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小矿物揭示大背景:极微小晶体颗粒展现陨星强烈撞击事件

2016-9-12 | 来源:中华硅谷信息网 | 点击:

导读: 据物理学家组织网站报道,在将近一个世纪之前由勘探者们挖掘出来的砂岩中,一个国际科学家小组近日发现了一些极微小的晶体颗粒。这些微小矿物颗粒中隐藏的信息让科学家们了解到,在大约4.9万年前形成今天位于美国亚利桑那州北部的巴林杰陨坑的那场强烈撞击事件中出现的极端高温...

据物理学家组织网站报道,在将近一个世纪之前由勘探者们挖掘出来的砂岩中,一个国际科学家小组近日发现了一些极微小的晶体颗粒。这些微小矿物颗粒中隐藏的信息让科学家们了解到,在大约4.9万年前形成今天位于美国亚利桑那州北部的巴林杰陨坑的那场强烈撞击事件中出现的极端高温与高压环境。当时,一颗直径大约50米的陨星以大约每秒12公里的速度撞击地面,形成了今天人们所称的“巴林杰陨坑”(Meteor Crater)。

这些晶体矿物就是锆石。分析显示这些矿物晶体最少经受了超过2000摄氏度或更高的高温环境,这样的温度已经足以熔化地球上的任何岩石。在地球的地壳部分,这样的高温环境只可能出现在陨星撞击时的一瞬间。

锆石颗粒通常都非常微小,但这种矿物在地质学上异常重要,因为它有一个特点,那就是非常 温度,能够在数十亿年的时间里一直保存下来,因此常常会被地质学家们用于判定古老撞击坑的年代。但在这篇最新刊载在《地质学》杂志网络版上的论文中,锆石 则被用于对一个对它而言年轻得多的撞击坑——形成年龄距今不到5万年的巴林杰陨坑的研究中,这个陨坑很有可能是世界上被研究的最为彻底的撞击坑之一。这项研究的第一作者,澳大利亚科廷大学西澳大利亚矿业学院的阿伦·卡沃西(Aaron Cavosie)教授指出:“这个陨坑比较新鲜,年轻,样品比较容易获得。”卡沃西教授同时也是美国威斯康星大学麦迪逊分校的访问学者。

在电子显微镜下,这些锆石看上去就像是聚在一起的很多细小珍珠。这些颗粒状锆石在南非以 及月面上的一些大型撞击坑中此前也有被观察到。但卡沃西指出:“直到现在,还没有人能够确切地回答,究竟是在什么样的条件下,正常的锆石才会出现这样的转 变,成为聚集在一起的数以千计极其细小的颗粒。”

卡沃西的研究组成员中还包括科廷大学的几位博士生,以及来自美国地质调查局以及美国宇航局的合作者。他们的研究结果给出了锆石出现这类转变所需的几项条件:超过30万倍地球大气压的超强压力条件,并且温度也要超过2000摄氏度以上。

当研究人员利用电子束流轰击14个锆石颗粒时,电子会被散射并回到探测器内并进行分析,以此可以观察锆石的化学成分和复杂的内部结构。卡沃西表示:“当我们观察这些不同寻常的锆石的内部纹理时,我们发现这些小颗粒的结晶学方位分布并非是随机的,而是具有高度的系统性。”

这些锆石颗粒非常微小,8颗 这样的颗粒排成一线,其长度还不及一根头发丝的宽度。卡沃西指出:“这些晶体的朝向记录了锆石在不断增加的压力面前出现的一系列变化——就像但丁笔下的九 层地狱。”在中等程度的冲击作用下,锆石晶体将出现面状裂隙,而当压力值继续上升,锆石将出现双晶形态,也就是锆石晶体晶体生长方向上部分发生了变化。这 种特定的变化只能发生在撞击事件导致的局部环境下,此前科学家们已经在其他地点观察到这种现象。

卡沃西表示:“另外一种特殊的结晶学方位特征只出现在锆石转变为一种极其罕见的超高压矿物——莱氏石(reidite)时才会出现。实验室数据证明这种矿物的产生所需的环境压力甚至比锆石双晶出现的环境压力更高。”

最终,撞击事件将产生极端的高温环境,导致撞击点周围所有的岩石都被熔化并蒸发。砂岩中丰富的石英颗粒将在这一过程中熔化成为玻璃质地,因此你会观察到被所谓“击变玻璃”所包裹的锆石颗粒。

卡沃西表示:“当我们将所有这些线索结合到一起——包括这些颗粒状锆石中呈现的结晶学方位分布特征,双晶的出现,一直到莱氏石的形成所需要的极端压力环境条件,并意识到这些锆石颗粒曾经被浸没在由岩石熔化形成的,温度超过2000摄氏度的液态硅酸盐之中。这样的高温环境能够导致锆石的重结晶作用,形成这样的聚集的颗粒状纹理结构。另外,有证据显示这样的高温环境消失的非常迅速,我们观察到这些颗粒状锆石存在一些原始成分保存相当好的部分,这让我们得以恢复并反演其化学组成和形成环境条件。”

极端且迅速消减的压力与温度条件在地质学上是非常特殊的情况。卡沃西表示:“地质学家一般考虑的都是某种极其缓慢的过程,比如将碳转变为钻石的过程就是缓慢而稳定的,它需要持续长达数百万年的高温高压环境。”

而导致这种形态的颗粒状锆石形成的转变过程,这样的温压环境最多只持续不超过数分钟时间。卡沃西表示:“很快,极端压力环境便消失了,高温也迅速冷却。撞击在地面上产生一个巨大的撞击坑,但你可能会很惊讶,形成这些锆石的变化过程仅仅发生在数秒最多数分钟的转瞬之间。”

卡沃西指出,理解这些颗粒状锆石的成因,其意义远远超越了这样单独一个撞击坑的范畴。他 说:“这些颗粒状锆石在陨石中也有发现,而我们对那些陨石的历史所知甚少。而现在,当我们在陨石中再次找到这样的矿物,那么我们就将能够据此反演这颗陨石 在抵达地球之前一路上所经历的温度和压力环境。”

对于那些从火星或月球取样返回的样品也是一样,实际上卡沃西目前正在对一些由阿波罗项目期间带回的月球岩石样品进行分析。


美国威斯康星大学麦迪逊分校的地质学教授,锆石专家约翰·威利(John Valley)表示:“卡沃西和他的同事们所报道的这项新的诊断技术将帮助针对地球以及太阳系其他天体表面撞击作用的研究。这对于加深我们对于地球历史的了解以及生命的起源过程具有重要意义。它也将帮助预测未来地球遭遇大型撞击事件的几率,比如6500万年前撞击地球,并造成整个地球上几乎全部陆生生物灭绝的那种规模的撞击灾变。”(晨风)

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