尘埃里，寻找闪耀的星星

“陨石”已经是大家耳熟能详的字眼了。对于狂热的搜集者们，满眼求知欲的小朋友们，枯坐书斋的科学家们来说，在某些时刻它们便是宇宙的中心。那么在它前面加上一个“微”字——微陨石，又会是什么样子呢？

流星划过星空 | 图源：紫金山天文台

撰文 | 廖世勇

微陨石，从名字你就能猜到，与那些众人追捧的体格硕大的陨石明星相比，卑微如尘土，细小至肉眼难以分辨，它们的个头通常小于2 毫米，但确实是如假包换的陨石。它们身世和陨石类似，是地外尘埃颗粒被地球引力捕获后，经历了大气层减速加热过程并降落地表的残留物。与陨石一样，它们的成分复杂，有富集金属铁的，富集硅酸盐（如橄榄石、辉石）的，也有介于富铁和富硅酸盐之间的。

未熔融型（A-B）和熔融型微陨石（C-D）。上部为体视镜照片，下部为BSE照片。比例尺为100微米[1]

虽然微小，但它们经历的磨难并不少。相当一部分微陨石在进入大气层时，发生了部分甚至完全熔融，因为表面张力形成了漂亮的球状，同时成分和内部结构也发生了改变，被称为熔融型微陨石。当然也有不少幸运儿，基本原汁原味的保留了它们从遥远太空出发时的信息，被称作未熔融型微陨石，也是科学家们最为青睐的类型。

微陨石 大作为

和那些体格硕大的老大哥一样，微陨石也能够帮助我们认识太阳系的演化历史，为研究地外物质类型、通量和源区性质等提供重要信息。除此之外，它们甚至还有些老大哥们没有的“独门绝技”。比如它们类型丰富，能够协助追踪陨石所不能涵盖到的源区信息；含有丰富的前太阳系颗粒，能够帮助我们探寻太阳系的前世今生。甚至有科学家借助熔融型微陨石在穿越大气层时与大气反应所记录的信息，还原了27亿年前地球大气层上部的氧含量，深入揭示了人类赖以生存的地球大气层的形成和演化过程。所以，别看它们“微”不足道，却大有作为，不可替代。

27亿年古老灰岩中发现的富铁氧化物微陨石[2]

找寻微陨石

既然微陨石有大用处，那么我们在哪里能够找到它们呢？

科学家们研究发现，每年降落到地球表面的微陨石总量超过千吨，然而考虑地球5亿平方公里的表面积，这点重量的微陨石有如撒胡椒面。此时它的微小反而成了优势，因为这使得微陨石的降落概率变得相当的亲民。据估算，在一平方米的地球表面，一年中会有1粒微陨石降落。

亲民的微陨石无处不在，不论是在高山之巅，极地雪原，寂静深海，还是繁华都市，都有它们的踪迹。然而，要找到它们却又是另外一回事。

地球上和微陨石粒度甚至形态类似的尘埃颗粒，不管是天然的还是人造的，几乎无处不在且数量繁多，少量微陨石杂处其中，要找到用大海捞针来形容毫不为过。这时候，选择合适的搜寻地域就成为了关键。答案也显而易见，那就是在地球来源尘埃尽可能少的地方寻找，把海底捞针变为湖底捞针，盆底捞针，甚至是碗底捞针。

南极Transantarctic山微陨石采集点（图A-C）及磁铁富集获得的微陨石（图D，400-800微米粒径）[1]

科学家们最中意的地方是地球两极。因为在极地远离人类尘埃污染，同时冰海雪原赋予了微陨石独特的富集机制。微陨石降落到雪中后，逐年堆积压实，密度变大形成富集微陨石的蓝冰。通过融化蓝冰，搜集固体残余物，便能获得丰富的微陨石。更为重要的是，冰川在缓慢流动的过程中，在一些特定地区受到阻挡，会不断上升消融，埋藏其中的微陨石会随着融水搬运，并在冰碛岩和基岩裂隙等处沉积富集。

大洋深处也是一个好去处。因为远离陆地，陆源沉积物输入少，沉积速率低，微陨石在其中可以大量富集。此外，科学家在干燥且沉积速率低的热带沙漠，甚至远古沉积岩中都找到过微陨石。

屋顶——身边的微陨石宝库

当然，上述那些地方对于普通人来说还是太过遥远。幸好，著名的挪威音乐人，同时也是业余科学家的Jon Larsen为我们发现了一个大众化的好去处，那就是——房顶。

由于大量的人造尘埃的存在，科学家们之前并不看好屋顶。Larsen的主业是爵士乐，不羁的音乐人性格让他从不拘于成见，2010年，他在自家门廊的小桌上发现了第一粒微陨石，从此便一发不可收。不到十年时间他已经获得了数万粒各类地外和地球尘埃颗粒样品，揭开了那些隐身于房顶的小巧美人的面纱。在科学家的协助下，他还出版了一本精美的关于微陨石的著作，已由中国科学院国家天文台郑永春研究员翻译出版，中文译名是《在屋顶寻找宇宙尘埃》，乃是微陨石爱好者们的入门宝典。

Jon Larsen（上图右）在挪威城镇屋顶搜集土壤寻找微陨石[3]

◎ Larsen的微陨石搜寻攻略

第一步 搜集

这也是最关键的一步：寻找一个铺设了防水材料的合适的宽阔房顶，尽量远离工业和生活污染，以尽可能减小地球尘埃的混入，同时最好有较高边缘，以利于尘埃聚集。利用小铲子和塑料袋，在低洼的尘埃聚集处，搜集泥土样品。

第二步 洗涤

将样品倒入温水中，加入洗涤剂，搅拌后将上部浑水慢慢倒掉，如此反复，直到水不再浑浊，以去除泥质物。

第三步 挑选

由于微陨石粒度大多小于300微米，因此为了减小挑选的工作量，最好将残余固体烘干后过筛（50目），去除过大颗粒。此外，由于80%的微陨石具磁性，还需用塑料纸包裹的强磁铁将磁性颗粒富集，从而进一步减小工作量。接下来便是显微镜下挑选了，也是最为考验耐心的时刻。

第四步 分析

最后，需要将挑选出的疑似颗粒进行显微图像和成分分析，最终确定是否是微陨石。

体视镜下的屋顶尘埃颗粒及疑似微陨石 | 图源：www.hackaday.com

在屋顶尘埃中搜集到的典型微陨石光学照片，采用聚焦堆叠技术拍摄合成[3]

坚强的铬铁矿

然而，现代微陨石优点是离我们太近，缺点也是离我们太近，无法追寻远古。由于保存条件的限制，现代微陨石大多降落于一个百万年内，与地球45亿年的年龄相比，不过瞬息。要想获得更早的微陨石信息，就需要求助古老的沉积岩地层，因为微陨石的陨落发生于各个地质历史时期，而地层如磁带般将它们保存了下来。但遗憾的是，地层中发现的微陨石通常只是铁氧化物颗粒，绝大多数曾经的微陨石已风化蚀变，杳无踪迹。这使得我们想要知晓远古时期微陨石的类型和通量，以及发生在遥远太空中的故事变得举步维艰。

这时候，就轮到一种特殊的矿物——铬铁矿出场了。它属于等轴晶系，性质稳定，不惧怕极端的风化和沉积成岩环境，在常温下也不与强酸强碱反应。铬铁矿是平衡型球粒陨石中常见的副矿物，在其他类型陨石比如无球粒陨石和碳质球粒陨石中也有它们的踪迹。它们通常作为微陨石的组成矿物降落地表，进入沉积岩中，在之后漫长的风化和成岩过程中，微陨石中几乎所有的硅酸盐和金属成分都将消失，只剩下铬铁矿坚强地彰显着曾经的存在。

现代微陨石中铬铁矿（左图，灰白色）[4]以及4亿年的奥陶系灰岩中提取到的地外来源铬铁矿（右图，图源：作者）

与在合适的地方寻找现代微陨石一样，在合适的沉积岩中寻找这些来自微陨石的铬铁矿非常重要。科学家们想到了灰岩，因为其主要成分是碳酸钙，通过与酸反应，可以去掉大多无用部分而留下铬铁矿，犹如烧掉干草堆寻找遗落其中的绣花针那样。通过不懈努力，现在科学家们已经可以高效的将灰岩中的铬铁矿提取出来。

不过最大的缺憾是，作为副矿物，微陨石中铬铁矿的含量实在是太少了。研究发现，大约600粒大于100微米的微陨石中，才能找到一粒可供进一步研究的铬铁矿（>32微米）。幸运的是，某些地区的灰岩，特别是远洋灰岩极慢的沉积速率弥补了这一缺憾。采用10毫米每千年的沉积速率，根据已有资料进行的简单换算可以估算出，一立方米灰岩中蕴含的微陨石数量，大约是一立方米蓝冰中含量的4000倍，非常可观。

当然，劫后余生的铬铁矿还是面临着和微陨石同样的问题，那就是地球物质的鱼龙混杂，远洋灰岩中仍然会有一定量的陆地来源物质输入，沙尘暴，火山爆发等事件能远距离搬运大量的地球来源物质，其中通常含有较多的铬铁矿。这时候，我们就需要感谢铬铁矿独特的化学成分了。由于形成环境极度还原，大多数地外来源铬铁矿具有相对较高的钒（V）含量，而绝大多数地球来源铬铁矿的钒含量是较低的。通过成分定量分析，结合形貌特征，便能很好地将地外来源铬铁矿区分开来。此外，利用铬铁矿的元素组成和Cr, O同位素特征，还能够非常好地追踪其微陨石母体的成分。

俄罗斯Lynna河奥陶纪灰岩（左）及其中铬铁矿（右）。比例尺为50微米[5]

通过古老灰岩中的铬铁矿，科学家们取得了丰硕成果，比如成功重建了5亿年以来球粒陨石来源铬铁矿输入地球的通量，限定了发生在4亿多年前的L群球粒陨石母体巨大撞击破碎事件发生的具体层位，研究了多个关键地质历史时期地球古生物和古气候演变与地外物质输入在时间上的关联，等等，为我们认识远古的星空和地球打开了一扇窗。

结语

微陨石小而平凡，却蕴含着精彩的故事。在第一眼看到时就容易让我们爱上它们，因为它们太不起眼却又漂亮得摄人心魄，也因为它们像极了我们：容易湮埋于尘土，但仍然可以闪耀与生俱来的光芒。

参考文献

[1] Taylor S, Messenger S, Folco L. Elements, 2016, 12: 171-176.

[2] Tomkins A G, Bowlt L, Genge M, et al. Nature, 2016, 533: 235-238.

[3] Larsen J, Genge M, Kihle J B. Microscopy and Microanalysis, 2018, 24: 2354-2355.

[4] Schmitz, B., Farley, K.A., Goderis, S, et al., 2019. Science advances 5, eaax4184.

[5] Lindskog A, Schmitz B, Cronholm A, et al. MAPS, 2012, 47: 1274-1290.

作者简介

廖世勇，中国科学院紫金山天文台天体化学和行星科学实验室副研究员。研究领域：陨石学和天体化学。

主编：毛瑞青

轮值主编：赵海斌

编辑：王科超、高娜