來自外太空的“時間膠囊”，就在地球上

在約45億年前，太陽系從一團混沌的星云中誕生。盡管這個過程看似遙不可及，但幸運的是，我們可以通過研究那些穿越時空來到地球的“時間膠囊”——球粒隕石（Chondrite），來揭示太陽系形成的諸多秘密。這些古老的巖石碎片攜帶著豐富的信息，尤其是其內(nèi)部包含的小型、圓形顆?！E石球粒(Chondrules)。

隕石球粒是球粒隕石中的重要組成部分，它們直徑通常約為一毫米，主要由橄欖石和輝石這兩種硅酸鹽礦物構(gòu)成。球粒的形成經(jīng)歷了一場高溫熔融到冷卻固化的歷程，在行星還未聚集的早期太空中，塵埃粒子或小行星可能因遭遇高速碰撞等高能事件而瞬間融化為液滴，隨后快速冷卻并結(jié)晶成現(xiàn)今所見的球粒結(jié)構(gòu)。

典型球粒隕石的橫截面：這塊隕石被切開，露出了里面的球粒，它主要由橄欖石等硅酸鹽礦物組成。除了球粒外，球粒隕石通常還含有未被氧化(生銹)的鐵微粒，因為它們沒有長時間暴露在地球富氧的大氣中。這使得它們很容易與陸地巖石區(qū)分開來，陸地巖石不含金屬形式的鐵（引自資料7）。

當(dāng)一塊典型的球粒隕石被切開時，顯露出的不僅僅是美麗的球粒構(gòu)造，還有未被氧化的鐵微粒，這使得它們能夠輕易區(qū)別于地球上的陸地巖石。作為最常見的隕石類型，球粒隕石占據(jù)了隕石墜落總數(shù)的85%以上，主要起源于小行星帶。其中，特別是普通球粒隕石被認為來自小行星。這些古老隕石大約形成于45億年前，其成分與太陽系行星相似度極高，球粒隕石因其相對未經(jīng)顯著改造的古老化學(xué)成分，成為了記錄太陽星云形成和早期行星演化階段的重要載體。然而，科學(xué)家們?nèi)栽谂ζ谱g這其中蘊含的深層次信息。然而，球粒隕石帶給我們的信息遠不止于此。在對球粒隕石進行地球化學(xué)分析時，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了稀有氣體氦的獨特線索。值得注意的是，球粒隕石中還含有原始稀有氣體氦，這對于研究太陽系行星的起源具有重大意義。

不同樣品中氦的同位素比值（Sano, Y. (2018). Helium Isotopes. In: White, W.M. (eds) Encyclopedia of Geochemistry. Encyclopedia of Earth Sciences Series. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-39312-4_205）

氦同位素的比例（3He/4He）可以幫助科學(xué)家追溯太陽系早期物質(zhì)的來源和分布，揭示恒星演化的歷程，以及探討太陽系初期的物理環(huán)境條件。3He和4He是兩種穩(wěn)定的氦同位素。在地球上的天然氦氣中,絕大部分是4He,只有非常少量的3He,地球大氣中的3He/4He比例大約是1.4 x 10*-6。而在太陽風(fēng)和月球樣品中,3He/4He的比例明顯更高,可以達到4 x 10*-4,這表示它們含有更多的原始太陽系氦氣。水熱噴口釋放出的氦氣3He/4He比例也較高,主要是地核中的原始氦被釋放出來。不同來源氦氣3He/4He比例的測量,可以研究地球和太陽系的演化過程,追蹤地幔氦的來源,也可估算地?zé)豳Y源。在地質(zhì)研究中,3He/4He比例是一個重要的定量參數(shù)。地球上的4He主要來自于鈾和釷的α衰變。而3He則主要是地球形成時繼承了太陽星云的原始氦氣成分,也有可能來自于人造的核反應(yīng)堆。月球和未分化的氣態(tài)行星如木星和土星的氦氣,3He/4He比例接近太陽的原始比例,約為2x10*-4。這些氦保留了太陽星云的簽名,可追溯太陽系的起源。了解不同地質(zhì)構(gòu)造的氦氣來源以及它們的3He/4He比例,對球?qū)踊瘜W(xué)和行星科學(xué)研究都有重要意義。

球粒隕石氦同位素地球化學(xué)特征

3He和4He的比例在球粒隕石中具有獨特的特征，特別是樣本中檢測到的3He/4He比值高達10*-4，這與碳質(zhì)球粒隕石以及一些被認為來自太陽系外緣區(qū)域的天體相似。這種比例差異反映了不同的成因背景和源區(qū)特征，從而幫助科學(xué)家追蹤太陽系初期物質(zhì)的分布和演化歷程。進一步研究發(fā)現(xiàn)，球粒隕石中氦同位素組成的差異性還可能關(guān)聯(lián)到大規(guī)模的宇宙事件，比如行星形成過程中的撞擊事件。

一顆重700克的NWA 869隕石。在樣品的切割和拋光表面可以看到球粒和金屬薄片。NWA 869是一顆普通的球粒隕石(L4-6)(維基百科）

例如，高比率的3He可能源自于太陽系外部古老恒星爆炸產(chǎn)生的超新星遺跡。當(dāng)富含此類氦同位素的天體碎片通過撞擊作用進入地球或其他行星系統(tǒng)時，它們便將這些遠古星際介質(zhì)的信息帶入了太陽系內(nèi)圈。通過對球粒隕石中氦同位素的研究，科學(xué)家不僅能夠深入了解太陽系形成的初始條件和物質(zhì)來源，還有助于闡明影響太陽系各組成部分及其演化路徑的重大天文事件。這些穿越時空而來的氦痕跡，就如同古老的密碼，讓我們得以窺探那段深藏于歷史長河之中的宇宙往事，這些珍貴的“化石”為我們打開了探尋宇宙生命起源之謎的新窗口。

參考資料：

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Huss, G. R., Lewis, R. S., & Hemkin, S. (1996). The “normal planetary” noble gas component in primitive chondrites: Compositions, carrier, and metamorphic history. Geochimica et Cosmochimica Acta, 60(17), 3311-3340.

Schultz, L., Weber, H. W., & Franke, L. (2005). Rumuruti chondrites: Noble gases, exposure ages, pairing, and parent body history. Meteoritics & Planetary Science, 40(4), 557-571.

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https://www.britannica.com/science/chondrule

http://www.faithfulscience.com/astronomy-and-cosmology/planetary-systems.html

附錄：

附：隕石的礦物學(xué)分類

隕石，作為太陽系早期物質(zhì)的珍貴記錄者，承載著揭示宇宙起源、星體演化以及地球化學(xué)過程等重大科學(xué)問題的關(guān)鍵線索。它們源自行星際空間的各種天體，在歷經(jīng)億萬年的漫長旅行后，偶爾降落到地球上，成為科學(xué)家們探索深空奧秘的重要窗口。隕石的分類主要依據(jù)其礦物組成、結(jié)構(gòu)特征及同位素組成等因素，大致可分為三大類：球粒隕石、無球粒隕石和鐵隕石。其中，球粒隕石是最常見的類型，內(nèi)部含有大量小至毫米級的圓形顆?！蛄＃@些球粒的形成歷程為我們提供了太陽系早期高溫環(huán)境下的重要信息。無球粒隕石則不包含或幾乎不含球粒，代表了經(jīng)歷過熔融和地質(zhì)改造的母體天體的地殼或幔層物質(zhì)，如火星隕石、月球隕石和灶神星隕石等。而鐵隕石主要由金屬鐵和鎳構(gòu)成，反映了富含金屬的小行星核部的物質(zhì)組成。通過深入研究各類隕石，我們不僅能追溯太陽系的誕生和演化歷史，還能揭示不同星球的地殼與內(nèi)核成分、地表過程，乃至生命的起源等諸多領(lǐng)域中的未解之謎。因此，隕石的分類研究不僅是天文學(xué)和地球科學(xué)的交叉點，更是推動人類對宇宙認知不斷深化的重要途徑。

①碳質(zhì)球粒隕石（Carbonaceous chondrites）：碳質(zhì)球粒隕石（Carbonaceous Chondrites）是球粒隕石的一種特殊類型，它們的特點在于含有豐富的有機化合物和水，以及較高的碳含量。這類隕石是太陽系早期物質(zhì)的重要化石記錄，被認為是最原始、未經(jīng)顯著高溫熔融和化學(xué)分異的天體殘留物之一。在碳質(zhì)球粒隕石中，除了常見的球粒結(jié)構(gòu)外，還包含多種礦物質(zhì)如硅酸鹽、氧化鐵、硫化物以及大量的碳質(zhì)材料，這些碳質(zhì)物質(zhì)可以是無定形碳、石墨、有機分子甚至是氨基酸等構(gòu)成生命基礎(chǔ)的復(fù)雜有機化合物。此外，它們還常常含有多種揮發(fā)性元素，比如氮、氫、氧、硫以及稀有氣體等，這些成分對于研究太陽系特別是地球上的水和有機物質(zhì)來源具有重要意義。通過分析碳質(zhì)球粒隕石的成分與結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們能夠獲取關(guān)于早期太陽星云條件、太陽系小行星帶內(nèi)物質(zhì)演化過程，以及可能的生命前體物質(zhì)如何從星際空間傳輸至地球等方面的珍貴信息。

碳質(zhì)球粒隕石Allende，碳質(zhì)球粒隕石呈深灰色至黑色圖片

碳質(zhì)球粒隕石，阿連德隕石，4.560-4.568 Ga，碳質(zhì)球粒隕石-阿連德隕石，小破碎的個體。(直徑1.4厘米)碳質(zhì)球粒隕石是深灰色到黑色的球粒隕石，具有相對富含碳的基質(zhì)。1969年阿連德隕石墜落時，隕石學(xué)家獲得了第一個大型碳質(zhì)球粒隕石樣本。在阿連德之前，碳質(zhì)球粒隕石材料非常罕見。阿連德已經(jīng)成為研究最深入、最著名的碳質(zhì)球粒隕石。于1969年2月8日凌晨1點05分撞擊地球。已知的分布在墨西哥北部奇瓦瓦州東南部阿連德鎮(zhèn)附近，呈西南向東北方向分布。上面顯示的覆蓋巖石的黑色物質(zhì)是原始的熔融地殼。融合地殼代表了原始巖石碎片的外部部分，當(dāng)阿連德火球穿過地球大氣層時，這些巖石碎片部分融化了。淺灰色區(qū)域表示巖石的內(nèi)部外觀(熔合地殼破裂的地方)。

②普通球粒隕石（Ordinary chondrites）：普通球粒隕石（Ordinary Chondrites）是隕石家族中最常見的一類，它們占據(jù)了已知隕石總量的約85%左右。這類隕石以包含大量微小的硅酸鹽礦物球粒為特征，這些球粒是在太陽系早期形成的，并且保留了原始星云物質(zhì)的信息。不僅鐵鎳金屬含量最低，而且其整體化學(xué)成分相較于H群和L群更為貧瘠。通過研究普通球粒隕石，科學(xué)家能夠了解太陽系早期的物質(zhì)構(gòu)成、元素豐度、同位素比例以及行星形成過程中的物理和化學(xué)條件等諸多信息。此外，由于普通球粒隕石廣泛分布且易于獲取，因此成為了研究地球和其他行星起源的重要窗口。

普通球粒隕石NWA 10114 L5 W1, S2 2380g

③頑輝石球粒隕石（Enstatite chondrites）：頑輝球隕石，是一種罕見的球粒隕石類型，其主要礦物成分為頑火輝石（Enstatite），這是一種鎂和鐵的硅酸鹽礦物。這類隕石的特點是富含頑火輝石和相關(guān)的低鈣輝石，并且相對缺乏其他常見的球粒隕石中的礦物如橄欖石等。它們的化學(xué)成分反映出形成于極端還原的環(huán)境，即原始太陽星云中富含金屬鐵而幾乎不含水或揮發(fā)性物質(zhì)的部分。在太陽系早期的歷史中，頑輝球隕石母體可能是小行星帶內(nèi)部非常干燥區(qū)域的天體殘骸。它們對于研究太陽系早期條件、特別是了解那些遠離水分和其他揮發(fā)性物質(zhì)源區(qū)域的物質(zhì)構(gòu)成具有重要意義。

頑輝石球粒隕石撞擊熔融角礫巖nwa 6258
④R型球粒隕石 Rumuruti（R）：是一種較為罕見的球粒隕石類型，以其獨特的礦物學(xué)和化學(xué)特性區(qū)別于其他球粒隕石。這類隕石以富含鈣鋁包涵物（CAIs）和低鐵含量為特征，并且含有大量的長石和斜長石等硅酸鹽礦物以及豐富的球粒結(jié)構(gòu)。Rumurutiites在命名上源于肯尼亞的魯穆魯?shù)俚貐^(qū)，在那里首次發(fā)現(xiàn)了此類隕石樣本。它們的化學(xué)成分和巖石學(xué)性質(zhì)表明其形成于太陽系早期相對氧化的環(huán)境中，與之對比的是，例如頑火輝石球粒隕石則代表了還原環(huán)境下的產(chǎn)物。由于R型球粒隕石具有較高的SiO2含量、較低的金屬及硫化物比例以及特殊的球粒和熔融包體組合，因此對于研究太陽系早期物質(zhì)的演化過程、小行星母體的分異歷史以及行星形成的條件等方面提供了寶貴的資料。

未角化(a)和角化(b和c) R球粒隕石的顯微照片:(a) Hammadah al Hamra 119 (R4)在薄片尺度上未角化。球粒和球粒碎片嵌入細?；|(zhì)中;(b) R球粒狀風(fēng)化角礫巖Rumuruti (R3-6)。手部標本由鑲嵌在碎屑基質(zhì)中的淺色和深色碎片組成。大碎屑的豐度約為50% (Schulze et al.， 1994);(c) Dar al Gani 013 (R3-6)由不平衡巖性(類型3)、各種類型的平衡碎屑和沖擊熔融巖碎片組成(與圖3相比)(引自：https://www.researchgate.net/figure/Photomicrographs-of-unbrecciated-a-and-brecciated-b-and-c-R-chondrites-a-Hammadah_fig1_313549596)

⑤無球粒隕石（achondrite）是一種不含球粒隕石的硅酸鹽隕石。球粒隕石是大多數(shù)其他硅酸鹽隕石所含有的小圓粒。無粒隕石來自于受熱程度足以熔融和分化成核、地幔和地殼的小行星。最大的一組無粒隕石是Howardite、Eucrite和Diogenite隕石,它們可能來自太陽系第二大小行星——灶神星。無粒隕石含有在母體小行星冷卻時形成的礦物橄欖石、輝石和長石。這為我們了解小行星的地質(zhì)過程提供了見解。無粒隕石的化學(xué)成分顯示比球粒隕石更缺乏揮發(fā)性元素。這表明母小行星曾受熱至足以逃逸揮發(fā)性元素的高溫。無粒隕石占所有隕石墜落的約8%。它們是研究小行星地質(zhì)和早期行星形成過程寶貴的樣本。

無球粒隕石：2009年5月TKW: 2290 G一半個體數(shù)量:463 G非常新鮮的端切巖，切割表面光滑，光滑的黑色外殼呈塊狀保存。鉻鐵礦晶體從地殼延伸。明顯配以橄欖石重長巖NWA 5480。MB 101的記錄:歷史:2009年5月，一位匿名的發(fā)現(xiàn)者在馬里的Agaraktem東部發(fā)現(xiàn)了四顆隕石。身體特征:四個幾乎完整的個體，總計2290克。巖石學(xué):(R. Bartoschewitz, Bart)自形到半自形多晶橄欖石團簇(約50 vol%)(約1mm，平均約0.1 mm)，分布在樣紋帶中，在xenolithic到半自形輝石顆粒(約1mm)的基質(zhì)中，有罕見的粒間長石。鉻鐵礦和金屬主要賦存于輝石和橄欖石晶粒中。地球化學(xué):(R. Bartoschewitz, Bart;P. Appel, B. Mader, Kiel)輝石Fs23.8-25.4Wo2.0-4.4，橄欖石Fa29.3-30.3，長石An76-83Ab1-5。鉻鐵礦Al2O3 = 14.4-15.4, TiO2 = 0.9-1.1, MgO = 4.1-4.8;鎳= 0.3-1.1,Co = 0.7-0.9(均以wt%計)。分類:橄欖閃長巖，S1，非常新鮮。

更普遍的分類圖如下：

Chondrites：球粒隕石

Carbonaceous：碳質(zhì)球粒隕石

Ordinary：普通球粒隕石

Enstatite：頑輝石球粒隕石

Rumuruti（R）：R型球粒隕石

Achondrites：無球粒隕石

Primitive Achondrites：原始球粒隕石

Iron meteorites：鐵隕石

Stony-iron meteorites：石鐵隕石