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南极陨石收集与研究对深空探测的意义

2014-02-21 19:52:11 重庆科普网

    中国科学院地质研究所 刘小汉 林杨挺 缪秉魁

    仰望星空,无数遥远瑰丽的天体神秘闪烁着,令人遐想无限。美丽的金星,红色的火星,威武的猎户座,浩瀚的银河系,还有,天文学家告诉我们关于宇宙的故事-不可思议的大爆炸,恒星的诞生与消亡,虫洞,暗物质,暗能量……这一切都是真的吗?人类可以用实物来证明它们吗?

    当我们仰望星空时,常见到耀眼的流星电光火石般划破夜空,它们就是来自遥远宇宙深空的客人,携带着丰富的宇宙信息进入地球大气层。其中没有燃烧完的部分坠落到地表,就是宇宙深空送给人类最珍贵的科学礼物-陨石。迄今为止,人类获得的绝大部分陨石来自南极冰盖,今年在非洲撒哈拉沙漠和我国新疆戈壁也回收了一批陨石。1998年,国家海洋局极地考察办公室领导决定派遣4名考察队员前往南极冰盖内陆格罗夫山地区开展首次综合科学考察,期间收集到了4块南极陨石,这是中国南极考察队第一次收获的南极陨石。当时,考察队员根据各南极陨石的富集规律,格罗夫山冰原岛峰的地理地貌特征,以及与南极已知陨石富集区大和山的详细对比,大胆提出格罗夫山地区是一个新的南极陨石富集区的假说。以后的4次格罗夫山地区考察,考察队果然先后寻找并回收到11452块陨石,使我国一跃成为世界第三大陨石样品拥有国。今年我国又派出第6次格罗夫山考察队,可以预见我国的南极陨石拥有量将会有新的大幅度增长。通过对大量格罗夫山陨石的基础分类工作,发现了许多特殊类型陨石,其中大部分是我国第一次收集到的陨石类型,包括火星陨石、灶神星陨石、橄辉无球粒陨石、石铁陨石,以及一些碳质球粒陨石等(见附录)。

    格罗夫山大量陨石的发现已成为我国南极科学考察的一大亮点,为我国陨石学和比较行星学的发展提供了重要的机遇,并为我国月球和深空探测战略工程的科学研究提供了有利的条件。

    实际上,绝大部分陨石形成于太阳系最初时的星云时期。那时,大量飞散于太阳周边的星云粉尘(前世代各种恒星演化晚期抛射出的气体凝聚形成,包括超新星爆炸后残留的较重元素及矿物微粒)和气体首先形成毫米-厘米大小的球状颗粒(球粒)、金属-硫化物团块,以及其他集合体。这些球粒、各种固态集合体,以及尘粒等在引力作用下,继续吸积增大变为公里一百公里大小的星子,其中运气特别好的保存下来成为小行星,而绝大部分通过低速碰撞聚集成类地行星(如水星、金星、地球、火星)和巨行星。由于碰撞的动能、吸积的势能,以及放射性同位素的衰变等转化为热能,星体的内部温度逐渐升高。星体越大,其内部温度越高,从而使行星和大的小行星内部物质发生熔融。较重金属在引力作用下下沉集中于行星核部,从而发生金属与硅酸盐的分异。那些保存下来的最原始的小星体,代表了太阳系形成过程中残留的“化石”,集中分布于火星与木星之间的小行星带。在46亿年的漫长历史中,有很少量小行星逃离到地球轨道附近,成为近地小行星,其中的极少数最终与地球相撞,成为了陨石。通过对这些“化石”的研究,可以揭示包括地球在内整个太阳系的形成和演化历史。当然,还有特别珍贵的一些陨石来自月球和火星,它们是小行星与地球或火星发生强烈撞击,将后者表面的岩石抛射出来而形成。

    研究陨石的第一步是进行基础性的岩石矿物学分析,划分其岩石类型、化学群,以及冲击变质程度和风化程度等。首先需要根据原始陨石形成之后是否经历过高温熔融阶段(小行星-行星阶段),而将其划分为未分异型和分异型两大类。显然,未分异型陨石更为原始,是构成地球、月球、火星等的“砖瓦”。球粒陨石如果受到高温加热,就成为分异型陨石。按照金属与硅酸盐含量的比例,分异型陨石被划分为铁陨石、石铁陨石和无球粒陨石。

    根据陨石的全岩化学组成、氧同位素组成,以及岩石矿物学特征等,我们进一步讲球粒陨石划分为不同的化学群,包括顽辉石球粒陨石的高铁(EH)和低铁(EL)群,普通球粒陨石的高铁(H)、低铁(L)和低铁低金属(LL)群,富170的R群;以及许多碳质球粒陨石化学群(CI、CM、CO、CV、CR、CH、CB、CK等)。它们代表了不同的小行星母体,形成于太阳星云不同的空间区域。铁陨石主要根据其尽享特征和微量元素的变化趋势划分为不同的化学群和结构类型,也分别来自不同小行星母体的核部。石铁陨石包括包括橄榄陨铁和中铁陨石二大类,前者可能代表小行星的金属核-硅酸盐幔边界的物质,后者可能来自灶神星陨石,它们还细分为各种岩石类型。还有一类无球粒陨石虽然经历了熔融作用,但金属与硅酸盐之间没有发生明显的分离,属于原始无球粒陨石。

    球粒陨石在其小行星母体中,还经历了不同程度的热变质作用和水蚀变,因此,在化学群分类的基础上,根据热变质和水蚀便的强弱将它们的岩石类型划分为1-6型,其中热变质的强度与水蚀变呈消长关系。岩石类型1-3为非平衡型(矿物化学组成没有达到平衡状态),且1-2型陨石往往是通过小行星之间的撞击抛射而离开母体,因此,普遍遭受程度不等的冲击变质改造,甚至发生局部熔融,并形成一系列高压-超高压矿物,据此将普通球粒陨石的冲击变质程度划分为S1-S6等级。此外,陨石的形成条件与地表有很大的差异,陨石降落地表之后即开始经受风化作用,随着时间的增加,其中的金属和硫化物逐渐被氧化,甚至硅酸盐矿物也产生水的蚀变,据此将其风化程度划分为W0-W6等级。

    总之,陨石是除了美国和前苏联登月取回的月球岩石样品以外,是人类唯一能获得的宇宙深空的岩石样品。开展陨石研究,可以使我们对于太阳系的形成演化,对太阳系外的物质组成等一系列重大基础科学问题有直接的了解,为更加深入理解宇宙的本质提供了宝贵的科学资源。

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