火星隕石

火星隕石-輝玻無球粒火星隕石（中國科大天體行星與隕石化學實驗室供圖）

 火星隕石，它是在行星火星上形成的巖石，但因為被小行星或彗星撞擊而從火星拋射出并墜落到地球上的巖石。這些隕石被認為來自火星，是因為它們與探測器在火星上分析的巖石和氣體有著相似的化學組分等。火星隕石脫離火星地表后的一些過程與經歷也如同月球隕石一樣，它們都是受到外力撞擊的影響而脫離了行星母體，一些火星巖石被濺出火星引力外后，在太空中漂浮游蕩了很長時間，它在經過地球時被地球的磁場引力所捕獲。火星隕石通常也被稱為SNC化學群隕石，因為它們之間的同位素比值幾乎是相互一致的。但它們和地球成因的一些巖石看似相同卻不同，因為在隕石巖相中捕獲的氣體成分與火星探測器測定的火星大氣成分基本相符，該混合氣體中最主要的成分是二氧化碳CO2，所以確信它們都是從火星上來的，因為它們具有火星大氣巖石成因的一些顯著特征。如果其它類型隕石中沒有高濃度的二氧化碳存在，它可能就不是來自火星上巖石。火星隕石的種類也是根據其不同的巖相、結構、物理與化學性質進行劃分的，已被劃分的SNC化學群火星隕石類型有：輝玻無球粒隕石、輝橄無球粒隕石與純橄無球粒隕石，以及其它斜方輝石類型的火星隕石等。

各種SNC化學群類型的火星隕石其元素豐度十分相似。各火星隕石之間它們都有著緊密的共性關系，比如它們包含的一些次相物質中，都常含有一些少量的磁鐵礦、鉻鐵礦、鈦鐵礦等鐵氧化物礦物。它們也含有硫化鐵礦物為磁黃鐵礦和隕硫鐵等。其中輝石和橄欖石礦物中具有富Fe（鐵）與Mn（錳）也是比較獨特的。火星隕石是火山或次火山和火成巖類型的巖石，其年輕的結晶年齡（1.3Ca及可能為～180Ma）和高度分餾物質組成表明，認為它們可能是來自一顆較大且地質活躍的行星體，其獨特的氧同位素組成及FeO/MnO比值，表明它們不是來自地球和月球上的巖石。一些輝玻無球粒隕石沖擊產生的玻璃之氮和稀有氣體同位素組成與火星大氣相似，所以可以推測它們都是來自火星上的巖石。輝玻無球粒火星隕石又稱休格地隕石，因為第一顆輝玻無球粒火星隕石是于1865年墜落在印度的休格地。因巖相中的輝石與長石及玄武巖結構與構造特征明顯，所以它們很類似地球火山成因玄武巖，它通常被劃分為玄武巖質和二輝橄欖巖質輝玻無球粒火星隕石。玄武巖質火星隕石，是富鎂-鐵質到超鎂鐵質的火成巖，其主要礦物由單斜輝石（易變輝石和普通輝石）及殘留的斜長石（沖擊產生的玻璃或熔長石）組成。輝玻無球粒火星隕石具有輝綠巖結構特點，其橄欖石較缺失且比較貧鎂，表明它們是由分餾的巖漿結晶而成的。許多玄武巖質火星隕石含堆積狀的輝石，并呈葉狀結構，認為它們是在火星近表面巖脈或巖流中晶體的堆積作用而造成，但有一些玄武巖質火星隕石的斜長石含量較高，可代表火星隕石中的大部分物質組分。

二輝橄欖巖質火星隕石，為富鎂橄欖石、單斜輝石與鉻鐵礦堆積巖，并以包裹橄欖石及鉻鐵礦的鑲嵌狀易變輝石為特征，斜方輝石和斜長石的比例低，其橄欖巖礦物比大多數其它玄武質火星隕石中的Mg／Fe比值要高。二輝橄欖巖質火星隕石的巖相中有細粒富鐵橄欖石、易變輝石、普通輝石、熔長石及其它晚期形成的玻璃態等間隙充填物，其主要礦物學與早期巖漿結晶作用是一致的。它們具有玄武巖質火星隕石的結晶順序，故劃分為二輝橄欖巖質火星隕石或火星二輝橄欖巖。玄武巖質火星隕石，常由兩個不同的巖性組成，一個巖性為不同于玄武巖質的火星隕石，也不同于二輝橄欖巖質火星隕石，但它們具有斑狀結構，常由橄欖石巨晶、斜方輝石、鉻鐵礦及細粒易變輝石與斜長石基質構成。另一個巖性為單斜輝石與斜長石巖石，但很類似其它一些類型的玄武巖質火星隕石。后發現的一些玄武巖質火星隕石由于富橄欖石及具斑狀的巖性組成，它已經被命名為橄欖石-斑狀輝玻無球粒隕石，即橄輝無球粒火星隕石。大多數的玄武巖質類型火星隕石其礦物組成很類似于火星表面的組合物，因此這些玄武巖質火星隕石也是比較具有代表性的樣品，因為它們是能反映火星地殼與地表性質的樣品。它們的礦物組成特征，如低Al含量和高Fe含量反映出了火星和地球化學成分的差異性。

輝橄無球粒隕石又稱單斜輝石巖類型火星隕石，它們主要由普通輝石及少量的富鐵橄欖石礦物組成，其粗粒結構和普通輝石中常具有出溶層紋特征，這種現象多是巖漿緩慢冷卻的結果。它們具有堆積巖的特征與性質，輝橄無球粒隕石常含由一些輻射狀晶質的斜長石，次相礦物有易變輝石、富鐵普通輝石、富鈦磁鐵礦、黃鐵礦、隕硫鐵、氯磷灰石等，也常有少許的富硅玻璃物質充填在一些礦物的間隙中。在個別風化型輝橄無球粒隕石樣品的巖相細脈中，也發現過有少許的粘土與菱鐵礦存在，有學者認為火星隕石中發現了鐵的碳酸鹽礦物，說明其火星上的母巖曾存在被水化過的跡象，但巖相細脈中的碳酸鹽礦物也有可能是墜地后期形成的，因為一些風化型隕石墜入地球地表土層中后，在低氧的地球土層中長期受地表水的浸蝕與風化作用下，其巖相裂隙中也常會出現少許外生成因的碳酸鹽礦物。純橄無球粒隕石又稱純橄欖巖類型火星隕石，它們主要由橄欖石、鉻鐵礦與橄欖巖基質組成的堆積巖，常由85%左右的橄欖石，6%左右的輝石，3%左右的長石（熔長石）及3%左右的其它次相礦物組成，橄欖石熔融包體中常有含水的角閃石，它們可能是在相對較高的氧化條件下形成的。

斜方輝石巖類型火星隕石又稱ALH類型火星隕石，它是依一顆在南極艾倫山發現的ALH84001隕石而命名的，該隕石曾劃分為HED族的輝石巖。ALH84001是一個獨特的火星堆積型斜方輝石巖，研究發現其結晶年齡在4.5億年左右，因此，它具有古火星地殼物質熔融形成的巖石特質，所以認定它是一塊來自火星上的古老巖石。因研究人員在ALH84001隕石中發現了納米級的生物化石物質，被發現者稱之是第一塊來自其它星球上的生物化石樣本。ALH84001隕石中發現的細菌生物體化石是非常微小的，是幾乎看不見的類似于原始細菌的生物體化石，有些化石呈卵形，有些呈管狀，但令人驚奇的是，它們同地球上的一些細菌及其他微生物化石非常相似。ALH84001隕石中發現的化石非常小，最大者尺度也只有人的頭發絲寬度的1/100，而且大多數都只及最大者的1/10大小。ALH84001隕石中發現了細菌化石在學術界也存在很大的爭議，也有一些學者認為該隕石巖相中的細菌化石可能是墜地后期形成的，爭議來爭議去ALH84001隕石卻成了一顆轟動世界的火星隕石。有學者評價“不管怎樣爭議，它也是人類第一次在隕石中發現了與火星相關的有機分子”。

ALH84001火星隕石為粗粒巖石，主要由可達5～6毫米長的斜方輝石晶體構成，晶體呈多邊形粒狀鑲嵌在基質中，全巖斜方輝石礦物含量可高達95%左右，輝石組分中還含有1.5%左右的氧化鈣成分，片晶鏡下觀察輝石礦物沒發現有出溶特征。ALH84001火星隕石中的次相礦物主要有鉻鐵礦、斜長石、熔長石、磷酸鹽、橄欖石、普通輝石、黃鐵礦與碳酸鹽等礦物組成。ALH84001隕石的巖相有一部分礦物已出現了氧化特征，一些較小呈黑色不規則斑塊狀的鉻鐵礦顆粒雜亂分散在整個巖相基質中，且巖相中有許多細小的裂縫存在。較粗粒的輝石礦物呈碎裂狀，許多斜方輝石和鉻鐵礦晶體出現了沿裂縫偏移現象。ALH84001隕石的礦物學和巖石學特征與其它SNC類型的火星隕石非常一致。ALH84001被認為是太陽系最古老的石頭，形成于40億年之前左右，大概在1.5億年之前受撞擊脫離火星，在經歷漫長的星際旅行之后，在13000年之前到達地球。當時，它呼嘯穿過地球的大氣層，墜落在南極洲的冰天雪地上，冰層運動將其帶上了地表，終于在1984年12月27日被探險家發現。根據一項對其宇宙射線暴露情況的研究表明，在墜落之前，它一直以紊亂的軌道環繞太陽運行了1600萬年左右。一開始以為這塊隕石是來自一顆灶神星，但后來研究證實其是來自火星上的。

一些火星隕石中富含的橄欖石、輝石和斜長石等主要礦物，它們受各種形成因素影響其在化學組分上也存在一些變化，每個火星隕石中的礦物組成和化學組分上都存在一些差異性，因為它們都經歷了類似相同而又不同的成因變化，比如各種不同類型的火星隕石，它們從母體成因、演化、逃逸、遨游、墜落、熔融與沖擊，再到分離結晶與冷卻凝固等過程中，其在形成條件與演化過程上的不同，它們各自在巖相結構、礦物組成、化學組分、物質變化和成巖機理上也存在一些差異性。已知的四種火星隕石其巖石類型、礦物組成與結構模式上都有著明顯的不同之處。輝玻巖石類型火星隕石主要由近似等量的易變輝石和普通輝石,再加熔長石組成,并含有少量橄欖石和粒間充填物。該類火星隕石中富含的橄欖石含量明顯大于輝石的總量。此外,個別由A、B兩種巖性組成的輝玻無球粒隕石,其中巖性A以含cm級大小的俘虜體為特征,該俘虜體由粗粒斜方輝石、橄欖石及少量鉻鐵礦組成。輝橄巖類型火星隕石主相礦物由普通輝石、橄欖石和粒間充填物組成,另含有少量熔長石及易變輝石。純橄火星隕石主要含有橄欖石,次相礦物含有少量的輝石、熔長石和鉻鐵礦等,但粒間充填物相對較少。斜方輝巖火星隕石（ALH84001類型）主要由斜方輝石以及少量的鉻鐵礦、熔長石、普通輝石和橄欖石等組成。

火星隕石中均含有少量的不透明礦物相,最常見的是磁鐵礦或鉻鐵礦,前者主要分布于輝玻巖和輝橄巖類型火星隕石中,而后者主要分布于純橄巖及斜方輝巖類型火星隕石中,也極少量出現于部分輝玻火星隕石中。火星隕石中含有的其它副礦物有白磷鈣礦、磷灰石、磁黃鐵礦、隕硫鐵、鎳黃鐵礦、黃銅礦、鈦鐵礦、金紅石、鐵尖晶石、鐵閃石和斜鋯石等。部分火星隕石中還發現了極少量的碳酸鹽和硫酸鹽類物質，一些碳酸鹽和硫酸鹽類物質它們存在有兩種形成的可能，一種是墜落到地球后期風化作用成因的，另一種有學者主張可能是地外成因的，目前一些碳酸鹽和硫酸鹽類物質在火星中的形成原因還尚存爭議。有的輝橄火星隕石中還出現有少許的伊丁石，它們多是沿橄欖石邊緣、裂隙或粒間充填物中可見伊丁石產出。黃鐵礦在其它無球粒隕石中極少見,但它常少許產于輝橄無球粒火星隕石、純橄無球粒火星隕石和斜方輝石巖類型火星隕石中。火星隕石在結構上以火成堆積最常見,堆積晶主要為毫米級粗粒、自形或半自形的輝石、橄欖石與熔長石及各種不透明礦物相充填于粒隙中。在一些火星隕石中(如輝橄巖類火星隕石)柱狀輝石還具有定向排列趨勢。在ALH84001隕石中橄欖石呈5～10微米級細粒分散包裹于斜方輝石晶體中。此外,部分火星隕石除火成堆積結構外,在其它區域還可見鑲嵌結構或變質結構,如在ALHA77005和純橄巖等火星隕石的一些部分巖相中,自形、半自形橄欖石和毫米級大小的鉻鐵礦包裹于毫米級粗粒輝石晶相中,純橄無球粒火星隕石部分區域中的橄欖石、ALH84001隕石中的斜方輝石以120°夾角接觸。

所有火星隕石中的斜長石因高溫熔融而出現熔長石化,但在部分火星隕石中熔長石也有重結晶現象。在各種不同類型的火星隕石巖相中，還呈現出不同程度的沖擊與變質特征。在輝玻火星隕石中,巖相中的硅酸鹽礦物常出現有破碎、波狀消光、機械雙晶以及沖擊熔融等現象。在ALHA77005及LEW 88516隕石中還存在有沖擊熔融瘤體及脈體,它們是該巖石類型中受沖擊最強烈的樣品。純橄火星隕石中的硅酸鹽類礦物多具有波狀消光現象。一些輝橄火星隕石除出現熔長石化外,基本上不具有其它明顯的沖擊特征。沖擊破碎帶結構僅見于斜方輝巖類型火星隕石中（如ALH84001隕石）,其破碎帶是由細粒斜方輝石和呈30微米級左右的鉻鐵礦組成，由于ALH84001火星隕石的巖相結構與化學組分比較特殊，其通常也被放置在特別的“OPX”隕石群中。此外,斜方輝巖類型火星隕石其巖相中的硅酸鹽礦物還有波狀消光現象。盡管火星隕石均受到不同程度的沖擊與變質作用,但尚未見到具有角礫構造的火星隕石出現,而具有角礫構造的隕石多為月球隕石，但具有角礫構造的隕石在其它無球粒隕石中也很常見。EET A79001雖然由 A、B兩種巖性組成,但它們之間呈火成接觸關系。火星隕石中磷酸鹽是一種重要的副礦物，主要有磷灰石和白磷鈣礦。在輝玻巖和輝橄巖類型中以磷灰巖為主，而在純橄巖和斜方輝石巖類型中以白磷鈣礦為主。磷灰石在化學組成上以富Cl為特征。

火星隕石輕元素及捕獲稀有氣體同位素組成特征，一些火星隕石中含有少量的角閃石、伊丁石以及碳酸鹽和硫酸鹽，表明火星上曾有液態水的存在。在一些純橄和輝玻無球粒隕石的熔融包裹體中，其角閃石的氫同位素分析結果表明，純橄無球粒隕石中的角閃石δD值變化很大,并具富氘組分(+501～1420‰)，明顯不同于輝玻無球粒隕石鐵閃石的δD值(- 80±31‰)。純橄火星隕石中的角閃石氫同位素組成特征及其與輝橄火星隕石中夾雜的一些地外風化產物，其氫同位素組成具有非常相似性，表明含水流體對純橄火星隕石的影響。有學者通過階段加熱(150℃,350℃,600℃,1000℃)研究了部分火星隕石全巖析出水的氧同位素組成，分析結果表明，除 EET A79001隕石巖性A及輝玻無球粒隕石外，其它火星隕石樣品≥350℃析出的水均含有明顯的16O過剩(Δ17O=-0.4～-0.8‰)，表明有地外來源水的存在。火星隕石大都是來自同一氧同位素源區,其Δ17O值高于地球和月球樣品,但低于各類普通球粒隕石。對輝玻巖類火星隕石的分段燃燒實驗結果表明該類隕石具有十分復雜的碳組分。其低溫產物(200～500℃)由兩種類型組分構成，一種富13C,可能與母體風化產生的碳酸鹽有關,另一組分較輕，其來源不清楚，可能與沖擊事件相關。對于高溫組分,全部樣品均含巖漿成因的碳組分(δ13C=-27～-33‰)，并且部分樣品含火星大氣中捕獲的CO2(δ13C≥+15‰)。有隕石研究學者指出，雖然火星隕石的大部分碳可能是來自地球的污染，但 EET A79001隕石巖性A中的俘虜體含4.6ppm富δ13C組分(δ13C=+36‰)，其組成落在海盜號對火星大氣的測量誤差范圍之內，并且其相對于稀有氣體和N2的豐度也與火星大氣相一致。

此外,輝橄火星隕石中還發現富13C的低溫碳組分，可能為火星大氣風化形成的碳酸鹽(δ13C=+12- +24‰)。通過對ALH84001火星隕石的研究表明,該隕石中同樣存在有機碳(δ13(δ13C=+0.8‰)和巖漿巖碳(δ13C=+40.1‰)三種類型的碳組分。EET A79001隕石中捕獲N2及稀有氣體Ar的同位素比值(15 N /14 N-40 Ar/14N) 落在火星大氣與地球大氣的混合線上,這也是SN C隕石火星成因最直接的證據之一。此外,14N,40Ar,36Ar,20Ne,84Kr,132Xe等相對豐度均落在火星大氣的組成范圍之內。然而,有隕石研究學者隨后對EETA79001巖性A及輝玻火星隕石的研究卻未發現火星大氣組分存在的證據,這可能反映了火星大氣組分在火星隕石中的不均一分布。也有隕石研究學者對一些火星隕石中捕獲稀有氣體的研究表明,EET A79001隕石玻璃36Ar/132Xe-84Kr/132Xe比值落在火星與地球大氣的混合線上,但輝橄火星隕石及純橄火星隕石則要求火星大氣比其表面巖石含更高的放射性成因129Xe和散裂成因Xe,這種情況與地球上正好相反。LEW 88516和輝玻火星隕石的129Xe/132Xe-84Kr/132Xe比值可解釋為火星大氣與純橄火星隕石的簡單混合,但Zagami和LEW 88516火星隕石在1200℃析出的組分明顯低于該混合線,特別是LEW 88516隕石在1200℃析出的組分,幾乎不含放射性成因129Xe*。

火星隕石的顏色，有些人認為火星隕石可能是紅色或綠色的，事實上沒有發現火星隕石的熔殼是呈紅色或棕紅色的，一些新鮮的火星隕石熔殼多是呈黑色或灰黑色的。火星隕石熔殼有的還會出現龜裂、皺紋與凸斑現象。但一些墜地較久的火星隕石，因受撞擊、長期受風沙磨礪與水蝕風化等作用影響下，一些隕石的熔殼也會出現大面積缺失、全部脫落或被風沙全部消融掉，熔殼脫落后的火星隕石質地多呈淺綠色、灰色、卡其灰色、黑色、淡黃色與粘土色等。熔殼脫落后的火星隕石很容易和一些地球火山成因的變質玄武質巖、熱液接觸型砂巖與斑巖等混淆，也會常把一些綠泥石、陽起石、綠簾石和蛇紋石等誤認是火星隕石。火星隕石因經歷了高溫熔融、沖擊壓力與變質作用，火星隕石的破碎或殘缺處常可見到一些擊變形成的熔長石、斜長石或長石玻璃物質，這類長石物質在燈光或陽光的照射下常會出現閃光。在民間有一些人喜歡用磁鐵來測試疑似隕石是否具有磁性吸附力，模糊的認為不管什么石頭只要有磁性就可能是疑似隕石或隕石，石頭沒有測試出有磁性就統統扔一邊，實不知一些人的做法是錯誤的，因為一些人用磁性盲目的判斷是不是隕石是不科學的。我們知道大多數的鐵隕石、石鐵隕石和普通球粒隕石因金屬含量較多的緣故，它們很容易被磁鐵吸附住。然而，月球和火星隕石或其它一些無球粒隕石的金屬含量是極低的，有的隕石中根本就沒含有金屬礦物，所以它們有的磁性較弱或有的則根本就沒有磁性。同時，地球成因的一些各種陸地巖石中也含有大量的磁性金屬礦物，所以僅用有沒有磁性來區分它們是不是隕石其也是靠不住的。

火星隕石在外貌特征與成因產狀上很接近一些地球成因的火山巖，如淺層火山巖、深層火山巖、噴出巖與次火山巖等。保留有一些熔殼的火星隕石被人們發現的幾率比較大，但熔殼缺失與完全消融后的火星隕石被人們發現的幾率相對較小，因為，熔殼缺失與完全消融后的火星隕石與地球成因的一些火山巖，其結構、構造、顏色與晶質都比較近似。雖然自然界中的巖石種類非常繁多，并且在各類之間存在許多過渡類型的巖石，但只要進行細致的觀察就會有所發現。比如，我們可從疑似隕石的殘缺或破損處進行初辨，即可從其結晶程度、晶質變化、新鮮面與風化面、結構與構造、熔融與冷凝跡象、巖石形態等方面進行觀察，也要考慮疑似隕石的次生變化、發現的地質與地貌等因素。火星隕石的鑒定與確認最終還需要通過國家權威實驗室的科學檢測，我們的隕石研究人員可借助X衍射、透電鏡、電子探針與同位素質譜等專業儀器進行系統的檢測與分析，通過對疑似隕石的巖相結構與構造、礦物組合、化學組分與同位素值差異等方面進行特殊的鑒定分析，從而可科學有效的得出準確的鑒定結論。

（備注：疑似隕石或隕石檢測分析研究與鑒定系列知識科教普及—作者系中國科技大學天體行星與隕石化學實驗室及中科院直屬國家重點理化科學實驗室--陳王勇教授、潘波教授、洪吉安教授與高關胤研究員等，版權文稿·未經允許不準進行任何形式的轉載或使用。編輯：羅成彬）