灶神星陨石研究揭开太阳系早期小行星的形成演化历史 | Nat. Geosci.

来源：科研圈

来自三个国家、四所大学的研究人员合作测定了灶神星陨石中锆石形成的时间，发现它们记录了两组年龄。一组与灶神星形成的时间相符，而另一组记录了灶神星早期经历的一次猛烈撞击。

灶神星大碰撞想象图（由论文第一作者 Makiko K. Haba 提供）

中铁陨石（mesosiderite）由岩石和金属混合组成，是一种非常特别的陨石。最近，来自瑞士联邦理工学院（ETH Zurich）、日本东京工业大学、日本国立极地研究中心以及澳大利亚麦考瑞大学（Macquarie University）的科学家们展开合作，对中铁陨石进行了非常细致的研究。研究显示，这类陨石来自于夜空中最亮的那颗小行星——灶神星。在这种独特的陨石中，隐藏着一段鸿蒙初开天地碰撞的悠悠往事。

首先让我们来了解一下关于陨石的背景知识。所有的陨石可以分为三个主要类型：石陨石、铁陨石、铁石陨石。石陨石是其中最大的种类，它由富硅的硅酸盐矿物组成，通常来源于行星的外壳部分；铁陨石，顾名思义，主要由铁镍合金构成，来源于行星的核部，我们所熟悉的屠龙宝刀就是用铁陨石锻造而成；铁石陨石是最罕见的种类，由几乎相等的硅酸盐矿物和铁镍合金共同构成。

对灶神星的研究最早始于一类被命名为 HED 的石陨石。这种陨石的化学成分和通过光谱分析出的灶神星地壳成分一致。利用其化学组成进行模拟计算，得到的灶神星地壳厚度约为 40 公里。然而，美国 NASA 航天局发射的黎明飞船于 2011 年造访灶神星，并对其南半球进行了观测，结果显示，其地壳厚度竟达到了惊人的 80 公里。这一矛盾促使科学家们开始重新审视之前的结论。

中铁陨石是铁石陨石中的一小类。这种陨石中的硅酸盐部分和 HED 陨石完全相同，表明其同样来自灶神星，但是它的成分却缺失了夹在地壳和地核中间的地幔物质。科学家们分析了自 1861 至 2014 年以来从智利、洛瓦、以及非洲西北部收集到的 5 个中铁陨石样品，并从中发现了锆石。锆石是一种非常富含放射性同位素铀的矿物，铀经过衰变会形成铅，所形成铅的多少和衰变时间的长短有关。据此，科学家们通过最先进且严谨的方法分析出了这些锆石颗粒中铀和铅的同位素组成，进而计算出锆石的年龄。

“中铁陨石中的锆石非常罕见，过去几十年的研究中只发现不到十颗锆石。在本研究中，我们通过新的方法找到了二十多颗锆石，足以进行精确的年代学研究。”论文第一作者，来自日本东京工业大学的羽场麻希子博士（Dr. Makiko K. Haba）说道。

“由于我们做的是单颗粒锆石定年，为了防止测试过程中实验器材的污染影响结果的可靠性，光是清洗实验器材就需要花费一年以上的时间，所幸 Jörn-Frederik Wotzlaw 博士对单颗粒锆石定年的经验十分丰富，我们才得以于计划时间内完成分析，” 论文作者之一，来自澳大利亚麦考瑞大学的赖逸真博士（Dr. Yi-Jen Lai）表示，“这真是相当不易。”

然而这些辛苦是值得的，科学家们得到了非常有价值的数据。最终计算结果显示，这些锆石记录了两组年龄。一组锆石的年龄为 45.5 亿年，和前人对 HED 陨石中锆石的定年结果相同，且更加精确，代表了灶神星地壳形成时的年龄。另一组锆石的年龄相对年轻，为 45.2 亿年。这组锆石的形态和化学特征表明，它形成于硅酸盐和金属混合的过程，记录的正是该过程发生的时间。

灶神星碰撞-逃逸模型示意图。

利用这两个关键的时间节点，科学家们提出了碰撞-逃逸模型来揭开灶神星形成演化之谜。距今 45.5 亿年以前，于太阳系一片混沌的星云中，地球初生，灶神星也正年幼。在自身引力的作用下，灶神星静静地分异出密度不同的壳、幔、核三层。然而，这样安静祥和的日子没过多久，在距今 45.2 亿年前的某一天，一颗约为灶神星十分之一大小的星体突然闯入，给灶神星的北半球“结实”的来了一下。这次撞击透过地壳、地幔，直达其金属内核。大量的撞击物向四周溅射，又在引力的作用下回归母体，并大量堆积在灶神星的南半球，从而形成厚达 80 公里的巨厚地壳。在这一过程中，地壳和地核的物质也得以超越地幔的阻隔进行亲密的接触，形成我们在中铁陨石中看到的现象。

这次撞击之后，由于缺乏大气和构造活动，时间在灶神星上仿佛被冻结，一切保持着碰撞后的模样。直到距今 2 亿年和 1 亿年时，两次发生在灶神星南半球的小型天体撞击使得中铁陨石得以冲破灶神星引力的束缚，化身携带大碰撞密码的使者，穿越浩瀚苍穹抵达地球，将其母星波澜壮阔的演化历史，完整地呈现在科学家的面前。

这一发现不仅可以解释关于灶神星的很多独特现象，也可以应用于其他小行星的研究中。相关研究成果已于今年 6 月 10 日以论文形式发表在地球与行星科学领域著名杂志《自然—地球科学》上。

“这是一个‘尤里卡’（eureka）的时刻，”羽场麻希子博士如是说。

论文信息

【链接】https://www.nature.com/articles/s41561-019-0377-8

【摘要】Collision and disruption processes of protoplanetary bodies in the early Solar System are key to understanding the genesis of diverse types of main-belt asteroids. Mesosiderites are stony-iron meteorites that formed by the mixing of howardite–eucrite–diogenite-like crust and molten core materials and provide unique insights into the catastrophic break-up of differentiated asteroids. However, the enigmatic formation process and the poorly constrained timing of metal–silicate mixing complicate the assignment to potential parent bodies. Here we report the high-precision uranium–lead dating of mesosiderite zircons by isotope dilution thermal ionization mass spectrometry to reveal an initial crust formation 4,558.5 ± 2.1 million years ago and metal–silicate mixing at 4,525.39 ± 0.85 million years ago. The two distinct ages coincide with the timing of the crust formation and a large-scale reheating event on the eucrite parent body, probably the asteroid Vesta. This chronological coincidence corroborates that Vesta is the parent body of mesosiderite silicates. Mesosiderite formation on Vesta can be explained by a hit-and-run collision 4,525.4 million years ago that caused the thick crust observed by NASA’s Dawn mission and explains the missing olivine in mesosiderites, howardite–eucrite–diogenite meteorites and vestoids.