南极陨石

一、南极陨石的发现历史及其意义

      在早期南极科学考察中,在南极冰盖上仅零星发现了4块陨石,分别为Adélie Land(澳大利亚探险队,1912年)、Lazarev(前苏联探险队,1961年)、Thiel Mountains(美国野外队,1961年)和Neptune Mountains(美国野外队,1964年)。但非常遗憾,因其中三块是在山坡基岩上发现的,仅Thiel Mountains陨石在冰碛上,为此,人们并未意识到南极大陆存在冰川作用使陨石产生富集,南极冰盖是陨石的宝库。1969年,日本在Yamato Mountains地区发现了9块陨石。这9块陨石的大小和类型不同,显然不是一次陨石降落事件的产物,因此,Yoshida(1971)首次提出南极冰盖可能存在一定的陨石富集机制,并且在Yamato Mountains地区可以找到更多陨石。1973年,他们在同一区域又发现了13块陨石,从而证实了他们的想法。于是,1974年日本成立了陨石猎人队专门在南极搜寻陨石,并于1974年和1975年在Yamato Mountains地区分别回收到663块和307块陨石,充分证明了南极陨石富集机制及富集区的存在。紧接着,美国与日本于1976-1978年组成了陨石回收联合队,在Mountain Baldr和Allan Hills地区开展陨石回收考察,共回收陨石321块。尔后,日本、美国以及欧洲联队分别在南极反复开展回收陨石活动,其中,日本于1979年、1998年和2000年

           备注:绿色、蓝色 和红色圆点分别为日本、美国和中国发现的陨石富集区,红五星为中山站的位置

在Yamato Mountains回收陨石均取得重大突破,分别回收陨石3697、4136和3554块。表1分别列出了日本和美国历年来陨石收集情况。

          根据已有的回收陨石情况,南极陨石主要分布在东南极冰盖东侧边缘(主要是Queen Maud Land地区)和横断山脉两大区域。横断山脉的几个陨石富集区是:Mckay/David冰川地区(Allan Hills蓝冰区、Reckling Moraine/Elephant Moraine蓝冰区)、Frontier Mountain地区、Beardmore Glacier/Law Glacier地区、Thiel Mountains/Pecora Escarpment/Patuxent Range地区。Queen Maud Land地区有两个陨石富集区:S?r Rondane Mountains和Yamato Mountains。我国新发现的陨石富集区格罗夫山地区(Grove Mountains),位于东南极普里兹湾兰伯特冰川伊利莎白公主地。详细的陨石富集区分布可见:http://meteoriticalsociety.org/simple_template.cfm?code=pub_bulletinareas

    陨石之所以在南极富集,是因为:1)南极极其寒冷和干燥的特殊气候条件,为陨石长期保存提供了极为有利条件,因此,南极陨石的居地年龄可达几十万年,甚至2.3Ma;2)南极的冰盖历史长(据估计可能达到10Ma),厚度大(平均厚度约2300米)以及辽阔的面积(1400万平方公里),提供了巨大的陨石来源;3)存在有效的陨石富集机制。据估计陨石在地球表面的降落概率约40-60个/106km2·y,如果南极冰盖中的陨石没有被富集到很小的区域,人类在南极发现陨石的概率非常低,不可能有大量陨石的发现。随着降雪的积累,南极冰盖的冰层也从中心地区放射状以冰流的形式向四周流动,其中大部分的冰流直接流向海洋,其中的陨石也随之沉入海底,而部分地区因受到潜伏地形障碍(如横断山脉),冰流受阻,蓝冰在下降风的作用下快速消融,从而使陨石搁浅产生富集。另外,在南极回收陨石的另一有利条件是具有黑色熔壳的陨石在蓝冰上非常易于识别。

表1 美国和日本南极陨石收集汇总

年度

美国陨石收集数

年度

日本陨石收集数

1976

11

1969

9

1977

248

1973

12

1978

228

1974

663

1979

73

1975

308

1980

100

1979

3702

1981

315

1980

13

1982

108

1981

133

1983

281

1982

211

1984

272

1983

42

1985

362

1984

59

1986

558

1986

817

1987

670

1992

3

1988

876

1994

16

1990

1098

1998

4136

1991

600

2000

3554

1992

254

1993

840

1994

596

1995

235

1996

388

1997

85

1998

189

1999

1005

2000

71

2001

13

汇总

10475

17000

   陨石是来自行星际空间,穿过地球大气层经烧蚀后而能残留下来降落到地面的地外固体物质。除阿波罗登月计划和月球号飞船无人取样返回计划从月球上取回的382公斤月岩和月壤样品外,陨石是人类唯一获得的来自地球之外的岩石样品, 是人类可直接在实验室进行分析, 从而认识太阳系形成与演化的窗口。 虽然每天降落到地球的地外物质约102-103吨,但是大约只有1%可降落到地面成为陨石, 绝大部分在穿过大气层时烧毁。不仅如此,能被发现并回收的陨石数量更少, 因为地球表面近3/4面积被海洋覆盖,还有大面积人烟稀少的沙漠、高山和森林。 因此,陨石是非常稀少而珍贵的科学资源。在南极发现并回收陨石以前,人类历史找到的陨石不过几千块。 自从1969年日本在南极回收9块陨石以来,在南极冰盖上已回收的陨石总数已达32000多块,是历史回收陨石的十几倍。 由于大量南极陨石, 特别是其中一些特殊类型样品的发现,为陨石学研究者提供如此多宝贵的样品, 为天体化学和行星科学的发展提供了充足的物质条件,为此,近几十年来国际上该学术领域得到了长足的发展。

格罗夫山的地质地理概况

   格罗夫山地区位于东南极伊丽莎白公主地,是由64座岛峰和相间的蓝冰区所构成的岛峰群(俞良军 et al. 2002)。格罗夫山北距中山站约500公里,经纬度为:72°20¢-73°10¢S,73°50¢-75°40¢E,面积约3200平方公里,其中蓝冰区面积约560平方公里。该地区背靠南极的最高冰穹隆-Dome A,面向普里兹湾,海拔从东南角的2500米左右台阶式下降至西北角的1500米,落差达1000米。Dome A的东侧冰流在该区受到格罗夫山地区的山脉阻挡,分成三股支流,其中两支从东西两侧绕过格罗夫山地区流进兰伯特裂谷,另外一支冰流则从格罗夫山的岛峰间成“之”字形穿流而过。由于受到山脉的层层阻挡,这第三支冰流的流速严重减缓,局部地区的冰流甚至停滞不前。这些地方由于流进的冰多于流出的冰,这样就造成了冰面的抬升,当受到强烈的下降风的作用,积雪难以存留,而且前方进来的冰流也在抬升过程中被蒸发或消融,因此,在格罗夫山的腹地形成了大面积的裸冰区或者蓝冰区。因此,陨石也在该地区产生富集。

中国1、2次格罗夫山考察

  1998/1999年南极夏季,我国第15次南极科学考察队派遣4名队员组成的格罗夫山野外队单车进发格罗夫山地区,首次对该地区开展地质、测绘和冰雪等领域的实地科学考察活动。在1999年1月3日,考察队员发现了我国第一块南极陨石,从此揭开了我国南极陨石搜集考察的序幕。此次考察,发现了4块南极陨石,实现了我国南极陨石零的突破。

1999年12月,第16次南极科学考察队再次前往格罗夫山地区,对该地区进一步开展了综合考察活动。因前次考察中偶然发现4块陨石,所以,再该次考察中南极陨石已受到了考察队的重视,专门抽出时间进行寻找陨石的“暴风行动”。在为期7天的“暴风行动”中,考察队员们共搜集了28块陨石样品,其中包括一块火星陨石。

第3次格罗夫山考察

经研究,上述32块陨石除一般平衡型普通球粒陨石外,还出现了1块火星陨石、1块铁陨石、1块灶神星陨石(钙长辉长无球粒陨石,eucrite)等特殊类型陨石。根据详细的岩石学和矿物成分特征对比,这些陨石中有10块陨石分别属于5对成对陨石,表明32块陨石可能代表了27次陨石降落事件。因此,这些陨石数量和类型表明格罗夫山是一个潜在的陨石富集区。为了证实格罗夫山是否是陨石富集区和为了寻找更多的陨石样品,第19次南极科学考察队成立了以搜集陨石为中心任务的第三次格罗夫山考察分队。

人员组成及装备

本次格罗夫山考察分队组成8人,包括陨石专业人员2人、地质1人、冰雪1人、测绘2人和机械师2人,其中2人曾在格罗夫山地区考察过。因受条件限制,本次考察队员分两批先后进入格罗夫山地区,第一批5名队员,乘澳大利亚南极考察队的“极光号”(Aurora)破冰船到中山站后,再坐雪地车,于2002年12月23日到达格罗夫山地区;第二批3名队员则乘雪龙号到中山站,于2003年1月17日通过直升飞机进入格罗夫山。本次格罗夫山考察装备主要有3辆雪地车、2辆雪地摩托、3架雪橇、3个工作生活仓、2台发电机。

陨石搜集和保存

陨石来自于地球外的太空,其环境与地球的差异很大,一般陨石降落后极易产生风化和化学成分的变化,因此,大多数陨石在地表不易保存。但是南极因其特殊寒冷干燥的环境而保存了大量陨石。为了使这些在冰面上发现的陨石尽可能减轻收集后的风化和成分变化而保存其科研价值,陨石在收集过程及其后期的保管程序都应当严格和慎重。当队员们发现陨石或者怀疑是陨石,先照相,再用全球定位仪(GPS)确定陨石的位置,用聚已稀塑料样品袋包装,并临时编写顺序号。然后,在营地内逐个进行鉴定,确定是否为陨石和大概类型,并统一编号。按照国际惯例,南极陨石编号由地名+发现时间+顺序号组成。因此,在格罗夫山收集的陨石编号为GRV+时间+顺序号,如GRV 020010,GRV为格罗夫山地名(Grove Mountains)缩写,02为2002-2003年(习惯上跨年度的野外季节统一采用前一个年号),0010为该季收集的第10块陨石。最后,对陨石进行登记和记录,记录内容包括:陨石编号、发现位置(经纬度)、发现者、主要鉴定特征(包括形状、大小、熔壳、颜色、内部结构、风化程度等)、初步鉴定结果和鉴定者。

为了尽可能保持其原始状态,在运输过程一直保存在冰库中,使陨石尽可能减少氧化和污染。这次由于陨石收集数量巨大,原准备的聚已稀塑料样品袋数量严重不足,后来,不得不采用食品袋包装。

野外搜寻工作

野外寻找陨石方式以步行拉网式为主,同时也采用雪地摩托配合搜寻。根据陨石搜集的区域和工作进展情况,本次陨石搜集的工作可大似划分为3阶段:第一阶段(阵风悬崖南段蓝冰区)、第二阶段(阵风悬崖中段蓝冰区)、和第三阶段(阵风悬崖北段蓝冰区)。

  • 第一阶段(2002年12月20日-2002年12月31日)

这个阶段为摸索和积累经验阶段,工作区域在阵风悬崖南段下方蓝冰区。我国第16次南极考察队曾在该区域发现28块陨石。原计划从阵风悬崖上方冰原蓝冰区开始陨石搜寻工作,但在踏勘中发现这个区域的冰缝非常发育,考虑到受装备的限制,因此,本次考察改为从阵风悬崖南段蓝冰区作为陨石搜集工作的开始地区。该蓝冰区大约30km2。这个阶段找到41块陨石,这些陨石质量小,样品新鲜,均有黑色熔壳。于1999-2000年16次考察曾对该蓝冰区进行了认真搜寻,并发现28块陨石,因此,除了上次搜寻可能的陨石遗漏外和个别大于100g的陨石外,大部分陨石分布在蓝冰凹地或蓝冰与积雪带接合部位,因而它们可能为风搬运而来的。

  • 第二阶段(2003年1月1日-15日)

这个阶段工作主要对阵风悬崖中段蓝冰区和I号和II号冰碛进行陨石搜寻。该区蓝冰面积约50km2。这个阶段对陨石的野外识别有了突破,主要是确定了无熔壳和风化严重的陨石。在这个区域共收集2684块陨石。但这些陨石风化严重,多为碎块,具有深褐色颜色。它们可能具有较长的露出蓝冰表面的历史。它们大多在I、II号冰碛中或其附近发现。

  • 第三阶段(1月16日-1月22日)

这个阶段主要在阵风悬崖北段蓝冰区和III号、IV号冰碛进行陨石寻找工作。该区蓝冰面积约超过100km2。但因工作时间紧迫,只对其中的40-50km2区域进行搜寻。这个区域陨石富集密度大,而且陨石质量比较大。这个区域的陨石大多有黑色熔壳,风化程度比阵风悬崖南段的陨石重,但明显比阵风悬崖中段的陨石新鲜。本次收集的大于100g陨石绝大部分发现于该区域。这些陨石大多分布在III、IV号冰碛的四周蓝冰区。

收集成果

此次考察共收集4448块陨石,最大的达4360g,最小的仅0.01g。大部分陨石具有黑色熔壳(其中有些熔壳完整,有些有熔壳残留),但有少量样品完全没有熔壳。根据野外初步鉴定,这些陨石类型主要有石陨石、球粒陨石、碳质球粒陨石、无球粒陨石和石铁陨石等(祥见表2)。

表2 第三次格罗夫山陨石搜集成果

类型

数量

备注

石陨石

2892

主要指因完整熔壳或风化严重不知内部质地的陨石

球粒陨石

1524

包括普通球粒陨石和顽辉石球粒陨石

碳质球粒陨石

25

 

无球粒陨石

6

 

石铁陨石

1

 

合计

4448