陨石是什么?关于陨石的详细介绍

创闻科学2020-11-17 13:20:50

传统意义上,陨石被定义为穿过地球大气层后燃烧未尽的星际固体物质。然而随着返回地球的人造固体物体(如空间站、火箭和航天飞机等)的出现、以及在月岩样品和火星表面外来固体物质的发现(如火星表面发现的铁陨石),陨石的定义也相应地进行了扩展。目前陨石的定义不仅仅局限于在地球上发现的地外样品,如能在月球或其他天体上发现地球的岩石,也可被称为陨石。此外,由于很多天体缺乏大气,因此陨石的坠落与大气之间不存在必然联系,陨石不一定经历燃烧气化过程。

陨石名称的由来

德国物理学家和音乐学家克拉德(1756-1872,全名Ernst Florens Friedrich Chladni,译为恩斯特·弗洛伦斯·弗里德里希·克拉德)于1794年写了一本63页题为《Über den Ursprung der von Pallasgefundenen und anderer ihr ähnlicher Eisenmassen, und übereinige damit in Verbindungen stehende Naturerscheinungen》的书籍(英文译文:On the Origin of the Massof Iron found by Pallas and of other similar Ironmasses, and on a Few Natural Phenomena Connected Therewith;中文译为:关于Pallas陨石中的金属铁和与之相似的铁块成因研究及其相关的自然现象),这本书翻开了陨石研究的序幕。在该书中,克拉德对18次陨石降落事件进行了系统的报告和分析,包括最早从公元56年意大利南部Lucania地区的铁陨石降落事件,到1785年德国巴伐利亚州Eichistädt市的石陨石降落事件,并首次使用了“meteorische Stein-und Eisenmasses”(英译:meteoritic stone and ironmasses),陨石(meteorites)的名称也由此得来。此外,该文章首次提出地球上发现的一些岩石和铁块是地外来源的假说,陨石的定义也随之建立,即陨石是穿过地球大气并落在地表的地外固体物质。

尽管克拉德提出的陨石为地外来源的假说未能被当时的科学家接受,但因他在陨石方面开创性的工作,克拉德也被后来学者称为“陨石学的奠基人“(FounderofMeteoritics)之一[2]。

陨石定义的拓展

陨石是来源于星际物体的自然固体物质,大小在10微米以上。陨石是通过自然方式从源区天体传送到不受该天体引力影响的区域,并与比它大的天然或人造物体碰撞形成。只要星际固体物质中的原始矿物或结构等遗迹能被识别,风化和其他次生过程并不影响把它们界定为陨石。如果一些星际固体物质被合并到更大的主体岩石中,把它们和主体岩石作为一个整体则可被称为陨石,而合并的这些星际固体物质原则不再单独称为陨石。

陨石的鉴别

由于陨石很稀少,很多人本着物以稀为贵的太多,愿意收藏陨石。因此,鉴定一块样品是否为陨石,就变得额很重要。一般来说,鉴别一块岩石是否为陨石,可以从以下特征来判断:

1.外表熔壳:陨石在陨落地面以前要穿越稠密的大气层,陨石在降落过程中与大气发生磨擦产生高温,使其表面发生熔融而形成一层薄薄的熔壳。因此,新降落的陨石表面都有一层黑色的熔壳,厚度约为1毫米。当陨石在地表存在较长时间后,其熔壳易被风化而消失掉。

2.表面气印:由于陨石与大气流之间的相互作用,陨石表面还会留下许多气印,就象手指按下的手印。

3.内部金属:铁陨石和石铁陨石内部是有金属铁组成,这些铁的镍含量很高(5-10%)。球粒陨石内部也有金属颗粒,在新鲜断裂面上能看到细小的金属颗粒。

4.磁性:各类陨石因含有铁镍金属而具强度不等的磁性,约有95%的陨石都能被磁铁吸住。经风化的陨石没有磁性。

5.球粒:大部分陨石是球粒陨石(占总数的90%),这些陨石中有大量毫米大小的硅酸盐球体,称作球粒。在球粒陨石的新鲜断裂面上能看到圆形的球粒。

6.比重:由于陨石中通常含有铁镍金属,因此比重远远大于地球上一般的岩石。铁陨石的比重为8g/cm3,球粒陨石由于含有少量金属,其比重也较重。但是,需要注意的是,部分的石质陨石(如碳质球粒陨石等)因不含或金属含量极低,其密度与一般地球岩石相似。

7. 条痕:石陨石在无釉瓷板上摩擦一般没有条痕或仅有浅灰色条痕,而铁矿石的条痕则是黑色或棕红色,以此加以区别。

陨石分类

陨石分类,顾名思义,就是按照一定的分类标准把陨石样品进行类型的划分。它是一项基础工作,是开展陨石其它深入研究的前提。

200多年来,根据陨石的化学成分、矿物成分和结构构造等特征,学者提出了多种陨石的分类方案,具体见[14]。现今的分类体系中,主要是根据陨石的全岩组成和结构,将其分为球粒陨石(Chondrites)和非球粒陨石(Non-chondritic meteorites)两大类。非球粒陨石(Non-chondritic meteorites)可进一步划分为无球粒陨石(Achondrites),石铁陨石(Stony irons)和铁陨石(Iron meteorites)(图1。无球粒陨石中,根据小行星无球粒陨石遭受到的熔融程度和熔体提取程度,可以划分为原始无球粒陨石和岩浆分异型无球粒陨石)。国际上认可的陨石命名及其分类信息可通过陨石公告数据库(Meteoritical Bulletin Database)进行查询。

球粒陨石

球粒陨石名字的由来源自该类陨石中常含有“球粒”这一重要组分。球粒陨石主要由四种部分组成,包括球粒、Fe-Ni金属-硫化物、难熔包体(即富钙铝包裹体CAIs和蠕虫状橄榄石集合体AOAs))以及细粒的基质。在球粒陨石中,这些组分呈机械堆积状,类似于太空“沉积岩”。这些组分形成于太阳星云演化的不同过程和不同事件,因而包含了太阳星云演化的各种信息。

尽管绝大多数球粒陨石在其母体小行星经历了热变质作用和冲击变质作用,但产生的热量并未达到熔融温度,母体不会发生熔融分异。因此,球粒陨石也被称为未分异型陨石。球粒陨石很大程度保留了太阳星云原始的物理和化学过程信息,而破解这一信息就成了球粒陨石相关研究的主要目的。

球粒陨石的主要分类依据是总体化学组分、总体氧同位素组成、总的氮和碳丰度及其同位素组成和氧化态,具体详见综述[15]。根据化学成分及岩石学特点,球粒陨石可划分为普通球粒陨石(Ordinary Chondrites)、碳质球粒陨石(Carbonaceous Chondrites、顽火辉石球粒陨石(Enstatitechondrites)3个大类,以及近年来新发现的R群和K群球粒陨石。再根据全岩的化学成分、氧同位素组成以及岩石矿物学特征,碳质球粒陨石、普通球粒陨石和顽火辉石球粒陨石可进一步划分为不同的化学群(图3),球粒陨石的平均岩石学组成见表1。同一化学群的陨石具有相似的起源或形成历史,可能来自同一小行星或行星体。另外,目前还发现其它一些球粒陨石在矿物学和/或化学上是独特的,无法归入现有的球粒陨石化学群,这些通常被称为未分群的球粒陨石(Ungroupedchondrites)。

非球粒陨石质陨石

当母体小行星有足够的热量供给(主要通过短寿期放射性核素26Al衰变生热),陨石母体发生高温熔融分异作用,那么原始的球粒结构就会消失,形成非球粒陨石(Non-chondritic meteorites)。与未分异型陨石相对应,经历熔融分异作用的非球粒陨石被称为分异型陨石。非球粒陨石没有球粒陨石的结构,是球粒陨石经高温熔融分异和结晶的产物,代表了小行星内部不同深度的样品,见下图。这些小行星的内部结构与地球相似,具有核幔壳三层结构,中心为铁核(铁陨石),中间为石铁混合幔层(石铁陨石),外部是以石质为主的壳层(无球粒陨石)。

(1)铁陨石

铁陨石为铁镍合金,铁镍相包括铁纹石(体心立方结构,α相,~5%的Ni)和镍纹石(面心立方结构,γ相,~20-50%的Ni)。铁陨石用酸刻蚀时可见定向铁纹石的维氏台登结构,这是由冷却过程的镍纹石出溶形成。铁陨石的进一步分类主要根据结构特征或者微量元素Ni、Ga和Ge等元素的含量。

(2)石铁陨石

石铁陨石在自然界很少,不足1%。这类陨石中的硅酸盐含量和铁镍合金含量大致相同,可以看作是无球粒陨石和铁陨石的中间类型。石铁陨石包括橄榄陨铁(Pallasite)和中铁陨石(Mesosidersite),其中橄榄陨铁较常见。

(3)无球粒陨石

无球粒陨石的矿物成分和结构构造与地球岩石相似,它们不含球粒,也没有金属相。无球粒陨石相当于陨石母体中Fe和Ni聚集在母体中心之后剩下的硅酸盐部分。无球粒陨石包含原始无球粒陨石、灶神星陨石、月球陨石、火星陨石等。

陨石坑

地球上已发现的撞击陨石坑超过120个,大部分是2亿年以内形成的。一般来说,更大的更老一些。一个靠加拿大安大略省萨德伯里的陨石坑,其直径有145千米。它大约有18亿岁了。另一个唯一与它一样年纪的陨石坑是在南非的费里德堡。

加拿大拥有地球上残存的大部分的陨石坑,尽管只有一个是老的。在魁北克的马尼夸根湖的一个陨石坑大约有2.1亿年的历史,它注满了雨水,已经形成了一个直径74千米的湖,造成这个湖的陨石的直径应该将近3千米。

地球上现存的最大的陨石坑来自于太阳系历史中较近的时期。在亚利桑那州沙漠中的巴林格尔陨石坑是大约在3万年以前由一个铁陨星撞击形成的。据估算,铁陨星的直径为60米,质量超过100万吨。

世界上没有爆炸的最大的陨石比起形成一些最大陨石坑的古老天体来要小得多。在非洲西南部纳米比亚的霍巴西部陨铁有60吨重,体积为2.75米×2.75米×1米。这可能是几千年前落至地球的,但是没有留下陨石坑。惟一合乎逻辑的解释是它以一个很小的角度接近地球,导致它的速度比通常的情况要小很多。已知的第二大陨石重30吨,像最重的十大陨石一样,主要是由铁组成的。阿赫尼格亥托陨石或特恩特陨石于约1万年前坠入格陵兰的约克角。这最终成为约克角上爱斯基摩人的奇物,他们用陨石碎片制作鱼叉的金属头。

每年落到地球上的陨石物质使地球增重大约1万吨,大多陨石物质不比沙粒大。大到足以产生“火球”的陨石是很稀有的。全世界的民间传说都充满着“轰隆隆的雷石”的故事以及其他奇妙的自然现象。一些重大的陨石坠落事件都有记载,尽管直到19世纪人们才普遍相信陨石来自地球大气圈之外。

陨石的科研价值

古生物灭绝

科学家认为约于6600万年前落入地球的巨大陨星导致了地球上许多动植物(例如恐龙)的灭绝。全世界那个年代的土中不同寻常地富含铱(Ir)元素。这种物质在地球上很稀有,但在陨石中含量丰富,所以粘土中的铱被认为是这次巨大的陨星撞击释放出来的。

巨大的陨星能以许多方式导致物种的灭绝。如果它落入海洋,会导致海啸,巨大的潮汐海浪高达100米。一些研究表明海洋冲积层与在此时的巨浪的通过是一致的。

撞击同样能把大量的物质抛送入大气层。这会阻拦太阳的光线,有碍植物的生长,进而影响以植物为生的动物。

科学家知道那时有70%的生物绝种。白垩纪和第三纪交界时期同样发现了大范围的煤灰化石,有强烈冲击特征的矿物颗粒以及熔融岩石的小球体。巨大的陨石可以造出40千米深的陨石坑,这个深度足以穿透海洋或大陆的地壳层,导致大量的火山喷发。

不论是加拿大的萨德伯里陨石坑,还是南非的费里德堡陨石坑,有证据表明都曾引起火山喷发。大规模的火山活动能直接导致许多物种的灭绝。大范围的火山喷发会增加大气层中的灰尘,首先使一段时期的气候持续变冷,然后逐渐导致相应的全球破坏性气候变暖,最后是致命的酸雨。

晚期月球表面陨石密集撞击

陨石掉落在月球的表明,形成了大量的环形构造。这里涉及到一个很重要的行星概念,请参看晚期月表陨石密集撞击。

晚期薄层增生

陨石降落到地球上,可能为地球带来了大量的贵金属。请参看晚期薄层增生。