高碳质球粒陨石可直观证明陨石坠落过程中的物理化学变化～科普篇

众所周知行星碎片在进入大气层要经过高温高压燃烧过程，大部分解体燃尽，个头大的少部分没有燃尽的碎片落到地球表面为陨石。那么行星碎片进入大气层后都发生了什么物理化学变化呢？都知道大气层从上到下可分为散逸层、热层、中间层、臭氧层、平流层、对流层，整个大气层随高度不同表现出不同的特点。厚度大概1000公里以上，没有明显的边界，75%的质量都在对流层十几公里范围之内。所以对流层的密度大，陨石坠落到对流层由于密度大而减速再次解体，所以我们大多看到的陨石接近地面时候发生了空爆。也由于平流层到对流层的温度直线降低，陨石到达对流层顶端，温度变低并刹车，陨石燃烧降低，这时候融壳容易堆积并凝固，甚至不再发光，所以我们看到大多的陨石坠落快到地面时猛然发光后暗淡下来，这就是陨石进入更稠密的对流层后爆裂降温现象。这种现象在各种陨石表面通过融壳的厚薄，融流线等都得到印证。

大气层分层和温度变化图

从陨石内部能不能看出大气层的层化现象吗？还真能。大部分陨石内部物质密度是均匀的，只有少部分含气体和水冰的这些脏雪球，内部物质密度极度不均匀，较大的坠落地球容易解体难寻获，即使寻获到了也只是冰外石陨石不规则的很小碎片，这些陨石碎块可能由于水汽或者冰晶的融化缺失形成空腔或者空洞。在小行星带，C类群组小行星(碳质）占比75%，但是我们寻获的碳质球粒陨石很少，含碳高的和水化高的更少，CI组群也只发现就9块，这说明这些陨石结构松散，坠入大气层容易燃烧解体，到达地发表容易风化。

这是坠落在英国马路上的碳质球粒陨石

当然，在太阳星云星盘较远区域，也就雪线内测水汽和碳物质占主导，重粒子物质相对减少，这地方聚集成的行星是以碳为主的，大多都是很小的个体，在这个主碳带，离太阳越远，碳含量和水含量就越高，温度越低，在形成CI陨石的更远处和高碳陨石(含水50%，碳80以上）之间，硅酸盐物质、碳、水的各占比都很大，有少量的金属物质，形成的陨石更疏松，坠入大气层高速高压很容易解体，几乎不可能存留，所以，在碳质球粒陨石分类中，到了含水20%的碳质陨石CI，后面没有再分类原因。可是在碳达到较高的丰富(70%以上），重粒子比例比较低，水含量达到50%左右时，它成了一个粘稠的团块，如果进入大气层，它的个头很大也会在高温高压下解体成若干小块。(正常情况下在比区域不会形成有太大的行星，大多是以星子存在，因为比区域的密度太低）。即使不解体，到地面也会粉身碎骨，除少量的很薄的融壳存在，其他都变成了是粉末。当然，个头不大的含碳高的星子就不一样，它在进入大气后，高压压缩了星子的体积使它浓缩，体积变小，同时，极速的升温使水变为蒸气压进星子中心。因为石墨是很好的热导体，又是能耐3850 50 的高温，石墨的特性是随着温度的升高强度越大，温度达到2000 时强度增加一倍，并且不形变，6000多度的电弧灼烧下质量损失很少，工业用来制作坩埚熔炼耐高温金属。高碳陨石在下落过程中，温度会越来越高，到达几千度时，压力越来越大，星子内部的蒸气随温度的增加而变大，在内压和外压相互高强度挤压下石墨内部密度变大，中心就会被几千度的蒸气占有，在星子体内的石墨以外物质也就熔融成液态，如果石墨以外的物质有团状聚集，它融化后又浓缩也会留下空腔。

高碳石墨在进入对流层后，由于大气密度更大，它和其他陨石一样要经过减速和降温，在温度相当低，内部压力大于外部压力时，石墨冷却到变软的临界点时，内部气体就会通过较疏松的通道外喷。由于外喷是瞬间发生，喷气口强大的压力使喷气口周围密度变大。这个过程也可能在落地后发生。

图1 X射线拍摄到陨石内部的密度变化(红箭头为撞击点，紫箭头为喷气道)人类第一张石墨陨石碳骨架图

图2 不同强度的X射线拍到的陨石内部密度，红箭头为落地点

通过对高碳陨石X射线的照射，(图1和图2使用了不同的X光机），也都直观的看到此陨石内部密度变化，首先，图1看似棉花状，说明含水丰富松散的高碳质陨石，受到高压后收缩，碳压缩成了骨架，水蒸气压进内部，几千度的高温使气蒸气的压力到了极限，内压和外压作用进一步压缩了石墨体，使内部密度变大。以降落点到陨石的二分之一处(绿色线)以下，可以看到比上半部分密度大，说明它进入大气层也是定向的，下面的阻力一定大于上的阻力面所形成。从陨石着地接触点看，此陨石正好又遇到了坚硬的石头，强大的冲击力使自己在接触点崩掉了一小块，在崩掉处的后方这样冲击力也瞬间受到压缩，让冲击接触点处后方密度变大，石墨可能就变成了朗斯戴尔石(陨石钻石），这样的撞击改变陨石撞击点密度，目前任何实验室都做不到。把一个石头撞击点的密度和物质形态改变。何况把石墨人工撞击改变成金刚石。图1和图2红箭头处是落地接触点。

坠地温度降低后，当内部气蒸气的巨大压力大于外部压力，超高压的水蒸气就从比较疏松的通道就往外喷，使通道密度变大。(绿色的箭头是喷气通道)。

图3 CT光机拍到坠落接触地面的切片图，密度很高。

在此陨石进入大气层过程中，高压压缩了含水的松散石墨体，又在几千度的高温下，除石墨，绝大部分物质都被融化，包括单质硅、铁、镁、铝……短暂也变成了蒸气混合体，也压缩了周围，这些混合蒸气冷却后又凝固形成新的物质，留下了空腔。空腔越大压力越大，留下的结晶物越大。

图4 较弱射线强度下的CT图片之一

直观看出每个小孔强里面都有一个密度较高的颗粒。这就是坩埚效应。中心空腔是水蒸气外泄后，较重粒子融融冷却结晶物质。这些现象只有高碳质陨石所具备，常规陨石都不可能有这种可能。当然在普通碳质球粒陨石的融壳有所少量发现。

说到这里，既然它是石墨材质的陨石，又经过高温高压淬火过程，肯定有碳质陨石中或者陨石坑中，科学家发现的碳的同素异形体。答案是肯定的。它是碳的同素异形体的大本营。

1，紊碳，文碳是陨石撞击地面发生的激波诱发极高温度，使碳物质变成气态分子冷凝结晶成紊碳，呈极细的白色条带，于石墨平行交织在一起，微晶聚结成片状或树枝状。几千度的电弧和几千度的激光照射也能产生紊碳。这种紊碳在这个石墨陨石中大量存在。

图5 这是科学家描述和发布的紊碳照片

图6 这是作者在高碳陨石体中，打下的粉末处理后拍下的紊碳图片 微米

2，炔碳，也叫卡宾碳，线型碳。炔碳也是在经过高温的碳蒸气淬火行程，多发现与碳质陨石和陨石坑中，太空光谱也捕捉到炔碳。它容易弯曲，常和石墨共同出现。

图7，分离出的炔碳图片，微米大小

3，朗斯代尔石，也叫陨石钻石，六方晶体，自然界的某些陨石中，发现少量六方金刚石与金刚石共生。用很强的淬火方法也可以使结晶态的石墨变成六方金刚石。它实际上是由纳米结构的金刚石和石墨烯类共生体(晶体中的两种矿物质一起生长)组成的。

图8，显微镜下观察抛光的陨石表面强发光体为朗斯代尔石 微米

图9，偏光显微镜下拍到的六方晶体高闪光点朗斯代尔石。 微米

4，金刚石，金刚石和六方金刚石会同时存在在碳质球粒陨石中，甚至有合体。

图10 显微镜下观察到的微米金刚石

5，石墨晶须

图11 显微观察气孔周围的石墨晶须

6.气孔周边熔融晶体

图12 显微观察气孔口的结晶

7，水滴状熔融晶体

图13 显微下观察水滴状的熔融晶体在失重下形成

8·融流线和砸痕

图14 63·3克的高碳质石墨陨石，碳含量接近90%。

图15 砸痕和浅浅的融流线

10·融壳

图16 薄薄的融壳，微米厚薄。

11·熔融体和原始原始球粒

图17 微米大的熔融晶体上布满了难容的纳米大小的球粒

高碳陨石必须具备几个条件:

1.材质必须是高碳(石墨)，碳含量约在80%以上。

2.既然是高碳陨石，一定有高含量的水，水占比50%。

3.体积不能太大，大的个头进入大气层容易解体，热传导不到内部，内部物质还是原始原始状，坠入地面容易碎裂分解。

4.经过大气层高温高压撞击淬火形成多种碳的同素异形体，朗斯代尔石，紊碳，金刚石，六方碳……

5.很薄的融壳。

6.由于含水丰富，高温高压下水逃逸留下空隙。

7.内部低温物质高温熔融后重结晶。

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