普通球粒陨石

普通球粒陨石（英文名：Ordinary Chondrites ），是一种未分异型、具有球粒结构的陨石，由 橄榄石 、低钙 辉石 、 培长石 、 锥纹石 、 陨硫铁 等矿物组成。普通球粒 石陨石 是数量最多、最常见的陨石类型，约占陨石总数的90%以上，由此得名。普通球粒陨石类型一般采用 化学 群和岩石类型表示，比如H4型代表化学群为H群，岩石类型为4型的普通球粒陨石。

陨石诞生于 太阳系 早期，约有45亿年历史。 球粒陨石 是太阳系内最原始的物质，是从原始 太阳星云 中直接凝聚出来的产物，它们的平均 化学 成分代表了太阳系的化学组分，其特点是内部含有大量毫米到亚毫米大小的 硅酸盐 球体。 根据化学成分和铁-镍含量，普通球粒陨石可以划分为H（高的总铁）、L（低的总铁）及LL（低的总铁，低金属）化学群，它们可根据普通球粒陨石的总体化学、 同位素 组成、球粒大小及 氧化数 相区别。在普通球粒陨石中H、L及LL分别占42.8%、47.4%和9.8%，其中 南极洲 格罗夫山 陨石群中L群占比达64.2% 。 普通球粒陨石主要分类参数包括 橄榄石 Fa摩尔分数（H群17.3%-20.2%）和氧同位素组成（Δ 17 O值）。 随着陨石母体热变质程度由低向高变化，普通球粒陨石的岩石类型由3型向6型过渡，其对应岩石矿物学特征发生系列性变化，如球粒结构逐渐模糊以至消失、基质重结晶程度增高、球粒中玻璃发生脱玻化、化学成分发生均一化等。

普通球粒陨石形成于早期 太阳星云 ，对研究早期太阳星云演化具有重要意义。 小行星3789 南极科考发现的GRV 022115陨石 显示 辉石 分解成因的纳米级单质金属铁，揭示其母体 小行星 遭受过20-23GPa的高压冲击。 此外， 俄罗斯 车里雅宾斯克 陨石被归类为LL5型 。

名字由来

普通球粒 石陨石 是数量最多、最常见的陨石类型，约占陨石总数的90%以上，并由此得名。

陨石构成

陨石诞生于 太阳系 早期，约有45亿年历史。 球粒陨石 是太阳系内最原始的物质，是从原始 太阳星云 中直接凝聚出来的产物，它们的平均 化学 成分代表了太阳系的化学组分，其特点是其内部含有大量毫米到亚毫米大小的 硅酸盐 球体。

普通 球粒陨石 依据其总铁含量将其划分为H（高的总铁）、L（低的总铁）及LL（低的总铁，低金属） 化学 群，它们可根据普通球粒陨石的总体化学、 同位素 组成、球粒大小及 氧化数 相区别。在普通球粒陨石中H、L及LL分别占42.8%、47.4%和9.8%，其中有三分之二的L群球粒陨石受到强烈的冲击作用，由于H、L和LL球粒陨石的球粒相似，表明具有共同的源区。对中国653块 南极洲 格罗夫山 普通球粒 石陨石 分类结果的统计表明，H、L、LL分别占31.7%、64.2%和4.1%，其中有26%的 L球粒陨石 受到强烈的冲击（S4-6），L球粒陨石在数量上约为 H球粒陨石 的两倍，而LL球粒陨石稀少，其他南极地区收集的陨石中，H球粒陨石多于L球粒陨石，相比之下显示出格罗夫山陨石富集区与其他 南极陨石 富集区的差异。此外，除H、L、LL 化学 群外，新近发现有低FeO的普通 球粒陨石 ，即有少量普通球粒陨石，在 硅酸盐 内含有异常低的FeO，并将这些球粒陨石称为还原的普通球粒陨石（Burnwell，LAP04757，EET96031），其中Burnwell为H群球粒陨石，平均Fa摩尔分数为15.8%，低于H群球粒陨石（17.3%~20.2%），且总铁的丰度又不能与 H球粒陨石 相区别，应属于普通球粒陨石族，因硅酸盐中低的FeO是靠增高铁金属的丰度来平衡。

化学组成

按E（ 顽火辉石 球粒陨石 ）-C（ 碳质球粒陨石 ）-H-L-LL顺序，斜方辉石（Fs）及 橄榄石 （Fa）系统增高的同时，金属铁减少，金属相中的镍浓度增高，随着铁摩尔分数的增高，金属铁含量降低，LL群含有少许铁，镍含量最高。对普通球粒陨石而论，H-L-LL顺序，FeO含量增高，金属铁含量降低。根据 球粒陨石 全岩化学全分析结果（总Fe和FeO含量）及Fe、Co、Ni的含量可初步判断球粒陨石的化学群。

陨石特征

陨石氧同位素

普遍认为球粒是内 太阳星云 的主要固体组分。表为平衡型普通球粒陨石常规的分类参数，包括平衡普通球粒陨石的平均球粒表观直径、 橄榄石 的Fa（%）值及金属相Ni和Co的含量；普通球粒陨石的 氧化数 （平均橄榄石Fa为代表）和氧同位素组成（Δ 17 O为代表）是不均匀的，由于橄榄石中Mg和Fe的扩散较快，故平均橄榄石Fa含量可用以判定岩石的总体氧化态；Δ 17 O值（相对于 地球 分馏 线的 17 O/ 16 O的偏差，以公式Δ 17 O=δ 17 O－0.52×δ 18 O表示）用以测定普通球粒陨石全岩的氧 同位素 组成，δ 17 O和δ 18 O的值是相对于标准的平均海水（SMOW）的氧同位素组成。普通 球粒陨石 族（H、L、LL）在球粒大小、氧同位素组成、 氧化数 及亲铁/亲石元素比值等性质方面发生系统的变化，它们很可能在邻近R群球粒陨石的部位形成，但相对于OC（H0.73‰，L1.08‰，LL1.26‰），R群球粒陨石具有高的Δ 17 O值（约2.9‰），其形成部位应稍远于OC球粒陨石。这些主要的分类参数有助于划分平衡普通球粒陨石的 化学 岩石类型。此外，每一普通球粒 石陨石 群的单个陨石中平均 橄榄石 Fa摩尔分数变化约为3%~6%；总的Δ 17 O变化约为0.3‰~0.5‰，表明它们具有宽的 小行星 尺度（约100km的量级）和不均匀性。

陨石结构

普通球粒陨石由橄榄石、低钙 辉石 、 斜长石 、 铁纹石 、 陨硫铁 等矿物组成的，具有球粒结构的陨石。是一种未分异型陨石。

不同 球粒陨石 群中球粒的平均大小、球粒结构类型、复合球粒、带火成边球粒及含 硫化物 球粒的比例是不同的，不同球粒陨石群球粒的氧 同位素 组成表明，球粒可能是在不同的日心距离和不同时间形成的。为阐明球粒的形成环境，Rubinf研究了球粒和球粒陨石中的 物理性质 和 岩石学 性质的相互关系，在研究不同球粒陨石群球粒大小和球粒结构的基础上，发现CV、CK、CR球粒陨石平均球粒直径大，分别为910um、870um及700um,放射状 辉石 球粒（RP）+隐晶质球粒（C）、包封复合球粒（enveloping 化合物 chondrule）、厚的火成边球粒的比例高，含 硫化物 的类-I（低FeO）球粒的比例较低。与此相反，CM、CO、OC、R、EH、EL 球粒陨石 的平均球粒直径较小（150~570μm），与前者（CV、CK、CR）相比，较小平均球粒大小的球粒陨石群（CM、CO、OC、R、EH、EL）具较高比例的放射状辉石+隐晶质球粒丰度，低的包封复合球粒丰度及低比例的火成边球粒丰度和高比例的含硫化物类型I球粒丰度。

平衡的CK球粒陨石的 斜长石 Na的含量较低；平衡的OC（普通球粒陨石）、R、EH及EL球粒陨石 培长石 的Na含量高（图1），平衡型普通球粒陨石斜长石的组成（An值）为：H12.3、L10.2、LL10.5，而EH的An值为1.5,相应的Na/Mg值也较高，H为0.90、L为0.93、LL为0.91,而非平衡的CM及CO分别为0.69和0.56,CV、CR和CK分别为0.45、0.46及0.43[17-18]，CK 球粒陨石 则由于在冲击事件中发生熔融和再结晶作用， 斜长石 的平均An值为46；包封的复合球粒和带火成边的球粒是在球粒合并进入尘粒球（dustball）之后重新熔融形成的，环绕尘粒球粒后的多次重新熔融导致产生大的球粒，RP和C球粒由其初始物质集合体完全熔融形成，如它们环绕有尘粒，由于小的尘粒与熔体混合，并可提供正在结晶的斑晶核，则有利于产生斑状球粒。这些球粒 物理性质 中的相关性认为，大球粒的球粒陨石群，曾经环绕有厚的富尘粒幔（形成于满布尘粒的 星云 环境），由于热不能快速向外辐射，导致尘粒幔更加缓慢冷却， 硫化物 向球粒表面迁移，使硫化物发生广泛的蒸发，与此同时，球粒中的Na丢失，因此，平衡的CK球粒陨石显示Na的亏损。

球粒陨石的冲击变质效应

石陨石 母体演化历史中冲击事件起着重要的作用，它压实和石化尘粒，并形成陨石；产生冲击矿物；母体上陨石矿物的冲击黑化；转变其母体为 砾石 ，其中一些进入 地球 ，即陨石。平衡型普通球粒陨石中除 橄榄石 、 培长石 、斜方 辉石 及Ca-辉石的冲击效应外，岩相学的冲击 指示剂 包括 铬铁矿 细叶脉、铬铁矿-斜长石集合体、多晶 陨硫铁 、金属Cu、金属Fe-Ni内不规则状的陨硫铁颗粒、快速固化的金属- 硫化物 共生、马氏铁及不同类型的合纹石、金属-硫化物脉、大的金属及/或硫化物 团块 、 硅酸盐 熔融脉、硅酸盐黑化、低Ca斜辉石、硅酸盐熔融池及大的硅酸盐熔融区。有一些指示剂在类型4-6的普通球粒陨石中已获证实，即碰撞事件引起平衡型普通球粒陨石达到S3-6的冲击阶段，表明有许多普通球粒陨石可能经受了多期次的冲击和退火作用。因为 39 Ar- 40 Ar年代学资料表明，MIL99301（LL6,S1）约在4.26Ga以前退火，推测为其主要的 撞击事件 ，另一些可能在4.44~4.45Ga以前退火，撞击引起的退火作用对普通球粒陨石的热变质作用有重大的贡献。此外，局部冲击加热导致形成冲击脉、熔融池、金属- 硫化物 混合物 、晶簇（vugs）、粘合集块岩（agglutinates）及各种熔融-岩石碎屑。普通球粒陨石的平均冲击阶段从类型3-6系统增高。如果 小行星 是因碰撞而加热，则可认为在岩石类型与冲击阶段之间有正相关关系。

关于冲击加热普通球粒陨石的热源问题，光谱反射率的研究认为，有一半多大的小 行星 分布在2.8个天文单位（AU）内，并属于火成或变质的小行星，长寿命放射性 核素 40 K、 232 Th、 235 U、 238 U可使半径大于或等于1500km的行星大小物体熔融；对于 球粒陨石 质小行星物体，由于其高的表面/体积比致使快速散热。近年来有两种小行星加热机制引起许多学者讨论，即短寿命核素 26 Al（t 1/2 =0.72Ma）及 60 Fe（t 1/2 =1.5Ma）及在早期T金牛相原 太阳风 内的 电磁感应 ，但这两种机制存在相当大的问题，在普通球粒陨石的各种球粒和碎屑中未发现有 26 Mg过剩，这些物体（球粒陨石凝聚）有可能是在 26 Al衰变逃逸后形成的，因为AI在球粒陨石质物质和分异的 小行星 内的分布是均匀的，由 26 AI衰变加热应是相同的，这与 玄武岩 质 无球粒陨石 及中铁陨石 岩石学 和 化学 的多样性是不一致的。因此， 20 AI集中在分异小行星的部分熔体内，并迅速迁移到表面（小于1个半衰期内），排除了 20 AI的进一步加热，既然对上述加热机制有所怀疑，大的小行星内有关碰撞加热的机制应予以重视。

石陨石 冲击的直接证据：

（1）冲击黑化，即冲击后变为灰色到黑色，并形成亚微米级的金属颗粒；陨石内通过陨石物质熔体，使不透明物质重新分布；受冲击加热的岩石，大多破裂退火，留下几微米的小金属颗粒。

（2）冲击阶段，测定冲击波通过岩石后矿物 晶体 受破坏的程度，划分冲击阶段的标准包括：矿物晶体的光学 消光 ，当 晶体结构 发生错位和破坏时，出现波状消光； 橄榄石 破裂；形成熔池和不透明冲击脉；冲击产生 熔长石 及固态再结晶作用。

（3）破裂和轨道演化的 宇宙 射线 暴露年龄：高能宇宙射线可穿透几十厘米的岩石，并产生不同的蜕变产物和中等短寿命的 放射性同位素 ，并衰变为稳定的子体同位素，表明其曾暴露于宇宙空间环境，通过一对放射性同位素及其子体相对丰度的比较，并假设宇宙射线通量的产率，就可计算物质暴露于宇宙射线的时间。如约45%的 H球粒陨石 的宇宙射线暴露年龄约7Ma,表明在7Ma以前有一次碰撞事件；6Hebe 小行星 可能是H球粒陨石的母体，Flora区（ 半长轴 a=2.5AU）为L L球粒陨石 的源区，L球粒陨石的小行星源区（半长轴a=2.8AU）,虽然与H及LL球粒陨石形成相关，但由于 动力学 作用使小行星轨道有相当大的改变，有三分之二的L球粒陨石受到重的冲击，其 39 Ar- 40 Ar年龄近于470Ma，认为它们约在470Ma以前受到一次主要的冲击，使之破裂（1~15km小行星碎块-Gefion族，约造成5个 地球 陨石坑），测得慢的冷却 速率 ，意味着原始母体大于或等于100km，很明显，冲击时标与 瑞典 南部的Mid-Ordovician 地层 年龄（（467土2）Ma）一致，并在 球粒陨石 的 铬铁矿 颗粒和 石灰岩 中有铱的富集，记录了大的主带 小行星 同次灾变破裂事件，至少约有30%的 L球粒陨石 降落到地球。

（4） 石陨石 和小行星密度可作为小行星碰撞历史的 指示剂 ：灾变冲击事件可留下它们的印迹，普通球粒陨石类似S-型小行星，密度约3.5g/cm³，孔隙度为7%~11%；暗色碳质物质类似于暗色C型小行星，其密度变化范围比普通球粒陨石大，CI和CM为2.5g/cm 3 ，而CR为3.5g/cm 3 。

辅助分类参数

普通球粒陨石的可见及近红外光谱

由于 橄榄石 和 辉石 显示1μm或2μm的强 吸收带 ，直接比较陨石与 小行星 之间光谱带参数（带Ⅰ和Ⅱ中心，带的面积比），橄榄石的主要诊断特征为约在1um复合吸收带特征，并由3个不同吸收带组成，复合1um带为占据M1和M2结晶位置归因于Fe 2+ 电子跃迁，当 氧化铁 含量增加向较长波长运移；辉石在约1um和2um处有两个吸收带，与Fe 2+ 晶体 场跃迁有关，并优先占据 M2 的位置；低-钙辉石定义为小于11% casio3 （Wo），吸收带位置与组成之间有紧密联系，当带I和带IⅡ位置随 硫酸亚铁 含量增加而增高；高-钙 辉石 在组成与带的位置之间也有相关关系，源于可见/近红外光谱（VIS/NIR）的矿物组成和丰度可用以 小行星 分类、鉴定 石陨石 母体及了解 小行星带 的结构。Dunn et al.用48个含斜方辉石、 单斜辉石 和 橄榄石 平衡4-6型普通球粒陨石建立了光谱与矿物学之间新的联系，并校正VIS/NIR光谱鉴定橄榄石/橄榄石+辉石（ol/ol+px）丰度的比值及铁镁 硅酸盐 组成（Fa,Fs），这些校正证明当带I中心受到铁镁硅酸盐组成控制时，带区比（band 面积 ratios,BAR）受矿物丰度的控制，源自光谱的矿物学参数，约有80%可正确划分H、L、LL 球粒陨石 ，并可应用于普通球粒 陨石 矿物学的S（IV） 小行星 ，用这些矿物学参数进行小行星和陨石的比较和依据铁镁质硅酸盐组成有利于划分H、L、LL 化学 群，藉此可作为划分普通球粒 石陨石 化学群的参考。

平衡型普通球粒陨石的X射线衍射分类

由于平衡型普通球粒陨石的H、L、LL之间 橄榄石 组成不同（HFa 16-20 ；L Fa 22-26 ；LL Fa 27-32 ），合成和天然橄榄石X射线衍射（XRD）研究发现，橄榄石的晶胞参数与化学组成有较明显的相关关系。因此，X射线衍射可作为平衡型普通球粒陨石分类的工具（PW 3040X-Diffrctor及Co Ka辐照）。扫描设置：每0.02度0角分别为0.5s、5s、30s及45.05s,为区分普通 球粒陨石 化学 群和评估橄榄石Fa的含量，扫描时间应足够长（>5s/°,30s/°）,主要分析H、L、LL群中橄榄石的d13o及d3o2的结晶面，即测定橄榄石的d130晶面间距，并作为球粒陨石中橄榄石组成的 指示剂 。

普通球粒陨石中云雾状镍纹石分类

普通球粒陨石的热和撞击历史可提供 小行星 演化历史的重要信息、Scot et al.测定了 H球粒陨石 内云雾镍纹石（cloudy taenite）中的高Ni粒子，这些粒子是由镍纹石的旋节线分解（spinal decomposition）或亚稳界线形成的，并因扩散生长而变粗。因此，其大小反映了在600~700K的冷却 速率 ，且与5个 铁陨石 群和石-铁陨石的金相冷却速率呈反相关关系。云雾状镍纹石的研究也提供镍纹石组成的冲击加热效应，因云雾状镍纹石由纳米级尺度的Fe-Ni的 扩散作用 所改造。研究结果表明，金相冷却速率可制约 H球粒陨石 的热历史；在600~900K的冷却速率主要与岩石类型相关（H6<H5<H4）。

还原型普通球粒陨石

H、L、LL 球粒陨石 的总体 化学 和 同位素 组成、球粒大小及 氧化数 各不相同，每群球粒陨石，在其 吸积 作用之前就加入于 太阳星云 或星云组分内。但有一些普通球粒陨石不属于其中任何一类的球粒陨石群，如有少量普通球粒陨石（Burnwell、LAP 04757、EET96031）的 硅酸盐 具异乎寻常低的FeO，称之为还原的普通球粒陨石。Burunwell的球粒大小和总体组成与 H球粒陨石 相似，不同的是硅酸盐的FeO含量低一些（摩尔分数15.8%），其总Fe丰度与H球粒陨石没有区别。因此，硅酸盐中低的FeO与Femetal丰度的增加是平衡的。

科学研究

铁是组成内 太阳系 行星 、 卫星 、 小行星 等固态 天体 的主要元素，其价态包括 Fe 0 ，Fe 2+ 以及Fe 3+ 。 类地行星 中的大部分铁元素是以Fe 2+ 形式赋存于 橄榄石 、 辉石 等常见造岩矿物中。由于Fe 2+ 在近红外波段的典型吸收特征，使其可以通过反射光谱 遥感 进行探测并以此推断行星体表层的矿物种类和含量。然而，返回的Apollo月壤以及Itokawa小行星表层样品的研究结果表明，成熟（长期暴露于行星体表面经受太空风化改造）的月壤及小行星表层土壤中存在大量太空风化成因的纳米级单质金属铁颗粒（np-Fe 0 ，Nanophase 铁 Particles）。这些纳米级单质金属铁颗粒的存在显著改变了月壤等的反射光谱特征，给普遍发育有风化层的月球等无大气 行星 体的光谱探测及数据解译造成了显著干扰。

相关研究结果表明，纳米金属铁主要形成于陨石、微陨石对月球等无大气行星体的轰击过程中。即高真空环境下，由陨石和微陨石轰击产生的瞬时高温，造成撞击靶体和撞击体的熔融、蒸发、 汽化 并分解形成 等离子体 ，Fe 2+ 随后被自由电子还原并沉积形成单质金属铁微粒。是否发生还原作用是区分np-Fe 0 与np-FeNi等其他纳米金属颗粒成因的重要依据。然而，通过进一步的陨石学研究结果表明，在大尺度的撞击作用中， 橄榄石 可以发生原位分解并还原形成纳米级单质金属铁（np-Fe 0 ）。这为人们重新理解与认识单质金属铁的成因提供了思路与参考。 太阳系 中存在数以万计的S型 小行星 （普通球粒陨石的母体），与其对应的新鲜普通球粒陨石样品相比，其反射光谱具有与月球相似的太空风化特征（图3c）。小行星形成于太阳系早期，在其形成及演化过程中同样经受过强烈撞击作用的改造，并在普通球粒陨石中保存了大量的冲击熔融脉以及特征高压矿物。

以这一思路为导向，中科院地化所月球与行星科学研究中心博士研究生郭壮与其导师李阳副研究员，通过与 威斯康星学院大学 麦迪逊徐惠芳教授、 南京大学星 谢志东教授等专家合作，在一块采自南极格罗夫山地区的普通球粒陨石（GRV 022115，岩石类型L6，冲击程度S5）的冲击熔融脉中发现了 辉石 分解成因的纳米级单质金属铁。

研究结果表明:在强烈冲击的低氧逸度高温条件下，辉石可以发生分解并产生纳米单质金属铁， 二氧化硅 以及气孔构造。依据该陨石中冲击产生的高压矿物组合（林伍德石，镁方铁矿，镁铁榴石）得出分解发生的条件为20-23GPa, ＞1800℃。同时在冲击后的快速淬火条件下，该样品很好的保留辉石的亚 稳态 相变 产生的高压斜 顽火辉石 ，为自然条件下辉石发生的复杂相变过程提供了样品支撑。普通球粒陨石GRV 022115中冲击还原成因纳米级单质金属铁及其相关产物的发现，证明了 辉石 分解这一新的单质金属铁成因机制。相关研究结果不仅深化了人们对普通球粒陨石的母体S型小 行星 表面太空 风化作用 的认识，还可扩展应用于其它相似条件的无大气行星体的研究之中。上述成果发表在国际 地球科学 期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。

价值意义

普通球粒陨石形成于早期 太阳星云 ，对研究早期太阳星云演化具有重要意义。