橄欖石鐵隕石-未分群的Milton中的橄欖石以及IVA-an型鐵隕石的Steinbach、Nepomuceno隕石中的橄欖石進行了氧-鉻同位素測定分析。數據顯示，Brenham與Krasnojarsk隕石的數值明顯高於HED族隕石的趨勢。表明 橄欖石鐵隕石的來源天體形成於木星軌域內側的非碳質區域 。

各類群ΔO-17與εCr-54值

2019年，Dey等人對橄欖石鐵隕石-主群的Imilac、Hambleton、Pallasovka隕石，橄欖石鐵隕石-未分群的Vermillion隕石以及橄欖石鐵隕石-鷹站亞群的Cold Bay和Itzawisis隕石進行了ΔO-17與εCr-54測定，研究金屬與矽酸鹽的相似性。結果表明， Pallasite隕石的內源性混合過程是一致的 。