如何识别来自火星的陨石

作者：孔屏/中国科学院地质与地球物理研究所

编者按

记得以前谈论火星陨石时，总会有些人感到迷惑，你们怎么知道那些石头是从火星上来的，什么时候来的？

如何判断天外来客-陨石

陨石在坠入地球时与大气层摩擦，燃烧，形成熔壳，毫无疑问，熔壳的存在是判断陨石的最直观标准（图1）。除了少数人们亲眼看见坠落的陨石，绝大多数陨石落在了无人的荒野上，后来被发现。有些陨石的熔壳在地表风化过程中消失，因此区分地球上的石头和天外来客需要一系列其它指标。

图1.大家看到四块岩石样品，那么根据熔壳这一判别标准，小编想问问大家哪个是陨石，哪个不是陨石呢？

首先，绝大多数陨石来自于小行星，这是由于飞溅出的陨石很难逃脱大行星的引力，而小行星没有足够的能量发生熔融，所以小行星通常没有经过金属核和硅酸盐幔的分离，金属和硅酸盐是混合存在的。有一小部分陨石经历了熔融，包括铁陨石，石-铁陨石和纯硅酸盐陨石。总体来说，99%的陨石含有金属，这是判断陨石的第一个指标。区分于人类制造的金属材料，陨石中的金属含有百分之几或更高量级的镍，这是区分陨石的第二个指标，当然还有其他的辅助标准，这里就不多提了。

图2.a利用磁铁判断是否是陨石；b.铁陨石切片，含有铁镍金属；c.石铁陨石切片，含有透明硅酸盐矿物及铁镍金属。这里小编想告诉大家，根据大多数陨石都含有金属这一指标，那么相同体积的岩石对比，陨石要重一些。也可以利用磁铁来识别，观察是否吸附，但地球上很多岩石也有金属，也会被磁铁吸附，例如a左侧的是赤铁矿，不是陨石。如果区分可做小切片，观察是否有金属颗粒，若没有，就不是陨石；另外可借助仪器测其成分，分析镍的含量是否符合陨石的标准。

剩下的那1%陨石不含金属，该怎么判断呢？这部分陨石都经历了核-幔分离过程，不同的行星体在核-幔分离时所经历的氧化还原状态是不一样的，这会使一些对氧化还原状态敏感的元素在硅酸盐幔中的含量不一样，因而在一些特征的矿物中这些元素可以起到指纹的作用，这是我们判断硅酸盐陨石的最主要指标。

上述标准比较简单，直观，复杂一点的还有一个更加权威的标准。陨石都经历了在太空的遨游过程，在这个过程中，宇宙射线会和陨石表面的元素发生核反应，生成一些特殊的核素，叫做宇宙成因核素，地球由于大气层的遮挡，宇宙成因核素的含量都非常低，因此只要测定一下这些核素在石头中的含量，就可以轻易地区分地球上的石头和陨石。

怎么知道某些陨石来自火星

前面提到核-幔分离时的氧化还原状态会影响到一些元素在硅酸盐幔中的含量，人们发现三类陨石（S，N，C)指示着相同的氧化还原状态，因此他们应该来自于同一个行星。这些陨石的硅酸盐分异年龄比其他陨石要年轻，表明行星岩浆活动时间较长，应该来自于一个较大的行星。1983年科学家发现在其中一个陨石中被困在玻璃中的大气成分与美国航天器测出的火星大气成分极为相似，因此，人们断定这三类陨石来自火星。

图3.Viking Lander 测得的火星大气的成分与S型陨石EETA79001冲击融熔玻璃捕获的大气成分相似。

图4.火星与其它行星矿物比例与成分分布。不同行星的岩浆岩，其基性矿物含有不同的Fe/Mn，或斜长石中含有不同的Ca/Na。

图5.火星与其它行星氧同位素对比。

图6.三块火星陨石分别是S型陨石Tissint，NWA1950，NWA2975。

图7.是N型火星陨石的显微镜下图象与手标本。

图8.C型火星陨石Chassigny的显微镜下图象与手标本

火星陨石提供的信息

我们通过常规的地球化学手段，可以得到火星硅酸盐分异的时陨石是被撞击溅出火星的碎块。硅酸盐分异后，放射性核素K-40衰变形成的惰性气体Ar-40会在矿物中累积，从而可以指示硅酸盐的分异时间。但在撞击过程中，惰性气体会逃逸，相当于时钟被重新定时。测定火星陨石的K-Ar年龄，我们可以知道这些陨石什么时候离开了火星。陨石中宇宙成因核素的含量可用来推断陨石在太空中停留的时间（1），而陨石一旦落入地球，宇宙成因核素的生成停止，我们还可以通过放射性宇宙成因核素的含量来判断陨石是什么时候落入地球。

图9.火星陨石的溅射年龄。即陨石离开火星到达地球之前在太空中飞行的时间。

火星陨石告诉我们元素在金属-硅酸盐相的分配系数，通过与实验对比，我们知道了火星的核-幔分离时的温度与压力，因而提出了火星的“浅岩浆洋”模型（2）。而火星陨石中的生命迹象更是触发了早期生命的开创性研究。

 

小编在图1问大家的问题，都猜对了吗？a,b,c都是典型的陨石融壳，d不是熔壳而是黑色的白云石，大家可以看到有白色划痕。小编认为对于火星的探索将会是人类今后一个重要而漫长的目标，火星陨石将继续发挥不可替代的重要作用。

参考文献：

1.  P Kong, D Fabel, R Brown, S Freeman, 2007. Cosmic-ray exposure age of martian meteorite GRV 99027. Science in China D 50, 1521-1524.

 

2. P Kong, M Ebihara, H Palme, 1999. Siderophile elements in martian meteorites and implication for core formation in Mars. Geochimica et Cosmochimica acta 65, 1865-1875.

编辑：张婷

美术编辑：赵亚楠 

校对：杨翔棹

公众号：中科院地质地球所

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