球粒陨石中的富Ca、Al 包体（简称CAIs）主要由一些富Ca、Al的硅酸盐和氧化物（如尖晶石和黄长石等）组成，是目前已知的太阳系最古老的固体物质（4567.2±0.6 Ma; 4567.30 ±0.16 Ma）; 球粒的矿物组成以镁铁质硅酸盐（如橄榄石和低Ca辉石等）为主，明显经历过熔融结晶过程。CAIs及其构成矿物具有最富¹⁶O的同位素组成特征，并在氧同位素δ¹⁷O-δ¹⁸O图解上构成一条斜率接近1的直线，这条直线常称为碳质球粒陨石无水矿物线（简称CCAM线）。镁铁质硅酸盐球粒一般具有贫¹⁶O同位素组成特征。

在球粒中存在一种含一定量富钙铝矿物（如钙长石和富钙辉石等）的球粒，常将它们称为富Al球粒（图1）。富Al球粒的全岩化学组成中，Al₂O₃含量一般≥10%。富Al球粒非常稀少，它在所有球粒中的比例一般不超过1%。富Al球粒在矿物组成、岩石化学和同位素组成等方面的特征都介于CAIs和镁铁质硅酸盐球粒之间，所以常常认为富Al球粒在认识CAIs和镁铁质硅酸盐球粒形成演化过程中的相互联系具有特殊的意义。本文将系统总结前人对富Al球粒氧同位素组成研究成果及其形成演化过程。

（据戴德求等，2020）Ol—橄榄石; Pl—钙长石

1 不同球粒陨石群中富Al球粒的氧同位素

不同碳质球粒陨石群中的富Al球粒常含有残留难熔包体或残留矿物，其氧同位素组成具有不均一性（Δ¹⁷O=-20‰~0‰）。残留的尖晶石和橄榄石等颗粒与CAIs的氧同位素组成相似，具有明显的富¹⁶O同位素组成（不同化学群球粒陨石的氧同位素组成详见图2）。残留CAIs中经历过熔融结晶的钙长石和黄长石等常具有贫¹⁶O同位素组成。总体来说，含残留CAIs较不含残留CAIs的富Al球粒相对更富¹⁶O。不含残留CAIs的富Al球粒的氧同位素组成与镁铁质硅酸盐球粒具有相似的特征（Krot et al.，2006）。最近的研究也证明了上述结论。Dar al Gani978中残留的尖晶石和橄榄石具有富¹⁶O同位素组成，Δ¹⁷O值位于-20‰~-23‰，其余矿物位于-15.3‰~0.5‰之间（Zhang et al.，2014）。戴德求等（2020）在Kainsaz（CO3）碳质球粒陨石富Al球粒中未发现残留的尖晶石或橄榄石，其中的矿物均具有贫¹⁶O同位素组成特征，Δ¹⁷O位于-11.1‰~0.4‰之间。Zhang et al.（2020） 对Allende、Leoville和宁强碳质球粒陨石中富Al球粒研究发现，矿物的Δ¹⁷O值位于-20‰~-1.1‰之间，其中部分残留的尖晶石和橄榄石具有富¹⁶O同位素组成，Δ¹⁷O位于-20‰~-12.2 ‰，其余矿物均相对贫¹⁶O同位素组成。最近报道的宁强碳质球粒陨石中的POI（C#1）的矿物组合主要为钙长石、橄榄石、尖晶石、富Ca辉石和低Ca辉石等，具有CAIs和球粒过渡的性质。通过氧同位素组成研究发现，其与富Al球粒具相似的氧同位素组成特征（Dai et al.，2021）:残留的部分尖晶石具有富¹⁶O同位素组成，Δ¹⁷O位于-20.9‰~-10.5‰，其余矿物的Δ¹⁷O位于-7.5‰~1.3‰。

Jiang et al.（2015）报道了3 个普通球粒陨石中发现的7个富Al球粒的氧同位素组成（δ¹⁸O=-6.1‰~7.1‰; δ¹⁷O=-4.5‰~5.1‰; Δ¹⁷O=-2.9‰~3.7‰）与镁铁质球粒相近，较CAIs明显贫¹⁶O。在三氧同位素图上，大部分富Al 球粒的氧同位素组成沿着地月质量分馏线（TF）分布或位于其之上，两个球粒位于TF和CCAM之间。Russell et al.（2000）报道的普通球粒陨石中富Al球粒的氧同位素组成与上述结果相似，在三氧同位素图上投点，数据基本位于TF和CCAM之间且沿一条斜率约为0.83的直线分布。δ¹⁸O和δ¹⁷O的值变化相对较大（δ¹⁸O=-15.7‰~7.6‰; δ¹⁷O=-13.5‰~4.5‰; Δ¹⁷O=-6.1‰~1.3‰），与镁铁质硅酸盐球粒比较，富Al球粒相对更富¹⁶O同位素组成。顽辉石球粒陨石中富Al球粒的氧同位素组成在三氧同位素图上沿斜率约为0.6的直线分布。顽辉石球粒陨石中镁铁质硅酸盐球粒的氧同位素组成与富Al球粒基本重叠，但富Al球粒相较更富¹⁶O同位素组成（δ¹⁸O约高12‰左右）（Guan et al.，2006）。

2 初始物质组成

富Al球粒的矿物组合常为橄榄石、低Ca辉石、钙长石、富Ca辉石和尖晶石等。橄榄石和低Ca辉石是镁铁质硅酸盐球粒中的主要矿物，而尖晶石、钙长石和富Ca辉石常出现在CAIs中，所以常常认为富Al球粒在认识CAIs和镁铁质硅酸盐球粒的相互关系及早期星云演化过程具有重要的意义。根据富Al球粒的矿物组合、全岩化学组成和REE特征等常认为其是CAIs和镁铁质硅酸盐球粒（或其初始物质）混合熔融结晶形成（Zhang et al.，2014）。

从氧同位素组成特征来看，在部分富Al球粒中，少数矿物（如尖晶石、橄榄石和透辉石等）常具有富¹⁶O同位素组成，一般认为，这些矿物颗粒属于富¹⁶O同位素组成的CAIs或AOAs（蠕虫状橄榄石集合体）的残留矿物。在富Al球粒熔融结晶形成过程中，初始物质之一（CAIs或AOAs）可能是部分熔融，使得部分富¹⁶O同位素组成的尖晶石、橄榄石和透辉石等被保留下来。所以，这些富Al球粒的初始物质可能为CAIs（或AOAs）与镁铁质硅酸盐球粒（或其初始物质）（Zhang et al.，2020; Dai et al.，2021）。在普通球粒陨石、顽辉石球粒陨石和碳质球粒陨石中部分富Al球粒的氧同位素组成（δ^17，18O位于-15‰~5‰之间）常与镁铁质硅酸盐一致。所以，这些富Al球粒的初始物质组成不是CAIs和镁铁质硅酸盐球粒简单的混合，需要考虑富Al球粒中矿物的氧同位素为什么没有继承初始物质之一（CAIs或AOAs）的富¹⁶O同位素组成特征。在未发现富¹⁶O同位素组成残留矿物的富Al球粒中，虽然其氧同位素组成与镁铁质硅酸盐球粒相似，但根据矿物组成和部分矿物氧同位素组成具有系统性偏高等特征，表明与镁铁质硅酸盐球粒相比，这些富Al球粒的初始物质可能含有相对富¹⁶O同位素组成的集合体（CAIs或AOAs），它们与镁铁质硅酸盐球粒（或其初始物质）发生熔融结晶时，所有的初始物质发生了完全熔融，且在熔融结晶过程中与周围贫¹⁶O同位素组成的星云发生了较长时间的同位素交换。综上所述，富Al球粒的初始物质组成相似，均为CAIs（或AOAs）+镁铁质硅酸盐球粒（或其初始物质），区别可能与它们的形成条件和过程有关。存在残留富¹⁶O同位素组成颗粒的富Al球粒在形成演化过程中只发生了部分熔融，导致残留富¹⁶O同位素组成的矿物被保留下来; 后者发生了完全熔融，在此过程中，其中的矿物之间或矿物与周围的星云之间进行了较彻底的氧同位素交换。

3 氧同位素源区

通过对不同球粒陨石群中富Al球粒的氧同位素组成特征研究，发现富Al球粒形成演化过程中至少存在3个不同的氧同位素组成源区（图3）。

（1）CAIs和AOAs形成区域（Δ¹⁷O =-23‰~-20‰）。前期大量研究证明，CAIs和AOAs形成于星云中最富¹⁶O同位素组成区域。部分富Al球粒中尖晶石和橄榄石等的氧同位素组成特征（Δ¹⁷O =-20‰±）与此源区相似，表明它们可能来源于CAIs和AOAs形成区域，属于富Al球粒中的残留矿物。富Al球粒中残留的尖晶石、橄榄石和透辉石等的氧同位素组成特征与此源区相似。另外，富Al球粒中部分尖晶石Δ¹⁷O变化较大，有些具有相对贫¹⁶O同位素组成。如宁强陨石中POI尖晶石的Δ¹⁷O变化较大，最低可达-20.9‰，具有典型的源区氧同位素特征，属于残留矿物; 有些尖晶石相对贫¹⁶O，它们可能是球粒物质再次结晶形成（Dai et al.，2021）。在CH3球粒陨石中也发现了含Cr、Fe的尖晶石，它们与上述贫¹⁶O尖晶石相似，可能也是球粒物质结晶形成; 富Al球粒中具有Cr、Ti环带的尖晶石相对贫¹⁶O同位素组成也可以用后期熔融结晶解释; 残留的橄榄石具有与尖晶石相似的氧同位素组成特征。在CV陨石的富Al球粒中，残留的橄榄石常相对贫¹⁶O组成，可能与CV陨石经过过热变质事件有关。

（2）镁铁质硅酸盐球粒熔融结晶区域（Δ¹⁷O =-7‰~-5‰）。不同球粒陨石群中富Al球粒的主要矿物相，如非残留成因的橄榄石、尖晶石、透辉石和顽辉石等均具有与此源区相似的Δ¹⁷O组成。这些矿物都属于熔融结晶成因，氧同位素特征反映了当时星云环境相对贫¹⁶O同位素组成，矿物在熔融结晶过程中与周围的星云发生了氧同位素交换。前期大量研究表明，球粒陨石中镁铁质硅酸盐球粒形成时星云环境中Δ¹⁷O值与这些矿物吻合，表明富Al球粒形成区域与镁铁质硅酸盐球粒一致，可能是同一热事件的产物。两种球粒之间的差别是由于初始物质不同造成。

（3）球粒陨石母体吸积区域（Δ¹⁷O =-3‰~0‰）。宁强、Dar al Gani978、Allende和Leoville等陨石的富Al球粒中钙长石的Δ¹⁷O变化均较大，最高可达-3‰~0‰。相对于富Al球粒中的其他矿物，钙长石具有更高的Δ¹⁷O值，表明其后期再次经历过氧同位素交换。另外，钙长石的氧同位素组成与陨石母体具有密切的关系，在还原型Leoville等陨石中，钙长石的Δ¹⁷O最高约为-3‰左右，而在经历过后期热变质作用的宁强和Allende等陨石中，钙长石的Δ¹⁷O值可达到-1‰~0‰。上述特征表明，后期的热变质作用也使得富Al球粒发生了氧同位素交换，蚀变矿物能较好地反映陨石母体吸积区域的氧同位素组成特征。根据其他的矿物岩石学等特征，交换可能发生在陨石母体中，且有流体参与，热变质作用与氧同位素交换过程可能伴随进行。

4 形成演化过程

富Al球粒的形成演化过程见图3。

在太阳星云的特定区域（Δ¹⁷O =-23‰~-20‰），温度在达到使大部分固相尘埃气化之后开始冷却，从高温到低温依次凝聚形成松散A型包体（FTAs）—富尖晶石/辉石型包体—AOAs，AOAs可能是相对更低温星云直接凝聚的产物。此区域形成的集合体均具有富¹⁶O同位素组成。粗粒CAIs显然经历过熔融结晶的过程，它们可能是前期形成物质熔融结晶的产物。

早期形成的CAIs（包括AOAs）形成后，发生迁移，进入到镁铁质硅酸盐球粒熔融结晶区域（Δ¹⁷O=-7‰~-5‰）。CAIs和AOAs与早期形成的铁镁质硅酸盐球粒（或其初始物质）发生熔融结晶，形成富Al球粒。CAIs和AOAs在与硅酸盐混合熔融结晶时，CAIs中的尖晶石和AOAs中的橄榄石等可能未发生完全熔融，从而作为残留物被保留下来，所以这些残留矿物具有与CAIs形成源区相似的Δ¹⁷O组成。由于星云环境的改变，球粒在熔融结晶过程中与周围星云发生氧同位素交换，导致富Al球粒中的发生了熔融结晶的矿物与镁铁质硅酸盐相似的Δ¹⁷O组成。

富Al球粒形成后，继续迁移进入球粒陨石母体形成吸积区域（Δ¹⁷O=-3‰~0‰），并与其余早期形成的各类物质（如CAIs、球粒、基质等）聚集在一起共同形成了陨石母体。由于星云环境的再次改变，富Al球粒在贫氧同位素组成的环境中再次发生了氧同位素交换。另外，由于部分陨石母体后期过程可能发生较强烈的热变质作用，甚至有流体参加，导致其中的富Al球粒发生更进一步的氧同位素交换。

参考文献