化石陨石——见证4.6亿年前的小行星裂解

一块与头足类化石为伴的化石陨石

近年来，陨石越来越火，很多人摩拳擦掌甚至自己探沙漠，闯戈壁去猎陨。不过猎陨者最郁闷的事情就是，从概率上讲，他们找到的陨石中，三成以上都是L群普通球粒陨石。因为太多，所以平凡，也不值钱。欲哭无泪的他们如果要怪罪谁，那就请责备4.6亿年前发生在一颗直径达150公里的小行星身上的“交通事故”吧。想要发点小财的他们如果想要点建议，我会告诉他们，要不试着找找“化石陨石”？

冲击脉发育的目击L6型随州陨石 | 图源：紫金山天文台

发现第一枚化石陨石

1952年的一天，瑞典乌普萨拉大学的地质和古生物学教授Thorslund收到了一块来自瑞典中部Brunflo采石场的奇怪石板。此时并没有人知道它有何独特之处，又如何能与发生在遥远小行星带中，30亿年以来有记录的太阳系最大规模小行星裂解事件联系起来。

首块被发现的化石陨石Brunflo[1]

Thorslund教授面前，斯堪的纳维亚半岛常见的奥陶纪（4.4-4.8亿年前）石灰岩中，嵌着一块不到10厘米的深色岩石碎块，周围环绕着浑圆的浅色蚀变晕。经历了4亿多年的埋藏后，石块除了外部轮廓犹在，内部矿物和结构已面目全非。灰绿的颜色显示它被镁铁质次生矿物交代改造，原岩可能是一块镁铁元素含量很高的岩石。除此之外，并没有更多线索。

4亿多年前，位于波罗地大陆南边瑞典的纬度跟现在的北京差不多，因此教授明白，它并非冰海沉积中常见的冰川消融坠石。不过他还是决定给出一个解释，即使略显尴尬：这块石头在岸边偶然被海藻裹挟，然后一路到了水深超过100米的碳酸盐沉积中安家。在地质历史中，波罗地大陆南侧陆缘海在奥陶纪以大陆架平缓，陆地来源物质输入极少而著称，并无重力流沉积。在此种情况下，要让这块10厘米大小的石块在海藻的协助下在海水中长途跋涉，的确有点为难，但似乎别无他途。

此后，这个嵌着奇特石块的灰岩在Thorslund教授的办公室一躺就是27年，直到他去世前的第二年，才被摆在了斯德哥尔摩大学的Wickman教授面前。此时他正致力于陨击坑研究，敏感的职业嗅觉让他意识到这个石块的非同凡响。他发现，尽管大部分原始结构已然消失，局部却仍可依稀观察到球粒陨石所特有的球粒结构。同时原始矿物虽已难寻，但铬铁矿因为超强的抗风化能力，基本完好无损，可能还记录着这块石头的身世。

Brunflo化石陨石中残留的球粒结构（上）和铬铁矿（下）[2]

经过详细研究，Wickman教授和合作者发现，原来它是一块化石陨石。中奥陶世（4.6-4.7亿年前）时它陨落在波罗地大陆边缘的海床上，碳酸盐软泥的覆盖和弱的水动力环境让其免遭风化解体。不过，陨石中原有的橄榄石、辉石和金属等矿物被碳酸盐、重晶石和伊利石等次生矿物交代。只有部分球粒结构得以保存，就像我们在硅化木中还能看到树木的木质结构和纹理一样。它的铬铁矿成分和现代H型球粒陨石中典型的铬铁矿类似，因此可能是一块H型球粒陨石。于是他们根据发现地将它命名为Brunflo陨石。

值得一提的是，真正意义上的化石陨石是指经历了风化埋藏和成岩改造的陨石，并不会含有任何生物化石。它在成分和来源上和现代普通球粒陨石没有本质区别，只是身世稍显复杂。

就这样，第一块化石陨石被人们载入史册。不过故事只是刚刚开了个头。

Thorsberg采石场 | 图源：astrogeobiology.org

论业余爱好者的重要性

几年后的1988年，又有一块奥陶纪灰岩中的化石陨石在Brunflo陨石发现地600公里外的Thorsberg采石场被找到。这块5厘米见方的化石陨石显得很不起眼，似乎也很难与之前的化石陨石相联系。因为它在层位上比第一块要早几个百万年，而且硕果仅存的铬铁矿成分骑墙，难以提取有效信息。

不过幸运的是它还是被著名的科学杂志“Nature”报道，并且登上了当地新闻。同样幸运的是，它吸引了一位当地化石爱好者，同时也是业余地质学家的Tassinari。这位娶了瑞典太太的意大利男人并未接受过高等教育，饱受阅读障碍症折磨的他一生中从事过很多职业，唯一不变的是对自然的热爱。家中堆满了搜集的古生物化石，矿物晶体和花草标本，他从中寻找到了生命的乐趣。见到这个报道后，Tassinari很快跟采石场的工人打了招呼，让他们把含外来石块的石材留下来，而不是像之前那样丢弃。而他自己也开始热衷于没事就在废石堆里搜寻，并很快有了收获。他甚至在35公里外的一个碎石采场也有了发现，在一块从卡车上偶然掉落的灰岩块中，Tassinari发现了指甲盖大小的一枚陨石。

功夫不负有心人，在最初的四年里，他们总共搜集到13块化石陨石。它们分散在厚度不到4米的灰岩地层中，数量看似有限，但是从另一种角度来看却是异乎寻常的密集。要知道，在此之前其他各个地质历史时期的灰岩中，甚至都从未发现过化石陨石。

（上、中）Thorsberg采石场中纵向切割发现的化石陨石[3]；(右) 作者实地拍摄

脚下的石头里竟也藏着星空的秘密

如此数量的化石陨石很快引起了另一位科学家Schmitz Birger的注意。此时他正任职于哥德堡大学，长期关注地外来源物质对地球生命环境的影响，特别是关键地层界面中的地球化学异常。

他通过研究有了重要发现：

这些陨石扎堆于此并非由某种特殊富集机制，比如冰盖流动导致，也不是某一次或几次大的陨石坠落事件造成，而是形成于一个陨石通量非常高的异常时期，其陨石降落频率比现代要高上一到两个数量级；

该层位中即便远离化石陨石的灰岩中也具有异常低的187Os/188Os比值和高的铱（Ir）元素丰度，显示存在大量微小地外尘埃；

它们与大量化石陨石一起，表明中奥陶世存在一个持续至少数百万年的大量地外物质降落地球的奇特时间窗口；

在已有的陨石冲击事件年龄中，L群陨石族中存在4.5-4.8亿年的明显峰值，与富集化石陨石灰岩处于同一时段；对地球冲击坑年龄的统计结果也显示4.5-4.8亿年同样存在一个明显的峰值。

平行岩层的含化石陨石的粗糙（上）和抛光（下）岩板 | 图源：作者

这些发现给了他充足的信心，于是提出了一个假设：这些地层中异常富集的化石陨石和尘埃，来自L群陨石母体的破碎事件。这个假设是大胆的，要知道，此时人们已对L群陨石母体破碎事件有了大量研究，提出了各种猜测，但谁也没曾想到在探寻这些星空中的秘密时，去叩问一下脚下的石头。

与头足类化石为伴的化石陨石，其中球粒结构仍然可见[3]

逐渐接近真相

当然，仅仅提出工作模型还远远不够。接下来Schmitz Birger教授和诸多合作者开展了一系列深入工作。比如：

通过球粒结构统计，铬铁矿粒度、成分和O, Cr同位素分析等，证实这些化石陨石绝大多数都是L群陨石；

发现这些化石陨石层位越高，也就是降落越晚，其宇宙射线暴露年龄越老；化石陨石层位和宇宙射线暴露年龄的相关性也意味着，它们应来自同一次裂解事件；

通过微陨石研究，证实富集化石陨石地层中的微陨石通量比背景值突增2-3个数量级，同时在平衡型普通球粒微陨石中，L群占比超过99%；

此外，还通过包括瑞典、俄罗斯和中国等在内的全球性采样，发现同一时期地层中都存在L群微陨石突增，不一而足。

十余年锲而不舍的工作后，越来越多证据验证了他的大胆猜想，并勾画出了远古发生于太空深处的壮丽场景：距今约4.6亿年前，在一次发生于小行星带的巨大撞击事件中，L群陨石母体分崩离析。在雅科夫斯基效应（Yarkovsky effect）、坡印亭-罗伯逊效应（Poynting–Robertson effect）的作用下，同时由于土星和木星轨道共振，大量破碎物质在短时间内（数十万年到几个百万年）到达地球，地表陨石撞击迅速增加，尘埃弥漫，在全球古气候和古环境中打下深刻烙印，其后续影响甚至持续至今。

地层记录中L群陨石母体裂解事件的位置（红色线条）[8]

Schmitz Birger教授并未止步于此。他和合作者还对撞击事件的发生精确时间，物质从小行星带到地球的迁移机制，小行星带碰撞事件与地球地外物质通量响应，对地球的气候、环境和生命演化的影响等方面，开展了非常深入的工作。

当然，这些故事已经不再是仅仅依靠化石陨石能够讲述的了。这里有必要提及，基于化石陨石的研究，他还发展出了一套从碳酸盐地层中提取地外来源微小尖晶石族矿物的实验流程和研究方法，为我们研究远古地球的地外物质通量和小行星带动力学演化提供了全新的手段。

我国宜昌普溪河剖面也发现了明显的中奥陶世L群球陨石质物质突增 | 图源：作者

待解之谜

关于L群球粒陨石母体破碎事件的故事，还有诸多问题需要我们回答。比如撞击体到底是什么性质，是发生于双星之间还是别有它物？撞击导致的地外物质通量突增到底持续了多长时间，具有怎样的衰减规律？化石陨石到底是仅存在于瑞典中南部的中奥陶统地层，还是全球广布？等等。

道阻且长，但小小的化石陨石，已在层层叠叠的古老岩石中，为我们见证那些发生在太空深处的远古故事打开了一扇别样的窗口。而跋涉于鸟迹罕至的戈壁和沙漠中的猎陨者们，有没有兴趣到广布于我国的奥陶纪灰岩中试一试？

参考文献：

1）Thorslund, P. et al., 1984. Lithos 17, 87-100.

2）Alwmark, C. et al., 2009. MAPS 44(1), 95-106.

3）Schmitz, B., 2013. Chemie der Erde 73, 117-145.

4）Heck, P.R. et al., 2010. GCA 74, 497-509.

5）Schmitz, B. et al., 1997. Science 278, 88-90.

6）Schmitz, B. et al., 2003. Science 300, 961-964.

7）Schmitz, B., 2013. Geochemistry 73, 117-145.

8）Schmitz, B. et al., 2019. Science Advances 5, eaax4184.

9）Thorslund, P. et al., 1981. Nature 289, 5795, 285-286.

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：王英

编辑：王科超、高娜