地外星球上的岩石简介
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发布时间：2022-04-23 17:01
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时间：2023-08-07 07:53
地外的一些星球也是由石质物质组成的，它们的岩石样品的研究也是岩石学研究的内容之一。它为人类带来地外星球物质组成和地球及其他行星早期演化的直接信息，并且记录着太阳系甚至超出太阳系形成与演化的信息。21世纪，人类将对宇宙空间进行更为深入和广泛的探索，因此地外星球的岩石学研究将会有更大的发展。目前人类研究的地外星球样品主要是陨石以及自1969至1972年美国及原苏联科学家登月取回的月岩样品。
1.月球岩石
自1969年7月20日美国第一艘载人登月飞船成功地降落在月球Tranquillitatis月海之后，至1972年共有6次阿波罗登月飞行，带回了岩石及土壤样品382kg。原苏联有3次未载人的登月飞行，带回了250g月岩土壤样品。20世纪70年代美国集中了一流的科学家对这些样品进行了全面的深入细致的研究，截止至1990年，仅有关月岩的会议摘要就有0.1t重。著名的月球研究专家S.R.Taylor认为：“目前对月球成因与演化的认识已经超过对地球的认识”。这些研究成果对行星演化（包括对地球的起源和早期演化）、冲击事件、陨石及微陨石流、行星表面同放射粒子流之间的关系以及太阳系的历史都作出了重大的贡献。21世纪美国将继续实施登月计划，并进行一系列人类生存的实验。NASA（National Aeronautics and Space Administration）最近已召开了有关21世纪月球基地空间活动的学术会议，为计划的实施做准备。
月球和地球一样具有层圈构造。普遍认为，在月球形成的1亿年（0.1Ga）内由于广泛的熔融造成了月球分异出60～100km厚的低密度的月壳及高密度的月幔。但是，不同学者对熔融的规模的估计有不同的认识。简单模型认为在围绕月球的岩浆海中富斜长石的轻物质上浮，高密度的镁铁质矿物下沉。另一些人认为分异过程十分复杂，大范围的部分熔融就可以产生上述的分异，在初始分异之后，在4亿年（0.4Ga）内又经历过月幔再熔融形成的岩浆侵入、火山熔岩喷出及连续的陨石冲击事件，因此月壳和月幔的分异与地球相似，也经历了复杂的过程。
月球表面已发现的岩石类型多数与火成作用有关，部分属冲击作用成因，没有水成的岩石。月球表面有两类地形，高地（High land）及月海（Mare）。高地的岩石类型反映了月壳的代表性组合。目前所发现的有：①角砾岩（约占阿波罗登月飞行所取样品的60%），多数为与冲击事件有关，是发生冲击熔融事件的综合产物，其中单成分角砾岩的角砾有纯橄岩和斜长岩，双成分角砾岩的角砾为斜长岩以及黑色隐晶质的熔融物，后者有时可以见其侵入到斜长岩中；②复成分长石质角砾岩，碎屑成分有单矿物、玻璃物质以及受熔融的岩石；③冲击熔融角砾岩，由矿物及岩石形成碎屑，被具火成结构的结晶物所胶结，推测其原岩为含岩石及矿物碎屑的碎屑岩经冲击作用发生熔融形成；④玄武岩，数量少，成分与月海玄武岩不同，具有高w（Al2O3）（11%～14%）、低w（FeO）的特征，形成年龄为3.9～4.0Ga（39～40亿年），与最后一次月球上大的陨石碰撞事件发生的时间相近。从上述岩石类型可以看出，现在的月壳岩石由于受到了后期的多次冲击事件，与最早分异的月壳岩石有较大的差别，但从所保留的岩石角砾成分及胶结角砾的物质推测，可能有3种基本的岩石：①斜长岩，斜长石为富含钙的钙长石（An95～An97），暗示了母体岩浆规模巨大，致使组分均匀化，斜长岩的Rb-Sr等时年龄为4.13～4.25Ga，n（87Sr）/n（86Sr）初始值为0.699；②含Mg的深成岩组合，包括苏长岩、橄长岩、纯橄岩、尖晶石橄长岩和辉长斜长岩，它们的Rb-Sr等时年龄分别为4.4～4.49Ga，4.61Ga，4.45Ga，4.61Ga和4.48Ga，结晶略早于斜长岩，形成于月球演化的早期阶段，其中纯橄岩的n（87Sr）/n（86Sr）初始值为0.699；③进化岩石，组分与前两类岩石相比，含有高的Th、U、K、REE和P，被称为“KREEP”，最初发现它们多数是角砾岩或玄武岩的填隙物，呈隙间玻璃状产出，最大的范围仅达150μm，这种进化程度高的组分可能是岩浆结晶分离的最终产物，或者是由于陨石的冲击发生了低程度的部分熔融后结晶形成的。以后在Apollo14的岩石样品中发现了花岗岩、高Al和高K的玄武岩以及含较高丰度的KREEP的斜长岩和橄长岩，更加证实了月球岩石中存在着进化（分异）程度高的残余熔体，有些岩石则是原始熔浆受到它们同化、混染后的产物。
月球上的月海一般低于周围的高地1～4km，多数呈环形，主要是由火山物质组成的。月球上的火山几乎都是平的，坡度为（1∶500）～（1∶2000）。这与月海玄武岩流动性大粘度小有关。月海玄武岩的产状有熔岩流、火山渣锥、火山穹丘、同心环状、火山脊、火山隧道等。岩流的范围也十分可观，最大的面积为2×105km2，相当于美国哥伦比亚高原玄武岩的面积，但它们的厚度仅十几至几十米，最厚者为1000m。火山渣锥的规模比地球上的小，喷射火山渣的速度相当于地球喷射速度的1/3～1/10，暗示月球玄武岩挥发分的含量少。
月海玄武岩的形成年龄最早者为4.2Ga，最新者为3.0Ga，均晚于高地的火成岩形成年龄。多数人认为月海玄武岩是月球内部（月幔）物质部分熔融的产物，且与冲击事件关系密切。与地球玄武岩相比，它有以下特征：
（1）FeO含量明显高于地球玄武岩，地球玄武岩w（Mg）/w（Mg+Fe）变化范围为0.45～0.75，而月球玄武岩为0.35～0.65，相应的月球玄武岩中的橄榄石、辉石都属于富铁的种属，如橄榄石中最富Mg者约为Fo75—Fo80，而多数橄榄石为铁橄榄石（图1-4）。应用岩浆成分反演其源区成分，地球玄武岩的源区w（Mg）/w（Mg+Fe）为0.91，而月球玄武岩源区为0.80～0.82，暗示月幔比地幔富Fe，这可能与月球未分异出富Fe的内核有关。
图1-4 Lunar 24 月壤中的岩屑——富铁石英橄长岩
（2）K2O及Na2O的含量明显低于地球玄武岩。K的丰度与地球的低K大洋拉斑玄武岩相近，w（K）约为0.36%，w（Na）值仅相当于地球玄武岩的1/5。相应的月球玄武岩中的斜长石均属于高钙的类型，以钙长石为主，少量倍长石，而且基本上不出现钾长石。因为K、Na在熔岩中分布均匀，所以K、Na丰度低是由于源区缺乏这两种元素，而不是因为它们具有挥发性所致。
（3）月球玄武岩形成于还原的环境，自然Fe及FeS普遍出现，缺乏Fe3+（其质量分数仅占1%）。质量分数占90%的Cr是以Cr2+出现，70%的Eu为Eu2+，质量分数占4%的Ti为Ti3+，Ce全部为Ce3+，未见有Ce4+出现的证据。月球玄武岩中的气体为CO，但数量不多，估计为（500±250）μg/g，CO是由岩浆中的FeO与C反应形成了CO与自然Fe。这个反应是在岩浆上升到月球表面的过程中在约3km深处发生的。
（4）TiO2的含量有很大的变化范围，常常作为月球玄武岩进一步分类的依据。在高Ti玄武岩中，钛铁矿为常见的副矿物。
（5）月球的火山作用产物除了玄武岩之外还有火山玻璃球，它们广泛分布于月壤中。在火山口附近分布的火山玻璃球其年龄与月海玄武岩相近，也进一步证实了它与月海的火山作用有密切关系，排除了与高地月壳有关的可能。玻璃球的直径多数在0.1～0.3mm之间，颜色多样，橙色者含Ti高（wTiO2为9.3%），成分特点与附近的Apollo 11的玄武岩及其隙间的橙色玻璃类似，但略富MgO、Zn、Cl、Cu、Pb和其他挥发性元素。球体表面附着了似飞溅物的滴状体，成分与主体玻璃球一致，可能为低速下溅出的物质。Apollo 15附近的红色及*玻璃球与上述成因相似，它们都缺乏陨石组分，所以与冲击作用无关。
（6）由于月球表面没有水和氧气因而岩石未遭受风化及蚀变作用，岩石新鲜，没有含水矿物出现。如月球玄武岩的结构保持了岩浆结晶的特征结构，这些都与地球玄武岩中未遭受风化作用者相似（图1-5）。
图1-5 阿波罗11低钾玄武岩
2.陨石
陨石和流星都来自流星体（meteoroid）。当流星体足够大，在大气层中没有完全消耗尽而落到地面的，即为陨石（meteorite），其大小从显微镜尺度到几吨重。而那些在大气层中就已被消耗殆尽者称为流星（meteor）。
最早有关陨石坠落的记载是在公元前1478年，在希腊的Crete岛。我国最早的陨石记录是公元前650年。陨石从天空落下常伴有白炽的火光和轰鸣的响声，景象极其壮观。1976年3月8日陨落在中国吉林的陨石中有迄今为止世界上最大的一颗石陨石，重1750kg。1986年4月18日在湖北随州落下的也是石陨石，我国科学家对它们都作了详细的研究。
研究陨石的意义十分重大，因为它们是“宇宙探测器”。著名的美国地质学家Shand（1947）说：“岩石学，做为调查地球组成的科学，最大的弱点是只能研究观察地表之下几千英尺，即地球半径的千分之一处的那些已经结晶的岩石。然而，无论是地球物理，还是天文学或从岩石学的观点都有足够的理由假设行星内部的物质在许多方面不同于表面的岩石。由于直接观察行星内部物质是不可能的，这样陨石就成了人类认识行星全貌的最好助手。天文学家借助分光镜证明整个宇宙都是由相同元素组成的，因此，无论对陨石的成因持哪种观点（恒星溅射、行星溅射、星云集结、彗星凝聚、太阳偶而甩出、类地行星火山爆发等），但一个必须承认的重要事实是，太阳系中存在有与地壳中任何岩石都不相同的岩石，这使得陨石研究引起了人们的重视。而这种物质正是天文学、岩石学、地球物理学共同认为的类似地球内部的组成物质。”此外，对地球化学家来说，陨石物质的平均成分为宇宙非挥发性元素的相对丰度提供了最重要的信息。目前元素的宇宙丰度表在很大程度上是基于对陨石的分析结果。这种分析对地球化学家、核物理学家和天文物理学家都十分重要，它们为元素起源以及陨石和太阳系起源、年龄、演化历史研究提供了重要信息。这些信息在宇宙飞船的设计和重返大气层可能碰到的问题等方面研究上都是不可缺少的。
从目前坠落的陨石来看，可分为3类：铁陨石（iron meteorite）、石陨石（stone meteorite）和石铁陨石（stone-iron meteorite）。
铁陨石 外貌类似铁块，主要由铁镍合金组成，还有微量的碳、硫和磷。铁镍合金可分为2个相，低镍的α相（又称铁纹石）和高镍的γ相（又称镍纹石）。铁陨石的进一步分类可以根据结构特征或微量元素Ni、Ga和Ge的含量。Ga和Ge在铁陨石中的含量很低，但由于它们具挥发性，因而对铁陨石形成时太阳星云的温度和压力极为敏感，而对以后发生的岩浆过程很不敏感，这样往往可以反映出铁陨石形成时的最原始状态。详细分类在此不作介绍。目前发现的最大的铁陨石是1928年在纳米比亚的Hoba发现的，总重量（含周围风化物质）为73t。其次是由美国海军军官极地探险家Robert E.Peary于1987年在格陵兰发现的，总重58t。第三大的铁陨石是19世纪末在我国维吾尔族自治区发现的，1917年正式载入文献，总重约30t。
石陨石 外貌类似地球岩石，主要成分是硅酸盐矿物（橄榄石、辉石等），次要成分有铁、镍等金属物质。石陨石可进一步根据其中是否含有球粒划分为球粒陨石和非球粒陨石两类。球粒陨石根据元素特点和岩石类型可以进一步划分为碳质球粒陨石（carbonaceous chondrite，即C-chondrite）、普通球粒陨石（ordinary chondrite）和顽辉球粒陨石（enstatite chondrite）。上述陨石的化学成分的研究表明，碳质球粒陨石除了H、He、N、O和惰性气体元素外，其他元素的丰度代表了太阳系原始的物质组成。普通球粒陨石中易挥发性元素有不同程度的损失。非球粒陨石（achondrite）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。一般认为如果从陨石物质中减去亲铁元素剩下的相当于地球上的地幔物质，也就是说非球粒陨石相当于镍和铁聚集在母体中心之后剩下来的物质。这类陨石较稀少。
石铁陨石 其中的镍铁合金含量与硅酸盐含量大致相等，可以看作上述两类陨石的中间类型。石铁陨石中铁镁硅酸盐晶体往往镶嵌于金属基质中。
近20年来的研究成果认为，绝大多数陨石来自火星与木星之间的小行星带。应用反射系数分光光度法比较小行星带中小行星表面反射的光和陨石表面反射的光证实，它们的光谱特征反映了具有相同的矿物组成。小行星带中的小行星轨道集中在4个狭窄的区域，区与区之间没有小行星，这些“间隔带”称为Kirkwood gaps，物体位于“间隔带”之中是不稳定的，当进入“间隔带”后会立即以一个偏心轨道迅速远离。“间隔带”大致位于木星离太阳的1/3、2/5和1/2处。
小行星由于重力干扰或撞击被送到“间隔带”之后被强有力的重力加速度甩进一个高度偏心的轨道；当这个轨道与地球轨道相交时，可被地球的重力场捕获，落到地球表面。
除上述3种陨石类型外，还曾报道过在地球南北纬55°之间曾发现过一种玻璃陨石（tektite），我国广东、海南和南海海域也曾有发现，俗称“雷公墨”。雷公墨呈黑色，玻璃光泽，非晶质，形态以弹状、水滴状为主，最大者仅10cm，主元素w（SiO2）为73.%，w（Al2O3）为11.94%，与页岩成分相当。推测在0.73～0.75Ma时，有一颗巨大的陨石冲击地表，使地表的岩石（页岩）在短时间内发生熔融并溅射至空中，经冷却降落形成此种陨石。
