Nature Communications:研究揭示灶神星内部复杂地质过程

灶神星是太阳系主小行星带的一颗小行星，是人类发现的第四颗小行星，因此也称为4号小行星。灶神星也是已知太阳系内最大的原行星。所谓原行星，是指星子之间由于重力吸引并相互撞击熔融形成的行星胚胎。一般认为内太阳系中的类地行星都是在原行星的基础上进一步生长形成的。灶神星是一颗没有成功形成行星的行星胚胎。

美国的黎明号飞船曾于2011年7月到2012年9月对灶神星进行了探测，发现灶神星是一颗具有核-幔-壳结构俱全的小行星。考虑到灶神星并不是很大（直径约为地球的1/25），通常认为灶神星在固结之后便处于死亡状态，其内部因为缺乏足够的热应该不会有地质活动了。但是，最近南京大学的张爱铖教授和合作者在Nature Communications杂志发表文章，发现了灶神星内部在固结后仍可能存在复杂地质活动的证据。

行星科学和地球科学研究的一个很大不同就是很难对地外天体进行野外采样。现在世界上唯一已成功采样返回的是日本的隼鸟计划，2010年它成功地从糸川小行星表面采集的1500多个颗粒带回地球。由于深空探测返回样品非常有限，很多科学家选择成本小很多的陨石样品进行行星科学研究。陨石是降落在地球表面的地外固体物质。张爱铖教授这篇文章中使用的就是在西北非洲发现的一颗陨石，编号为Northwest Africa 8321，简称NWA 8321。

NWA 8321是一块主要由斜方辉石和斜长石组成的岩石，含有少量的橄榄石、铬铁矿、硫化物等矿物。前人曾经根据这样的矿物组合和斜方辉石的成分特征将该陨石分类为Diogenite陨石。这类陨石和Eucrite陨石及Howardite陨石一起被认为是来自于灶神星的陨石，主要依据是这类陨石和灶神星表面物质反射光谱特征非常相似。

张爱铖教授发现这块陨石有三个特征不同于大部分diogenite陨石：（1）NWA 8321陨石是非角砾岩陨石，大部分diogenite陨石是角砾岩（不同矿物或者岩石碎块的混合体）；（2）这块陨石含有>10 vol%斜长石，而大部分diogenite陨石不含斜长石或者含量极低；（3）NWA 8321陨石中硫化物呈聚集分布的特征。因为这些特征，NWA 8321陨石显得很异类。为了确证这块陨石属于Diogenite陨石，张爱铖教授和鲍惠铭教授（路易斯安那州立大学/南京大学）与秦礼萍教授（中国科学技术大学）合作，对NWA 8321进行了高精度三氧同位素和铬同位素分析。他们发现这块陨石的稳定同位素组成与其他灶神星陨石一致，应该来自于同一小行星—灶神星。

仔细的电子显微镜观察发现NWA 8321陨石中的硫化物是陨硫铁，它与一种细粒斜方辉石紧密共生，包裹橄榄石和或者穿插在橄榄石中。这种细粒斜方辉石中Ca，Al，Cr和稀土元素含量明显低于陨石主体中的斜方辉石。根据这些岩相学和矿物化学特征，张爱铖教授提出这是富硫的蒸汽与橄榄石发生交代反应的结果。曾经有国外学者在角砾岩型的灶神星陨石中观察到类似现象，并提出这可能是撞击事件导致熔融重新结晶的结果。但是这种观点无法解释两种斜方辉石成分的差异。由于NWA 8321陨石具有粗粒结构，并没有撞击熔融重新结晶的岩石结构，因此，硫化交代成因是这种现象最合理的解释。

图1、NWA 8321陨石中陨硫铁和斜方辉石交代橄榄石的岩相学特征

 图2、NWA 8321中辉石的成分特征以及和文献中其他Diogenite陨石中辉石成分的对比

张爱铖还观察到与陨硫铁和细粒斜方辉石紧密相关的橄榄石颗粒很多被陨石中的粗粒斜方辉石包裹。这是非常重要的观察事实，因为很多之前在灶神星陨石中观察到的陨硫铁和斜方辉石共生结构都是岩石碎块的形式出现。NWA 8321陨石中的矿物包裹关系说明了橄榄石的硫化交代反应需要发生在粗粒斜方辉石形成之前，只能是发生在灶神星的内部，不会是灶神星的表面或者表层。结合陨石主体矿物平衡温度和结晶压力计算，研究人员估计橄榄石的硫化交代反应至少发生在灶神星表面10 km以下或者更深的位置。

图3、不同压力下矿物结晶顺序和矿物组合的Rhyolite-MELTS模拟计算结果

在小行星内部发生硫化交代作用是出乎意料之外的，它突破了科学家对灶神星内部演化的传统认识。这种过程在灶神星内部的存在表明其他类似或者稍小的原行星中也可能存在类似硫化交代作用，因此该发现为研究原行星和行星早期内部地质过程和历史打开了一扇窗。它将帮助科学家探索一系列行星科学问题， 例如，“交代作用的物质和能量来源是什么？”、“交代作用的地球化学效应是什么？”、“小行星形成之后内部地质作用发生的驱动力是什么？”和“灶神星为代表的分异小行星的内部结构究竟是怎样的？”等。

南京大学的陈立辉教授、研究生何叶，中国科学技术大学的刘佳博士，中科院地球化学研究所的高剑锋研究员，以及日本北海道大学的Hisayoshi Yurimoto教授、Noriyuki Kawasaki助理教授、Naoya Sakamoto助理教授和Minami Kuroda博士也参与了该项工作。该成果获得了国家自然科学基金面上项目，江苏省杰出青年基金，南京大学登峰人才支持计划，以及中科院行星科学先导B项目（XDB41000000）的经费支持。

论文DOI链接为：DOI: 10.1038/s41467-020-15049-7

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