国际知名期刊Nature Communications于3月10日在线发表了南京大学张爱铖教授课题组关于灶神星陨石研究的最新成果”Evidence of Metasomatism in the Interior of Vesta”。
地球是如何形成的？为什么我们地球上有生命，而地外没有？地球科学家主要通过研究地球的早期状态和历史来寻找这些问题的答案。而行星科学家则会选择一条不同的途径来回答这些问题。根据流行的岩浆洋理论，太阳系中很多行星和小行星都经历了全球尺度的熔融-分异过程。过去四十多亿年里，地球早期状态和过程的记录几乎都已经被后期的地质过程抹去了。但是小行星因为相对较小的质量，很早就冷却并处于死亡状态。因此，行星科学家常通过研究小行星来探索地球和其他行星的早期过程和历史。

图1、4号小行星-灶神星的照片（来自NASA网站）
灶神星是火星和木星之间最大的小行星之一，而且是一颗发生过熔融-分异的小行星。行星科学家一直对灶神星非常关注。美国曾专门发射探测器对灶神星进行考察（图1）。科学家通过光谱分析发现有两千余块陨石（Howardite-Eucrite-Diogenite）可能来自于灶神星，因此称这些陨石为灶神星陨石。科学家对这些灶神星陨石的研究已经有一百余年的历史。通过对这些陨石的观察、实验和理论模拟研究，科学家一般认为灶神星熔融之后经历了一系列平衡和分异结晶之后便不存在其他内部地质过程。在过去的十年里，张爱铖教授课题组一直从事灶神星陨石中的各种矿物学记录研究，以探索灶神星演化的秘密。



图2、NWA 8321陨石（来自https://www.polandmet.com网站）
Northwest Africa 8321（简称NWA 8321）是一块主要由顽火辉石组成的非角砾岩Diogenite陨石（如图2）。NWA 8321是国际陨石学会给这块陨石的名字；非角砾岩是具有原生火成或者变质结构的岩石。最近，张爱铖教授领导的团队研究了这块陨石的氧同位素和铬同位素组成，发现这块陨石确实是一块Diogenite类型的灶神星。但他们发现这块陨石有两个特征不同于典型的Diogenite陨石。一是NWA 8321陨石中长石的含量明显高于常见的Diogenite陨石，可以超过10 vol%；二是这块陨石中铁硫化物（FeS，陨硫铁）具有成群分布的特征（如图3）。

图3、NWA 8321陨石的扫描电子显微镜照片拼图。
仔细的电子显微镜观察发现这些铁的硫化物矿物与橄榄石和一种新的顽火辉石空间上紧密相关（图4）。这种新的顽火辉石与陨石主体中的顽火辉石在Ca，Al，Cr和稀土元素的含量上存在差异：前者明显低于后者（图5）。根据这些特征，张爱铖教授提出这是灶神星内部发生了硫蒸汽和橄榄石交代反应的记录。张爱铖教授曾基于角砾岩型Diogenite陨石的研究提出过相似观点，但是这次提出更有信心。主要原因是NWA 8321陨石是一种非角砾岩陨石，它记录的过程只能是发生在灶神星内部的，排除了交代反应发生在灶神星表层的不确定性。这项成果确证了灶神星内部存在硫蒸汽交代过程，突破了对灶神星早期演化过程的传统认识，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。这个成果将促使科学家探索“交代物质的来源是什么？”、“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？”等一系列科学问题。

图4、NWA 8321陨石中铁的硫化物和顽火辉石交代橄榄石的岩相学特征。

图5、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。
张爱铖教授是这篇文章的第一作者和通讯作者。路易斯安那州立大学/南京大学的鲍惠铭教授，南京大学的陈立辉教授、研究生何叶，中国科学技术大学的秦礼萍教授、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****基金，南京大学登峰人次计划，以及中科院行星科学先导B项目的经费支持。