科普：富含「宝石」的陨石——橄榄石铁陨石 (Pallasites)

2024-04-29科学

欢迎各位朋友们来到 星石空间站 ，本次星际知识之旅将深入、 系统地 讲述 橄榄石铁陨石 (Pallasites) 。

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深度科普：橄榄石石铁陨石(Pallasites)

一、类群定名史

1772年，德国博物学家 Peter Simon Pallas 在西伯利亚Krasnoyarskiy kray地区得到了当地人捡拾的金属质石块。

Krasnojarsk陨石

1955年，研究认为这些石块属于陨石，以发现地 Krasnojarsk 作为此块陨石的命名，发表于【陨石学原理】第340页。

1955年【陨石学原理】-340页

学界决定 以Krasnojarsk陨石作为特征陨石 ，将这种由铁镍单质与橄榄石混合组成的陨石新类群命名为 Pallasites ，即： 橄榄石铁陨石 。

定名陨石：Krasnojarsk陨石

二、数量与占比

根据 国际陨石学会 (The Meteoritical Society) 的 国际陨石数据库 的官方统计，目前全球范围寻获的 橄榄石铁陨石 ( Pallasites ) 共计 174个 ，约占总数的 0.234% 。

国际陨石数据库 (截屏)

三、陨石学分类

根据岩相特征、矿物组成、元素组成及含量、同位素特征等差异划分为以下3种亚群：

橄榄石铁陨石-主群 (Pallasite, PMG)
橄榄石铁陨石-鹰站亚群 (Pallasite, PES)
橄榄石铁陨石-未分群 (Pallasite, ungrouped)

橄榄石铁陨石基础分类图

(一)、橄榄石铁陨石-主群

橄榄石铁陨石-主群 ( Pallasite, PMG )，是已知寻获数量最多的一个亚群，目前共计75个。

Marjalahti陨石 (主群)

主群 (PMG) 硅酸盐部分的橄榄石主要为 富镁橄榄石 ，颜色呈 黄绿色-橙黄色 ，晶体相对完整。橄榄石的Fo值为82～88 mol%。

Acomita陨石 (主群)

金属部分的化学元素组成与含量 近似Iron, IIIAB群铁陨石 ，含有少量陨硫铁。

Esquel陨石 (主群)

主群的氧同位素低于地球分馏线 (TFL)， ΔO-17= -0.183 ± 0.018 。

主群氧同位素值域分布图

橄榄石铁陨石-辉石型

在橄榄石铁陨石的主群 (PMG)与未分群 (ungrouped)中有一种 硅酸盐部分含有辉石 的特殊类型，称为 橄榄石铁陨石-辉石型 ( Pyroxene Pallasite )，是以Finmarken陨石为特征陨石划分的类型。

Finmarken陨石 (辉石型)

该类型主要由14～63 vol%的橄榄石、30%～43 vol%的铁镍金属组成， 含有0.7～3 vol%的辉石 以及～1 vol%的陨硫铁。

Admire陨石 (辉石型)

(二)、橄榄石铁陨石-鹰站亚群

橄榄石铁陨石-鹰站亚群 ( Pallasite, PES )，目前全球仅寻获 5个，是以 Eagle Station陨石 作为特征陨石划分的一个亚群，是目前寻获数量最少的亚群。

国际陨石数据库 (截屏)

鹰站亚群 (PES)在硅酸盐部分与金属部分均与主群 (PMG)存在诸多差异。硅酸盐部分的橄榄石主要为 富铁橄榄石 ，颜色呈 棕色-褐色 ，晶体通常较为 破碎且棱角分明 。其橄榄石比主群更富含钙元素与铁元素。

Eagle Station，鹰站亚群

金属部分比主群 (PMG)更富镍和铱元素，同位素组成及元素含量更 接近Iron, IIF群铁陨石 。

Oued Bourdim 001陨石

鹰站亚群 (PES)的氧同位素 ΔO-17约为-4.83～-4.91。 同位素学研究表明，可能与CK群碳质球粒陨石的来源天体存在一定的关联性。

Itzawisi陨石 (鹰站亚群)

(三)、橄榄石铁陨石-未分群

橄榄石铁陨石-未分群 ( Pallasite, ungrouped )，其特征与任何已建立的橄榄石石铁陨石亚群存在一定的差异，目前共包含 12个 陨石。

国际陨石数据库 (截屏)

未分群的经典案例

Choteau陨石 (Pallasite-ungrouped)，其氧同位素特征与其它橄榄陨铁存在较大差异，更近似原始无球粒陨石Acapulco-Lodranite。

Choteau陨石 (未分群)

NWA 1911陨石 (Pallasite-ungrouped)，硅酸盐中含有辉石类矿物。

NWA 1911陨石 (未分群)

Milton陨石 (Pallasite-ungrouped)，金属部分的元素含量异常。

Milton陨石 (未分群)

四、形成机理研究

对于橄榄石铁陨石的形成过程学界有多种观点，但其中 4种成因理论可以合理的解释陨石中存在的特征与现象。

(一) 、分异与融合成因

2012年，Boesenberg等人研究认为， 橄榄石铁陨石为球粒陨石质小行星深层熔融与混合的产物 ，形成过程如下：

球粒陨石质小行星内部的金属与硅酸盐发生分离，橄榄石从熔融的金属外核中结晶析出。靠近金属核的外层逐渐形成纯橄岩地层。

内核热量使纯橄岩、硅酸盐熔体和熔融金属核之间发生对流，部分橄榄石被裹挟到熔融金属外核中。

橄榄石促进了金属外核向深层结晶，形成了橄榄石铁陨石物质。

分异与融合成因形成过程示意图

撞击产生的冲击波使橄榄石发生碎裂， 破碎的橄榄石晶体在1250 ℃以上的硅酸盐熔体中熔蚀变成圆形 。

Sericho陨石 (圆形橄榄石)

2018年，Donohue等人研究发现，母体经历数百万年的时间使圈层间达到相对平衡态。橄榄石与金属之间的元素发生迁移。

1700～1000 ℃ ，冷却速率约为 300～100 °C/百万年 ，熔融金属外核的磷迁移进入硅酸盐熔体中。

低于1000 ℃ ，金属外核的冷却速率逐渐降低至 1 °C/百万年 ，金属结晶形成维斯台登结构。

Seymchan陨石（维斯台登结构）

(二)、掠射撞击成因

2010年， E. Scott等人认为 橄榄石石铁陨石是小行星遭受掠射撞击的产物 ，形成过程如下：

橄榄石从小行星熔融的金属外核中结晶析出，金属核由内向外逐渐冷却凝固。靠近金属核的外层逐渐形成橄榄岩地层。

金属核冷却80%时，一场掠射撞击事件破坏了母体原始结构，导致局部低粘度液态的金属核从下地幔高压注入结晶的橄榄岩地层。

金属部分存在不同冷却速率反映发生于同一颗母体的不同深度的冷却，并非核-幔界面的自然冷却。

掠射撞击形成了一颗 碎石堆积型小行星 ，主要由Pallasite物质构成。

掠射撞击成因形成过程示意图

2017年，Edward Scott等人研究发现，来源天体核-幔边界存在3个区层。

掠射撞击破坏了母体结构，导致 早期形成的富铱橄榄石（3区）与晚期形成的贫铱橄榄石（1区与2区）发生碎裂与混合 。

撞击过程中， 熔融的液态金属注入到碎裂的橄榄石间隙 ，使得橄榄石铁陨石局部形成 较大面积的金属物质 。

Seymchan陨石 (大面积金属)

(三)、撞击与熔合成因

2020年，Walte等人研究认为，部分橄榄石石铁陨石的形成过程如下：

球粒陨石质小行星内部发生分异作用，金属熔体开始形成和分离。持续的加热逐渐形成硅酸盐熔体，但有部分金属熔体被截留在贫钠的地幔中。

晚期分化形成的幔部主要由圆形的橄榄石与熔融对流外核的原始金属熔体组成。

撞击事件导致母体幔部变形碎裂，金属来自撞击天体的熔融金属核。

撞击与熔合成因形成过程示意图

2022年，Windmill等人对7个橄榄石石铁陨石进行了高精度的氧、铬、钨同位素分析。依据其橄榄石与铬铁矿之间氧同位素差异划分了 两个群组 ，即：

低铝锰群组 ：由 低铝铬铁矿 (从金属中结晶) 和 低锰橄榄石 组成，包括：Brahin、Brenham、Hambleton、Sericho、Seymchan陨石。
高铝锰群组 ：由 高铝铬铁矿 (从硅酸盐熔体中结晶) 和 高锰橄榄石 组成，包括：Imilac，Fukang陨石。

研究陨石的氧-铬同位素值域分布图

研究表明，ΔO-17值的不均匀现象已经超出质量分馏过程所能产生的差异，支持了以下形成过程，即： 两颗来自不同氧同位素储库的分异型小行星发生碰撞与混合，一颗天体的熔融金属核注入到另一颗天体的破碎橄榄石中 ，进而形成了橄榄石石铁陨石物质。同位素特征进一步揭示，撞击天体与被撞击天体可能形成于相近的吸积区域。

研究陨石的氧同位素值域分布图

(四)、巨大撞击与混合成因

2022年，Sugiura等人研究认为，一些橄榄陨铁是经历以下形成过程：

一颗小天体与一颗直径约540 km（金属核半径110 km、幔部厚度120 km、壳部厚度40 km）的高度分异天体发生严重的撞击。

撞击事件将核部和幔部物质抛射至天体表层并混合于一体。

形成的天体表层主要由幔部物质组成，核部金属丰度较低。

此后的撞击将这些石铁混合物质抛射到太空，最终降落到地球。

巨大撞击与混合成因形成过程示意图

五、陨石的关联性研究

(一)、与核幔边界的关联性研究

2006年，Goldstein等人研究发现，橄榄石铁陨石-主群的多项特征与小行星核幔边界特征完全不符， 否定了源于小行星核幔边界的可能 。

Cloudy Zone观察图

(二)、与IIIAB群铁陨石的关联性研究

2006年，Goldstein等人通过研究Brahin、Brenham、Rawlinna 001、Springwater和Zaisho陨石样品发现， 橄榄石铁陨石 金属部分的冷却速率明显低于Iron, IIIAB群铁陨石 。

Brahin陨石

橄榄石铁陨石-主群的冷却速率为2.5~18 开尔文/百万年；橄榄石铁陨石-鹰站亚群的冷却速率为13~16 开尔文/百万年，而Iron, IIIAB群铁陨石的冷却速率为50~350 开尔文/百万年。表明 Iron, IIIAB群铁陨石比橄榄石铁陨石更靠近天体表层。 但是，2010年Yang等人对橄榄石铁陨石-未分群的Milton陨石进行研究时发现，其冷却速率＞5000 开尔文/百万年，与上述结论相矛盾。

Milton陨石

2007年，Yang等人通过测定橄榄石铁陨石-主群和Iron, IIIAB群铁陨石的高Ni颗粒尺寸，证实橄榄石铁陨石的冷却速率比Iron, IIIAB群铁陨石慢了2.5~25倍，冷却速率存在较大的范围跨度。以上表明， 橄榄石铁陨石形成区域内存在明显热不均匀性 ， 但是在Iron, IIIAB群铁陨石的天体中不存在这种性质 。

Brenham陨石

2007年，Scott等人通过测定铼-锇同位素表明， 橄榄石铁陨石的形成时间比Iron, IIIAB群铁陨石晚了6000万年 。

研究全部证实， 橄榄石铁陨石与Iron, IIIAB群铁陨石之间不存在关联性 。

Springwater陨石

六、来源研究

2018年，Sanborn等人对橄榄石铁陨石-主群的Brenham、橄榄石铁陨石-未分群的Milton中的橄榄石以及IVA-an型铁陨石的Steinbach、Nepomuceno陨石中的橄榄石进行了氧-铬同位素测定分析。数据显示，Brenham与Krasnojarsk陨石的数值明显高于HED族陨石的趋势。表明 橄榄石铁陨石的来源天体形成于木星轨道内侧的非碳质区域 。

各类群ΔO-17与εCr-54值

2019年，Dey等人对橄榄石铁陨石-主群的Imilac、Hambleton、Pallasovka陨石，橄榄石铁陨石-未分群的Vermillion陨石以及橄榄石铁陨石-鹰站亚群的Cold Bay和Itzawisis陨石进行了ΔO-17与εCr-54测定，研究金属与硅酸盐的相似性。结果表明， Pallasite陨石的内源性混合过程是一致的 。