司加鑫，謝志東*，李 陽

1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京210023；

2.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所月球與行星科學(xué)研究中心，貴陽550081

1 引言

沖擊變質(zhì)作用由太陽系中不同小行星之間的超高速碰撞所致，是行星增生、演化以及隕石形成的一個(gè)重要地質(zhì)過程（Sharp and DeCarli,2006；謝志東等，2008；Sharp et al.,2019）。隕石沖擊變質(zhì)效應(yīng)包括角礫化、礦物形變、高壓礦物相變、擊變?nèi)廴诿}等，而沖擊導(dǎo)致的高壓礦物相變多形成于沖擊熔融脈的脈中及其周圍。

沖擊形成的局部熔融脈大多含有兩類巖相組：由熔融液相快速冷卻結(jié)晶而成的基質(zhì)部分和被混入熔融脈中的主巖碎塊包裹體。基質(zhì)部分常為納米級到微米級大小的硅酸鹽礦物微晶、玻璃基質(zhì)、鐵鎳固溶體以及金屬硫化物的組合相。主巖碎塊包裹體則是被沖擊熔融脈所包含的殘留、捕獲、混入的主巖碎塊。基質(zhì)和主巖碎塊包裹體中的礦物在極度沖擊壓縮和摩擦下，都經(jīng)歷了高溫高壓，產(chǎn)生了碎裂、相變、熔融、混合、分解、冷卻和凍結(jié)等一系列相變過程（謝志東等，2008）。

隕石中的高壓礦物具有極高的研究價(jià)值。熔融脈基質(zhì)中的高壓礦物相組合是界定沖擊壓力及持續(xù)時(shí)間的重要依據(jù)（Xie et al., 2006a, b; Sharp et al.,2015）。沖擊壓力可用于推測小行星母體的撞擊速度，撞擊的持續(xù)時(shí)間可用于推測撞擊體的大小，進(jìn)而可以了解早期太陽系的撞擊演化歷史。此外，隕石中高壓礦物的研究還可用于對比研究地球的地幔巖礦物，幾乎所有的地幔巖礦物的研究都與隕石中相應(yīng)的天然高壓礦物的發(fā)現(xiàn)有著密切的關(guān)系（Sharp and DeCarli,2006;Tomioka and Miyahara,2017）。

中國南極科學(xué)考察隊(duì)自1999 年開始在南極搜集隕石，目前已達(dá)12 665塊，總量居世界第三，其中近3178塊隕石在國家極地辦與南極隕石專家委員會的組織下，做了初步的分類工作（Miao et al.,2018）。其中，20%以上的普通球粒隕石含有沖擊熔融脈。本文所研究的隕石樣品GRV 022115便是其中擊變程度較高的一塊隕石，其沖擊熔融脈具有獨(dú)特的沖擊變質(zhì)特征。

本文主要通過微區(qū)微分析技術(shù)研究GRV 022115 球粒隕石的巖石學(xué)與礦物化學(xué)特征，進(jìn)行基礎(chǔ)礦物學(xué)分類研究，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究沖擊熔融脈中高壓礦物相變特征，對比和探討熔融脈內(nèi)脈外主要礦物的元素變化特征，結(jié)合隕石沖擊熔融脈的形成機(jī)制，界定熔融脈結(jié)晶壓力和隕石母體的沖擊條件。

2 樣品和實(shí)驗(yàn)方法

南極隕石GRV 022115是由中國第19次南極科學(xué)考察隊(duì)采集，采集時(shí)間為2003年1月20日，地點(diǎn)位于南極格羅夫山地區(qū)四號冰磧，經(jīng)緯度為75°18'38"E，72°46'45"S。該隕石重量為79.63 g，現(xiàn)保存于上海中國極地研究中心南極隕石標(biāo)本庫中（圖1）。

隕石的巖相學(xué)分析主要采用中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所月球與行星科學(xué)研究中心的雙束掃描電鏡，儀器型號為FEI Scios Dual Beam System。該儀器具有場發(fā)射掃描電子顯微鏡的高分辨觀察分析能力和聚焦離子束（FIB）的加工能力，同時(shí)，還有高分辨拼圖功能（MAPs 軟件），可將特定區(qū)域的背散射（BSE）掃描電鏡高分辨圖像進(jìn)行大面積自動拼接，形成信息量極大的BSE 圖像。利用自動拼圖的高分辨圖像（圖2a；圖3a）可從整體上觀察分析隕石主體及熔融脈特征，也可讀取拼接圖在任意點(diǎn)的高分辨圖像(圖2b, c)，線下進(jìn)行精細(xì)的圖像觀察分析。場發(fā)射掃描電鏡的參數(shù)為束流0.8～3.2 nA，加速電壓15 kV，掃描速度1000點(diǎn)/秒，取向測量精度優(yōu)于0.1 度（尚穎麗，2016）。部分掃描電鏡（SEM）工作在美國亞利桑那州立大學(xué)（ASU）完成。

圖1 館藏于中國極地研究中心的隕石GRV 022115照片F(xiàn)ig.1 The picture of meteorite GRV 022115 which is curated in Polar Research Institute of China

礦物定量化學(xué)成分分析主要使用電子探針獲得，該探針為桂林理工大學(xué)廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及隕石與行星科學(xué)研究中心的日本電子公司產(chǎn)JXA 8230電子探針，束流30 nA,束斑大小2～5 μm，加速電壓15 kV，檢出限0.01 wt%，使用ZAF 法校正，分析標(biāo)樣為天然及合成的硅酸鹽礦物和氧化物（尚穎麗等，2016）。

本文使用拉曼光譜分析進(jìn)行高壓礦物相的結(jié)構(gòu)鑒定，使用的儀器是北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的一臺HORIBA 公司的LabRAM HR Evolution 拉曼光譜儀。測試使用的條件為532 nm波段激光，束斑直徑約1 μm，光譜分辨率0.7 cm-1。另外通過南京大學(xué)內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的場發(fā)射透射電子顯微鏡（TEM）和選區(qū)電子衍射（SAED）進(jìn)行個(gè)別微米級礦物的微區(qū)成分和結(jié)構(gòu)分析。

3 結(jié)果

3.1 GRV 022115隕石整體特征

研究樣品是GRV 022115的薄片樣品，大小約1.5 cm×1.5 cm。反射光下可見許多高反射率的鐵鎳合金和金屬硫化物。它們在BSE 圖像中呈現(xiàn)為不規(guī)則狀高對比度的白色礦物顆粒（圖2a）。SEM圖像中，GRV 022115 中的硅酸鹽礦物對比度相對鐵鎳合金和FeS低許多，呈現(xiàn)亮灰色、淡灰色、和暗色，分別對應(yīng)橄欖石（亮灰色）、輝石（淡灰色）和熔長石（暗色）(圖2a)，各礦物相之間呈嵌晶結(jié)構(gòu)（圖2b），不規(guī)則狀鐵鎳金屬和FeS 散布于其中。

GRV 022115 中原有的球粒隕石的球粒結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常模糊，基本上很少看到，主巖中的球粒大多已無法辨認(rèn)（圖2a）。仔細(xì)搜尋可見少量的球粒（圖2c），其邊界已經(jīng)模糊，依然可見球粒結(jié)構(gòu)中的輝石、橄欖石條狀斑晶（條狀灰色）與長石條狀斑晶（條狀暗色）。

圖2 (a)隕石GRV022115切片整體的背散射電子圖像;(b)隕石原巖的嵌晶結(jié)構(gòu)；(c)主巖中殘余的隕石球粒Fig.2 (a)Back scattered electron(BSE)images of the whole thin section of the meteorite of GRV 022115；(b)Poikilitic texture of the host rock of the meteorite；(c)Residual chondrule in the host rock part

主要硅酸鹽礦物中，橄欖石和輝石多為不規(guī)則粒狀，依然具有清晰的晶體邊界，直徑約50～200 μm，橄欖石和輝石顆粒中裂隙發(fā)育并被白色脈體充填（圖2a，b），裂隙充填脈體多數(shù)為隕石隕落在地球之后的后期褐鐵礦風(fēng)化脈。長石多呈現(xiàn)不規(guī)則的半塑性和半流體的形態(tài)，為典型的熔長石形態(tài)。熔長石對聚焦電子束較為敏感，容易留下照射痕跡。

3.2 沖擊熔融脈特征

GRV 022115 球粒隕石薄片中有多條沖擊熔融脈（圖2a），熔融脈中含有微米級圓球狀或液滴狀鐵鎳金屬和隕硫鐵（FeS）的顆粒，與主巖中的不規(guī)則狀、粒徑較大的鐵鎳金屬和FeS 合金明顯不同，前者是從熔體中快速結(jié)晶的產(chǎn)物。圖2a中用紅線框出了較為明顯的熔融脈，既有條帶狀，也有熔池狀，寬度從幾十微米到幾毫米不等（圖2a）。

本文的主要研究對象是非常寬的一條沖擊熔融脈（圖3，即圖2a 中左上角的方框區(qū)域），其中含有大量主巖碎塊，其寬度從300 μm 到1.4 mm 不等，兩頭較寬，中間較細(xì)，長度約為6 mm。該沖擊熔融脈的兩個(gè)主要巖相組清晰可見（圖3）：熔融液相快速冷卻結(jié)晶而成的基質(zhì)部分（vein matrix）和被基質(zhì)包裹的主巖碎塊部分(host rock fragment)。掃描電鏡背散射圖像中可見大量微米級白色金屬或硫化物顆粒散布在熔融脈基質(zhì)中（圖3）。

本文主要采用激光拉曼光譜（圖4）的方法結(jié)合電子探針的成分?jǐn)?shù)據(jù)（表1）對熔融脈中的礦物進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定。圖4所示是熔融脈中部分礦物的拉曼光譜。熔融脈基質(zhì)中具有輝石成分的高壓礦物，其特征峰在597 cm-1和929 cm-1，具有明顯的鎂鐵榴石峰形（圖4;圖6a;Tayro et al.,2013）；基質(zhì)中另一種微米級礦物，可根據(jù)成分分析、背散射圖像形貌特征及透射電鏡電子衍射等數(shù)據(jù)判斷其為方鎂石（圖5；圖6a）。主巖碎塊包裹體中有兩種具有橄欖石成分的礦物，一種的特征峰在824 cm-1和856 cm-1，具明顯的橄欖石特征峰（Tayro et al., 2013）；而另一種特征峰在799 cm-1和844 cm-1，峰形類似，但明顯的向右偏移，是橄欖石的高壓相林伍德石的特征峰（圖4;圖6c）。主巖碎塊包裹體中個(gè)別具有輝石成分的礦物，其拉曼光譜特征峰在672 cm-1，顯示其為輝石的非晶質(zhì)玻璃態(tài)的特征峰（圖4;圖6d）。主巖碎塊包裹體中規(guī)則長石的拉曼峰是763 cm-1，是玲根石的特征峰（圖4;圖6f）。

在沖擊熔融脈中，主要的高壓礦物包括從基質(zhì)熔體中結(jié)晶的輝石高壓相鎂鐵榴石和鐵方鎂石（圖6a），及主巖碎塊中橄欖石、輝石、長石的固態(tài)相變高壓礦物。主巖碎塊包裹體，遍布于整條熔融脈中,大多具有明顯的高溫熔融的圓滑邊（圖3,圖6b-d），形狀大多為近圓形，大小不一，從幾十到幾百微米之間都有。既有多相集合體構(gòu)成的碎塊包裹體（圖3;圖6b,e,f），也有單礦物顆粒構(gòu)成的碎塊（圖6c,d）。主巖碎塊在熔融脈中經(jīng)受高溫高壓而發(fā)生固態(tài)相變，有不同程度的相變，可從沒有相變到部分相變（6c,d），到完全相變（6d）。

圖3 背散射圖像顯示沖擊熔融脈的結(jié)構(gòu)組成（對應(yīng)圖2a黃框區(qū)域）Fig.3 BSE image showing the texture of shock-induced melt vein(corresponding to the yellow box area in Fig.2a)

圖4 隕石GRV 022115中部分高壓相礦物的拉曼光譜Fig.4 The Raman spectra of some high-pressure minerals in meteorite GRV 022115

圖5 方鎂石（magnesiowüstite）的透射電鏡明場像與選區(qū)電子衍射花樣Fig.5 TEM bright field(BF)image and selected area electron diffraction(SAED)patter of magnesiowüstite(mw)

圖6 GRV 0221115球粒隕石沖擊熔融脈中各類包裹碎塊的掃描電鏡圖像Fig.6 SEM images of different fragments included in the shock-induced melt-vein of meteorite GRV022115

表1 沖擊熔融脈內(nèi)外礦物成分電子探針分析結(jié)果Table 1 The EMPA analysis of the minerals from the inside and outside of the shock-induced melt-vein

3.3 沖擊熔融脈內(nèi)高壓礦物相變特征

GRV 0221115球粒隕石沖擊熔融脈中具有非常典型的基質(zhì)高壓礦物相，也具有豐富和獨(dú)特的主巖碎塊固態(tài)相變特征。沖擊熔融脈中的基質(zhì)部分（圖6a）的主要礦物組成是微米級粒狀鎂鐵榴石（majorite）與微米級以下的方鎂石（magnesiowüstite)，以及微米級鐵鎳固溶體和金屬硫化物小球粒。鐵鎂榴石是輝石的高壓相，晶形較好，多為粒狀，方鎂石主要為不規(guī)則狀，充填于鎂鐵榴石間的縫隙之中?；|(zhì)中微米級硅酸鹽高壓礦物顆粒指示它們是在快速冷卻的熔體中結(jié)晶而成。熔融脈中的微米級鐵鎳固溶體與金屬硫化物小球粒也指示著快速冷卻的過程。

主巖碎塊包裹體中橄欖石的固態(tài)相變隨著顆粒直徑大小的不同呈現(xiàn)出不同程度的相變特征。直徑較小的橄欖石顆粒會發(fā)生全部相變，整個(gè)顆粒徹底轉(zhuǎn)變?yōu)榱治榈率▓D6c）。而直徑較大的橄欖石顆粒則發(fā)生部分相變，顆粒邊緣部分相變?yōu)榱治榈率行牟糠謩t依然保持為橄欖石結(jié)構(gòu)（圖6d），有的還會形成獨(dú)特的林伍德石(rw)環(huán)帶構(gòu)造（圖6c）

主巖碎塊中的輝石固態(tài)相變比較復(fù)雜。大型主巖碎塊包裹體中的輝石顆粒發(fā)生了玻璃質(zhì)化加納米鐵的相變，而個(gè)別小的單個(gè)輝石顆粒通過固態(tài)相變形成含有布里奇曼石的微晶集合體（圖6d）。電子探針和掃描電鏡成分分析顯示其成分依然保持為輝石成分，而拉曼光譜指示該顆粒含有布里奇曼石的特征峰。

主巖碎塊包裹體中的長石主要發(fā)生兩種固態(tài)相變，一種是玻璃相的隨形熔長石(Maskelynite)（圖4；圖6e）。在掃描電鏡觀察下，熔長石邊緣由于熔融變得光滑，形狀不規(guī)則，呈半塑性和半流體形態(tài)，多以填隙顆粒和脈狀體的形式產(chǎn)出。而另一種長石的固態(tài)相變是轉(zhuǎn)變?yōu)榱岣↙ingunite）（陳鳴, 2012；圖6f），具有玲根石的拉曼特征峰，在激光拉曼光譜的光斑照射下，林根石表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，容易留下光斑痕跡（圖6f）。

3.4 熔融脈內(nèi)外主要礦物成分分析及Na、Al、Ca元素相對含量對比

GRV 022115 球粒隕石中主要硅酸鹽礦物為橄欖石、輝石、長石，熔融脈中的主巖碎塊依然是此三類礦物的固態(tài)相變礦物。表1 匯總了GRV 022115 隕石中主巖橄欖石、輝石、長石及相對應(yīng)的主巖碎塊和熔融脈基質(zhì)鐵鎂榴石（具有輝石成分）的電子探針分析結(jié)果。探針點(diǎn)的數(shù)據(jù)主要包括脈內(nèi)主巖碎塊橄欖石（9個(gè)分析點(diǎn)）和脈外主巖橄欖石（37個(gè)）；脈內(nèi)具輝石成分的主巖碎塊（23個(gè)）、脈內(nèi)基質(zhì)中具輝石成分的鐵鎂榴石（3 個(gè)）和脈外主巖輝石（32個(gè)）；及脈內(nèi)主巖碎塊中的長石（17個(gè)）和脈外主巖長石（8個(gè)）。

熔融脈外的主巖橄欖石與輝石成分可以用來劃分GRV 022115 球粒隕石的化學(xué)群，在4.1 中有討論。另外，我們也關(guān)注熔融脈外的低壓礦物與脈內(nèi)高壓礦物的主量及微量元素變化，特別關(guān)注熔融脈內(nèi)外主要硅酸鹽礦物的Na、Al、Ca 元素相對含量的變化。

總體上，熔融脈外主巖橄欖石基本不含Na、Al、 Ca（0.01 wt%，0.02 wt%，0.04 wt%），而脈內(nèi)林伍德石碎塊含有較高的Na、Ca、Al 含量（0.04 wt%, 0.15 wt%，0.16 wt%）?？傮w上脈內(nèi)林伍德石比脈外的橄欖石含有較高的FeO 含量（26.94 wt%vs.22.32 wt%）。

熔融脈外主巖輝石的Na、Al、Ca（0.19 wt%,0.51 wt%，0.93 wt%）含量與脈內(nèi)輝石高壓相碎塊中的 Na、Al、Ca 含量 （1.54 wt%, 0.90 wt%，1.22 wt%）相比，也相對較低，而脈內(nèi)基質(zhì)中鎂鐵榴石的Na、Al、Ca含量（0.78 wt%, 2.21 wt%，1.50 wt%），明顯高于主巖輝石的Na、Al、Ca含量。

而熔融脈外的主巖長石Na、Al、Ca 含量（9.32 wt%,18.86 wt%，1.87 wt%）與脈內(nèi)主巖碎塊中的長石高壓相的Na、Al、Ca 含量（6.95 wt%,18.26 wt%, 3.86 wt%）相比，Al 含量基本保持不變，脈內(nèi)主巖碎塊中的長石有較低的Na 含量，較高的Ca含量。

4 討論

4.1 GRV 022115球粒隕石分類的基礎(chǔ)礦物學(xué)特征

普通球粒隕石分類的基礎(chǔ)礦物學(xué)工作包括化學(xué)群、巖石類型、分化級別、沖擊級別的劃分。

依據(jù)隕石主巖中橄欖石的Fa值和輝石的Fs值的范圍，可將普通球粒隕石分三個(gè)群：H群（總鐵含量高、鐵鎳金屬含量高）、L群（總鐵含量和鐵鎳金屬含量較低）、LL群（總鐵含量低、鐵鎳金屬含量低）（Van Schmus and Wood, 1967; Keil and Fredriksson, 1964）。這三個(gè)群的橄欖石的Fa 值（mol%）和低鈣輝石的Fs值（mol%）的平均成分范圍不同：H群：Fa16.9～20.4,Fs15.7～18.1；L群 ：Fa22.7～25.6, Fs18.7～22.6；LL 群： Fa27.5～30.2, Fs 23.2～25.7（Keil and Fredriksson, 1964; 劉偉, 2010；圖7c）。經(jīng)電子探針（EPMA）分析，測得37 個(gè)脈外主巖橄欖石的數(shù)據(jù)，32 個(gè)脈外主巖低鈣輝石的數(shù)據(jù)（表1）。該隕石主巖中橄欖石的的Fa 值為23.65（圖7a），低鈣輝石的Fs值為20.77（圖7b），根據(jù)圖7c 的投點(diǎn)，GRV 022115化學(xué)群類型為L群普通球粒隕石（圖7c）。

球粒隕石的巖石類型可分1～6型，代表水蝕變和熱變質(zhì)程度，從3 型到1 型，水蝕變程度增強(qiáng)；從3 型到6 型，熱變質(zhì)程度增加（Van Schmus and Wood,1967）。顯微鏡下，GRV022115中可識別的球粒不多，球粒輪廓非常不清晰，且球粒變形較嚴(yán)重，隕石中基質(zhì)幾乎不可見，都發(fā)生了高度重結(jié)晶，呈現(xiàn)較粗粒狀；次生長石晶體輪廓清晰，有些達(dá)到～50 μm（圖2）。EPMA 的37 個(gè)脈外橄欖石測點(diǎn)和32 個(gè)輝石測點(diǎn)的成分分析，該隕石主巖中橄欖石的Fa和低鈣輝石Fs的化學(xué)成分比較均一（圖7;表1），F(xiàn)eO 值的σ值分別為0.52 和1.05， 顯示化學(xué)成分均一，是6型隕石的特征，熱變質(zhì)程度高，元素?cái)U(kuò)散相對強(qiáng)，導(dǎo)致較為相對均一的Fa 值和Fs 值。根據(jù)上述特征，判斷GRV 022115的巖石類型為6型。

圖7 (a)隕石主巖橄欖石Fa值分布圖；(b)隕石主巖輝石Fs值分布圖；(c)隕石GRV 022115的化學(xué)群分類示意圖Fig.7 (a)The diagram of Fa value of the olivine in host rock of the meteorite；(b)The diagram of Fs value of the pyroxene in host rock of the meteorite;(c)The diagram of chemical classification for meteorite GRV 022115

風(fēng)化級別反映隕石在隕落地球后受地表風(fēng)化作用影響的程度，由低到高可分7 級，從W0 到W6（Wlotzka,1993）。GRV 022115 球粒隕石主巖中鐵鎳合金和隕硫鐵沒有明顯的風(fēng)化現(xiàn)象，未見明顯的風(fēng)化金屬氧化物邊，但微細(xì)裂隙為后期風(fēng)化脈所充填（圖2）。據(jù)此可判斷其風(fēng)化級別為W1。

普通球粒隕石的沖擊變質(zhì)級別分為6 級，從S1 到S6，沖擊變質(zhì)程度由低到高（St?ffler et al.,1991;Fritz et al.,2017）。反射光和掃描電鏡觀察到GRV 022115 中許多礦物顆粒發(fā)生了明顯的碎裂，長石發(fā)生了熔長石化（圖6e），具有多條沖擊熔融脈（圖2a）；沖擊熔融脈中含有大量高壓礦物（圖4, 5），如林伍徳石、鐵鎂榴石等。根據(jù)上述特征，判斷GRV022115的沖擊變質(zhì)級別為S6。

綜上所述，南極隕石GRV 022115是沖擊變質(zhì)級別S6、風(fēng)化級別W1 的L6 型普通球粒隕石。本文基礎(chǔ)礦物學(xué)工作與前期的南極隕石的定名分類研究（Harold et al.,2007）基本一致，只是沖擊級別（S6）比原定的沖擊級別（S5）高一個(gè)級別。

4.2 隕石沖擊變質(zhì)作用及沖擊熔融脈形成機(jī)制和結(jié)晶模式

小行星在太空中發(fā)生高速碰撞，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊變質(zhì)作用，最獨(dú)特的沖擊變質(zhì)特征是局部沖擊熔融脈。沖擊熔融脈的形成過程中，沖擊壓縮、空隙坍縮、剪切摩擦等沖擊作用，可在局部區(qū)域形成極度高溫區(qū)，導(dǎo)致局部熔融（St?ffler et al.,1991;Sharp et al.,2006）。隕石內(nèi)部球粒、不同硅酸鹽礦物、FeNi 合金及隕硫鐵等不同結(jié)構(gòu)單元或礦物具有不同的沖擊阻抗，沖擊波在不同礦物界面產(chǎn)生震蕩，沖擊波的動能可轉(zhuǎn)化為熱能，而原來的裂隙部分及不同礦物界面之間最容易形成局部高溫區(qū)域，局部高溫區(qū)的溫度可以比周圍主巖溫度高幾千度，遠(yuǎn)超過硅酸巖熔融溫度，形成局部熔融脈或熔融囊，其中包含高溫混熔的熔體和被包裹進(jìn)熔體的主巖碎塊（Sharp et al., 2006)。熔融體周圍主巖可類比為高溫熔體的冷槽，熔體圍巖物質(zhì)與熔融脈之間的熱傳導(dǎo)可促使高溫混熔的熔體經(jīng)歷快速冷卻并重新結(jié)晶，形成微晶質(zhì)的高壓相礦物組合。熔融脈中包含的大量主巖碎塊在高溫高壓下可以發(fā)生固態(tài)相變。GRV 022115 隕石沖擊熔融脈基質(zhì)與圍巖碎塊包裹體構(gòu)成了沖擊熔融脈的基本結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

沖擊作用的主要表現(xiàn)是高溫和高壓所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)和成分變化。在GRV 022115熔融脈中，既可見到橄欖石碎塊被“圓化”（圖6c），也可見到輝石被“圓化”（圖6d），此外熔脈中含有大量金屬-隕硫鐵小滴（圖3；圖6a-e），皆顯示了沖擊變質(zhì)過程中的局部高溫熔融作用。而沖擊熔融脈中含有大量結(jié)晶的高壓礦物相，也含有大量通過固態(tài)相變而形成的高壓礦物相，說明了沖擊變質(zhì)的極度高壓作用,導(dǎo)致礦物相結(jié)構(gòu)的變化。另外，熔融脈內(nèi)外類似成分礦物的微量元素的差別可以反映高溫高壓混溶作用和擴(kuò)散作用。熔融脈基質(zhì)是硅酸鹽礦物混熔后再結(jié)晶的產(chǎn)物，反映了混熔后的元素的再分配。熔融脈基質(zhì)的鐵鎂榴石是在高溫高壓下從混熔成分的熔體中結(jié)晶而成，與主巖輝石相比，具有明顯多的Na、Al、Ca，這些元素可以從混熔的長石中獲得，另外高溫高壓下的鐵鎂榴石結(jié)構(gòu)可以容納更多的Na、Al、Ca。脈內(nèi)林伍德石與脈外橄欖石相比，具有更多的Na、Al、Ca，也是高溫?cái)U(kuò)散的結(jié)果。

沖擊變質(zhì)過程中壓力、溫度隨時(shí)間的變化如圖8所示（Xie et al.,2006b）。在沖擊開始階段，沖擊壓力在不同介質(zhì)不同界面間處于一個(gè)混亂震蕩狀態(tài)，總體是快速波折上升，但這種混亂的壓力狀態(tài)在極短的時(shí)間內(nèi)就會趨向一個(gè)平衡壓力（圖8）。這里的“平衡”并不代表熱力學(xué)和化學(xué)成分上的平衡，主要是指壓力達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)定的區(qū)間。平衡壓力維持一段時(shí)間后，當(dāng)釋放壓力波趕上沖擊壓力波之后，壓力進(jìn)入釋放階段，壓力快速下降。

圖8 沖擊過程中熔融脈三種冷卻模式的壓力—溫度—時(shí)間關(guān)系(Xie et al.,2006b)Fig.8 Schematic diagram of Pressure－Temperature versus time profiles for three quench scenarios of the melt-vein during the shock(Xie et al.,2006b）

而溫度隨時(shí)間的變化在不同位置有不同的溫度曲線，熔融脈整體溫度高過硅酸鹽的熔融溫度，2000 K 以上（圖8）；脈中心冷卻速率比脈邊界要慢，冷卻曲線斜率低；在熔融脈內(nèi)側(cè)的脈邊緣起始溫度與脈中心一樣，但因?yàn)榕c低溫圍巖接近，冷卻更迅速；而遠(yuǎn)離熔融脈，主巖礦物溫度因沖擊作用升高不多，不過300℃（Xie et al.,2006b），低溫的周圍主巖可看為熔融體的冷槽;而靠近脈邊界的主巖一側(cè)，受熔融脈熱傳導(dǎo)的緣故，溫度升高，但不至于熔融（圖8）。高溫熔融脈與低溫主巖之間的熱傳導(dǎo)機(jī)制導(dǎo)致熔融脈快速冷卻結(jié)晶，快速冷卻可以保存高壓礦物相。

熔融脈的結(jié)晶先從熔融脈邊界開始，到熔融脈中心結(jié)晶固結(jié)結(jié)束，開始與結(jié)束的時(shí)間差是熔融脈冷卻結(jié)晶時(shí)間。熔融脈的高溫起始點(diǎn)往往與沖擊平衡壓力的起始點(diǎn)一致，將熔融脈結(jié)晶時(shí)間與沖擊壓力持續(xù)時(shí)間放在同一時(shí)間軸上，如圖8所示，熔融脈的結(jié)晶模式有三種：（1）沖擊壓力持續(xù)時(shí)間比熔融脈冷卻時(shí)間短許多，以致結(jié)晶發(fā)生于壓力釋放之后，結(jié)晶的礦物為低壓礦物相；（2）熔融脈冷卻和結(jié)晶發(fā)生在壓力釋放期間，結(jié)晶壓力從高到低有變化，結(jié)晶礦物相可以有高壓相在脈邊界，低壓相在脈中心；（3）沖擊壓力持續(xù)時(shí)間超過熔融脈冷卻時(shí)間，以致冷卻結(jié)晶發(fā)生于沖擊平衡壓力期間（圖8），結(jié)晶的礦物為高壓礦物相。

GRV 022115隕石沖擊脈中基質(zhì)礦物從脈邊界到脈中心一樣，主要礦物組合是鎂鐵榴石（majorite）+方鎂石（magnesiowüstite），非常均一，說明結(jié)晶壓力沒有變化。也說明熔融脈結(jié)晶模式是模式3，冷卻結(jié)晶時(shí)段小于平衡壓力持續(xù)時(shí)間，結(jié)晶發(fā)生在平衡壓力時(shí)段。熔融脈結(jié)晶礦物相組合可以用來界定沖擊平衡壓力。

4.3 熔融脈高壓礦物結(jié)晶壓力與沖擊壓力的界定

沖擊熔融脈中的高壓礦物可以用來界定熔融脈的結(jié)晶壓力，也可界定熔融脈形成的沖擊壓力（Xie et al., 2006b；Fritz et al., 2017; Sharp et al.,2015; Baziotis et al., 2018; Walton et al., 2016; Sharp et al., 2019）。現(xiàn)有的人工動態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)條件上很難模擬真實(shí)的隕石沖擊，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果也與隕石中的真實(shí)情況相差甚遠(yuǎn)，但靜態(tài)高溫高壓實(shí)驗(yàn)的結(jié)果能很好地與隕石高壓礦物的研究結(jié)果相匹配。人工撞擊實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生不了天然沖擊熔融脈中的許多高壓礦物，主要原因是礦物的結(jié)晶動力學(xué)問題，沒有足夠的時(shí)間供礦物結(jié)晶成核及生長，因?yàn)槿斯ぷ矒魧?shí)驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間在微秒以下，而天然沖擊在秒級，靜態(tài)高壓在分鐘或小時(shí)級別。Sixiangkou (Chen et al.,1996)、Acfer 040(Sharp et al.,1997)、 Tenham (Xie et al., 2006a)、 Umbarger (Xie and Sharp,2004)（謝先德和陳鳴，2005）等隕石的研究顯示熔融脈基質(zhì)中的高壓礦物在礦物成分、晶體大小、相組合及微結(jié)構(gòu)方面，與靜態(tài)高壓實(shí)驗(yàn)的高壓礦物具有類似性，是類似結(jié)晶條件下的產(chǎn)物，表明靜態(tài)高壓實(shí)驗(yàn)的礦物結(jié)晶條件與熔融脈結(jié)晶條件的可類比性，可用靜態(tài)高壓實(shí)驗(yàn)相圖界定熔融脈的結(jié)晶壓力（圖9），再結(jié)合動態(tài)沖擊壓力與熔融脈結(jié)晶壓力模型（圖8），可以標(biāo)定沖擊壓力（Xie, 2003；Xie et al., 2006a, b；Fritz et al.,2017;Sharp et al.,2019）。

圖9 隕石Allende的溫壓相圖簡圖Fig.9 A simplified phase diagram of the Allende chondrite（modified by Agee et al.,1995）

如前文所述，南極隕石GRV 022115熔融脈基質(zhì)中的礦物組合為鎂鐵榴石（majorite）+ 方鎂石（magnesiowüstite），根據(jù)靜態(tài)高壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖9），表明他們是在2000～2300°C，23～27 GPa 的條件下結(jié)晶的礦物組合（Agee et al.,1995）。熔融脈內(nèi)主巖碎塊的橄欖石和輝石的固態(tài)相變壓力也在此范圍附近，顯示一致性，但固態(tài)相變壓力是否可以代表沖擊壓力還沒有確定的模型，并且不同高壓礦物的固態(tài)相變壓力值分散較大，一般不用固態(tài)相變壓力來界定沖擊壓力。熔融脈基質(zhì)中從熔體中結(jié)晶的高壓礦物組合可以更好得限定熔融脈的結(jié)晶壓力。從隕石GRV 022115熔融脈的中心至脈邊緣，結(jié)晶的基質(zhì)相對均一，說明結(jié)晶壓力沒有變化，如圖8模式3所示，結(jié)晶發(fā)生在沖擊平衡壓力時(shí)段，再根據(jù)熔融脈結(jié)晶模型，從熔融脈的結(jié)晶壓力可以推測GRV 022115隕石遭受的沖擊壓力在23～27 GPa。

致謝：電子探針分析得到了桂林理工大學(xué)電子探針實(shí)驗(yàn)室謝蘭芳老師的指導(dǎo)；透射電鏡分析得到了南京大學(xué)TEM 實(shí)驗(yàn)室陳佳妮老師的指導(dǎo)；南京大學(xué)左書豪、袁悅對文章的修改提出有益的建議；特別感謝兩位評審專家和編輯部老師的修改意見。