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那些太阳系最古老的物质,都去了哪儿?

时间: 2020年04月17日 | 作者: Admin | 来源: 中科院之声
球粒陨石,太阳系早期的固态物质吸积而成的“沉积岩”,大部分球粒陨石都被吸积进入行星,被核幔分异和岩浆作用改造,最终形成太阳系的八大行星和无数个分异的小行星。


  球粒陨石,太阳系早期的固态物质吸积而成的“沉积岩”,因含有大量的球形硅酸盐小球(即球粒)而得名。大部分球粒陨石都被吸积进入行星,被核幔分异和岩浆作用改造,最终形成太阳系的八大行星和无数个分异的小行星。


  少部分球粒陨石得以幸免,散落于火星与木星之间的小行星带。部分轨道不稳定的球粒陨石碎块最终飞向地球,降落后被目击者捡到收集,或者多年后被科考队或某位幸运者收集。


  球粒陨石是人类研究太阳系早期演化和生命起源的宝贵钥匙,对探索太阳系如何从气态分子云形态演变成如今的格局具有重大的意义。


  岩石学上,球粒陨石由难熔包体、铁镁质球粒、铁镍金属、硫化物和细粒基质(图1)等几个部分组成。其中难熔包体是太阳系伊始高温气体冷却过程中气-固凝聚的矿物集合体,或者是凝聚集合体再次熔融结晶的产物。


图1 CR碳质球粒陨石元素分布组合图(钙-绿色;镁-红色;铝-蓝色)(Krot, 2013)

图1 CR碳质球粒陨石元素分布组合图(钙-绿色;镁-红色;铝-蓝色)(Krot, 2013)


  难熔包体是太阳系最古老的物质(4567 Ma,百万年),被认为形成于原始太阳附近(<0.1 AU, AU即天文单位,约等于地球到太阳的距离),具有与太阳类似的氧同位素组成(Δ17O=-23‰到-28‰;图2)。


图2 球粒陨石高温物质(难熔包体和铁镁质球粒)及太阳的氧同位素组成分布图

图2 球粒陨石高温物质(难熔包体和铁镁质球粒)及太阳的氧同位素组成分布图


  而铁镁质球粒是松散的矿物集合体(硅酸盐、金属、硫化物、氧化物、碳和上一世代的球粒碎块等)经历瞬间升温和快速冷却形成,时间较难熔包体晚2-5 Ma,形成区域距离原始太阳1-10 AU (图3),氧同位素组成显著亏损16O(Δ17O=-10‰到0‰;图2)。


图3 原始行星盘结构示意图(修改自Scott, 2007)

图3 原始行星盘结构示意图(修改自Scott, 2007)


  难熔包体和铁镁质球粒的形成事件看似相互独立,但是存在着某种不明的联系。富铝球粒(Al2O3>10 wt%)是球粒陨石的罕见组分,其矿物组合和岩石结构类似于铁镁质球粒,但是其矿物成分富集Al2O3,偶尔出现难熔包体来源的残余矿物和难熔包体特有的稀土元素(REE)配分模式。


  因此,富铝球粒是连接两者的桥梁,是探索它们成因联系的突破点。


  日前,中国科学院地质与地球物理研究所张明明博士及合作导师林杨挺研究员对CV碳质球粒陨石中的13块富铝球粒开展了岩石学、矿物化学、全岩主微量元素以及原位氧同位素研究,证实了富铝球粒的初始物质是难熔包体和铁镁质球粒初始物质的混合。


 图4 CV碳质球粒陨石中富铝球粒的稀土元素配分图(A)及其矿物的氧同位素组成分布图(B)

 图4 CV碳质球粒陨石中富铝球粒的稀土元素配分图(A)及其矿物的氧同位素组成分布图(B)


  更重要是,科研人员研究发现了四种难熔包体特有的REE配分模式(I型、II型和类II型、III型)(图4A)和三种难熔包体来源的残余矿物(橄榄石、尖晶石和透辉石),显著丰富了混入富铝球粒初始物质中的难熔包体种类的多样性。此外,富铝球粒结晶矿物的氧同位素组成与铁镁质球粒相同(Δ17O~-5‰,图4B),指示两者在相同区域熔融。


  该发现表明,各类型难熔包体在靠近原始太阳的位置形成之后,在磁盘风等的作用下被搬运到铁镁质球粒的形成区(图3),并与其初始物质随机混合,然后加热熔融形成富铝球粒。由于难熔包体和铁镁质球粒的形成时间相差2-5 Ma,因此难熔包体在形成之后即被保存在动荡的原始行星盘中。


  本研究的结论支持各类型的难熔包体被集中保存在某一区域,然后一起加入到球粒陨石形成区,而不是“流水线”式的连续加入。


  成果发表于期刊 Geochimica et Cosmochimica Acta(Zhang M, Lin Y*, Tang G, et al。 Origin of Al-rich chondrules in CV chondrites: Incorporation of diverse refractorycomponents into the ferromagnesian chondrule-forming region[J]。 Geochimica etCosmochimica Acta。 DOI: 10.1016/j.gca.2019.12.011)。