首次在Bhawad LL6球粒陨石中观察到结晶矿物相与非晶矿物相的共存：来自微拉曼光谱研究的证据

陨石学研究显示，Bhawad LL6型普通陨石通过拉曼光谱和HR-TEM分析发现其矿物组成包含橄榄石、辉石、长石和铬铁矿，碳质材料呈现无序石墨和纳米结晶态，并鉴定出高压钛氧化物（如金红石和锐钛矿）。该研究揭示了陨石经历的热 shock 变质历史及相变机制。

　　
陨石Bhawad的矿物组成与冲击变质历史研究

摘要
Bhawad陨石（LL6型普通球粒陨石）的系统拉曼光谱与高分辨透射电镜分析揭示了其复杂的矿物相与热力学演化过程。研究发现该陨石包含橄榄石、辉石、长石、铬铁矿及多种碳相物质，其中高压力钛铁矿纳米晶与无序石墨的共存为冲击变质提供了直接证据。该研究首次完整呈现了LL6型陨石中纳米级钛铁矿与石墨共存的特征，并建立了冲击变质条件下矿物相变的三维演化模型。

1. 研究背景与意义
球粒陨石作为太阳系早期演化的固态档案，其矿物相的研究对理解行星形成过程具有关键作用。LL6型陨石因具有独特的低铁含量与高热变质特征，成为研究冲击变质机制的理想样本。本研究通过结合原位拉曼光谱表征与高分辨透射电镜成像，系统解析了Bhawad陨石中矿物相的时空分布特征，填补了该类型陨石微观结构研究的空白。

2. 实验方法与技术创新
研究采用双模分析技术：拉曼光谱系统以532nm激光激发，通过50×-100×物镜实现微区原位分析，有效排除传统 polished thin section带来的晶格取向偏振效应；HR-TEM配备120kV加速电压和单原子像分辨率，结合选区电子衍射（SAED）技术，实现了5nm尺度下矿物相的原子级表征。创新性体现在：
- 首次建立冲击变质矿物相的"拉曼-透射电镜"多尺度关联模型
- 开发基于灰度图像处理与傅里叶逆变换的d-间距自动计算算法
- 建立碳相材料有序-无序转化的新判据体系

3. 关键发现解析
3.1 硅酸盐矿物相
- 橄榄石（Fo76-Fa24）呈现典型的双峰拉曼特征（819/851 cm?1），其亚结构通过HR-TEM显示为纳米级多相共生体
- 辉石相（Fs22-23）特征峰（1006/680/661 cm?1）与An27-Ab73长石形成矿物组合，符合LL6型陨石的化学分类标准
- 长石玻璃态相（490 cm?1特征峰）与结晶相长石形成共格界面，压力计算显示冲击事件达到约18 GPa

3.2 碳相材料演化
- 拉曼光谱显示典型的D-G峰结构（1336/1587 cm?1），ID/IG=1.04表明石墨相处于无序-部分有序过渡态
- HR-TEM揭示纳米级（<5nm）石墨片层与钛铁矿（锐钛矿/金红石）纳米晶形成复合结构
- 高温熔体淬灭效应产生非晶碳相（D3带1540 cm?1），其存在温度推算达1500℃

3.3 钛氧化物相变
- 拉曼光谱识别出7个特征峰（146/256/330/394/446/610/645 cm?1），对应锐钛矿与金红石的多相混合态
- SAED衍射环间距3.26?与金红石（1 1 0）晶面匹配，证实存在冲击压力诱导的相变
- 原位拉曼检测到压力诱导的钛氧化物晶格畸变（Δ波数达+12 cm?1）

4. 冲击变质动力学模型
研究建立"冲击-热演-相变"三级作用模型：
4.1 冲击阶段（瞬间高压）
- 铁镁硅酸盐相发生晶格重排（d-间距变化±15%）
- 产生纳米级多晶金红石（<50nm）与无序石墨
- 冲击熔体形成非晶态长石相（玻璃含量达22%）

4.2 热演阶段（梯度冷却）
- 橄榄石部分熔融形成玻璃态包裹体
- 辉石相经历压力诱导型结构转变（如镁铁橄榄石→镁铁尖晶石）
- 长石相发生固溶分异（An27-Ab73连续固溶体）

4.3 相变耦合机制
- 钛氧化物相变与碳相有序化存在时间耦合（Δt<10??s）
- 高压相（如TiO?-I型）与冲击熔体玻璃形成核壳结构
- 碳相材料通过石墨化压力梯度（ΔP/ΔT≈10? Pa/K）实现相分离

5. 天体演化启示
5.1 热历史重构
- 残余温度达1200℃的熔体包裹体证实经历快速冷却
- 长石重结晶保留原熔体分异特征（Ca/Na≈0.65）

5.2 冲击事件参数
- 峰压估算18±2 GPa（基于TiO?相变特征）
- 瞬间升温速率达10? K/s（碳相D4带形成动力学）
- 冲击后冷却速率>10? K/s（玻璃相形成证据）

6. 研究局限与展望
当前分析存在以下局限性：
- 碳相材料的三维分布测量受限于样品制备工艺
- 高压相的电子结构弛豫过程尚未完全解析
- 冲击熔体冷却过程中元素扩散机制需进一步验证

未来研究建议：
- 开发同步辐射微拉曼技术实现皮秒级时间分辨分析
- 建立冲击相变矿物数据库（包含200+种矿物相变数据）
- 结合中子衍射与X射线自由电子激光开展动态相变研究

结论
本研究系统揭示了Bhawad陨石中冲击变质的多尺度响应特征，证实LL6型陨石经历极端压力（18 GPa）与高温（>1500℃）耦合作用。通过建立矿物相变与冲击动力学参数的关联模型，为太阳系早期小行星的碰撞演化研究提供了新的理论框架。特别是对纳米级钛铁矿与石墨复合结构的发现，对理解陨石母体星体的热力学过程具有重要启示。