L群普通球粒损石母体的冲击变质历史:以随州、寺巷口损石为例

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撞击作用发生在行星形成和演化的所有阶段,从初始星云中球粒物质的吸积到行星体的分异和次生改造过程,在太阳系的形成和演化过程中占有重要的地位。小行星在漫长的演化过程中经历的最主要地质作用就是冲击变质作用,而陨石则记录了小行星在不同时期发生的冲击碰撞事件。太阳系内主要天体在约39亿年前发生了高频率的天体撞击事件,即晚期大撞击事件(LHB)。普通球粒陨石是最常见的陨石类型,其中L群陨石受到的冲击作用最强,然而唯独L群陨石中缺失LHB事件可信的Ar-Ar年代学记录。本文将以随州和寺巷口两块L群陨石为研究对象,寻找冲击熔融脉中的高压矿物相,特别是涂氏磷钙石,利用电子显微镜、电子探针、拉曼光谱仪来确定熔融脉所经历的高温高压条件。在此基础上进一步利用离子探针测定冲击熔融脉和陨石主体中磷酸盐的U-Pb和Pb-Pb年龄,限定L群普通球粒陨石母体的冲击碰撞历史。  随州陨石(L6)陨石中分布较为稀疏的极细的冲击熔融脉,熔融脉中的高压矿物组合表明随州陨石冲击脉的形成的温压条件可能为1800-2050℃、22-23GPa。寺巷口陨石(L6)粗大的复杂网状脉中的高压矿物组合可将熔融脉中的形成温压范围限定为2050-2300℃和20-24GPa。由高压矿物在常压下的稳定温度范围可以推测随州和寺巷口陨石主体的冲击温度可能分别在500-850℃和750-900℃,但这一高温阶段的持续时间非常短暂。  随州陨石和寺巷口陨石中不同产状的磷灰石经历了不同程度的冲击变质作用。两块陨石主体中的磷灰石受到冲击作用的影响最小,仅具有数组规则或不规则裂隙,其化学成分和晶体结构没有受到显著破坏。根据化学成分、拉曼光谱及CL图像特征,冲击熔融脉边部的磷灰石颗粒受到冲击作用改造程度从脉边到陨石主体方向总体上显示减弱的趋势,在紧邻熔融脉的区域都部分地分解为具有多晶结构的涂氏磷钙石。两块陨石冲击脉中的磷灰石也都部分地甚至全部地分解为多晶结构的涂氏磷钙石,其转变程度整体上高于熔融脉边部颗粒。寺巷口陨石熔融脉内的磷灰石及其分解的涂氏磷钙石显示明显的熔融特征,而随州陨石缺乏该特征,可能指示寺巷口陨石熔融脉具有更长的高温高压持续时间。虽然磷灰石和陨磷钙钠石都能转变为涂氏磷钙石,但陨磷钙钠石相转变的速率要比磷灰石快得多,指示他们的相转变机制可能有着很大的区别。  两块陨石磷酸盐U-Pb同位素体系受到扰动的程度与冲击变质改造程度呈明显的正相关。陨石中主体中磷灰石的受冲击作用的影响最小,他们的U-Pb同位素没有受到显著扰动,记录了最老的U-Pb年龄(均约4.54Ga),代表了陨石在其母体发生热变质作用后冷却到磷灰石封闭温度以下的时间。然而,撞击过程局部的高温高压使距离熔融脉数十微米以内的区域的磷灰石U-Pb同位素体系受到了不同程度的扰动。虽然冲击脉中高温高压持续时间最多只有数秒,但在这短暂的时间内,磷灰石向涂氏磷钙石转变过程却能造成高达100%的Pb丢失。我们的实验结果表明,在没有经过冲击后持续高温的条件下,天体的撞击过程中局部的高温高压条件能够使单矿物级别中(mineral scale)的U-Pb同位素体系发生完全重置,这与冲击试验得到的结论并不一致。自然界中天体之间的撞击比冲击试验具有更长的高压持续时间以及更高的温度;在冲击作用过程中,矿物晶格受到损伤甚至重结晶形成多晶结构的新矿物,这些条件可能共同促使了磷酸盐U-Pb同位素体系的重置。  随州陨石熔融脉中相变完全的涂氏磷钙石U-Pb同位素体系被完全重置,记录了4482±30Ma的207Pb-206Pb年龄。这一撞击年龄可能是由月球大撞击事件溅射的大量碎屑进入到原始主小行星带而引发的大范围撞击事件导致。随州陨石中的高压矿物为这些规模相对小但数量却占优势的撞击事件提供了直接证据。寺巷口冲击脉边部磷灰石在U-Pb年龄谐和图给出了471±110Ma下交点年龄,与推测的L群陨石母体裂解事件发生的时间一致。结合所有目前已知的与母体裂解事件相关的L群陨石岩石学特征,我们认为L群陨石母体~470Ma的裂解事件是由较大质量的石陨石质天体,以较低的速率撞击所导致,撞击体大小约18-22km,撞击速率可能在5-6km s-1。  目前所有的同位素年代学证据都表明L群普通球粒陨石母体很可能未受到晚期大撞击事件的影响,这并不能用L群陨石母体过小来予以解释。可能的原因有:(1)同一陨石类型可能对应多个同成分的陨石母体,但L群普通球粒陨石成分的母体数量在原始主小行星带中分布非常有限,因此它们受到晚期大撞击事件的影响的概率就要小得多;(2)晚期大撞击事件对原始主小行星带的影响可能并没有之前估计的那么严重,一个持续时间更长但是更加温和的撞击模型似乎更加符合现阶段的观察。
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