從隕石研究看地球與太陽系的起源及演化 李德春教授主講

隕石好像占星師手中那顆具有魔力的水晶球，不僅可以看穿地球的內心，還可以看透太陽系的前世今生。

感謝李德春老師非常仔細地幫我們把「隕石」這個主題從入門到進階應用的內容全部整理了一遍，從基礎的隕石形成、分類、化學組成、各類隕石介紹、到隕石的採集等等，為我們先上了一門初級的隕石入門課。然後再根據隕石中的化學組成、同位素含量比例、定年、及IDP的分析，正式帶領我們進入太陽系演化的故事之中。面對都是初學者的我們，老師沒有太過深入研究的細節，但是保留了研究方向和線索，讓我們未來還可以繼續深入探索相關的研究發展。

以下是老師演講內容的摘要，部分內容只標示了主題，是因為背後的故事還很長，這裡就不做太多延伸。歡迎各位以此為契機，繼續參加我們下一個系列「太陽系的形成與演化」研習活動。

隕石的分類與意義
一般對隕石的分類，是以隕石的組成成分區分為：石質、石鐵質、和鐵質三種。但是就科學研究上來說，石質隕石中的球粒狀與非球粒狀才是重要的分類特徵。

所謂的「球粒狀」，是指整顆隕石大多是以接近圓球形的結晶顆粒所組成，這些圓球形的結晶顆粒可能是形成於快速的熔融或部分熔融之後，迅速在宇宙中冷卻凝固所形成接近圓球形的顆粒，然後在顆粒與顆粒之間碰撞過程中聚合成一個小的團塊。這一類的天體未來若是落入地球，我們就稱之為「球粒隕石」。

但是這些團塊如果繼續聚合更多球粒，可能就會因為聚合了更多的放射性元素而加熱，球粒狀的構造就會消失。這一類的團塊未來若是落入地球，我們就稱之為「非球粒隕石」。

如果這些團塊持續聚合周圍的其他團塊而增長，溫度越來越高，不只會使得球粒狀的構造消失，還會進一步造成團塊內部結晶分化的現象，使得團塊中金屬等密度較大的物質往團塊中心聚集，岩石等密度較小的物質往團塊外側聚集。這一類天體未來如果被撞碎的破片落入地球，或是在落入地球的過程中破裂，就會有鐵質、石鐵質、和石質等不同組成的「非球粒隕石」。

因此，球粒隕石代表太陽系形成時，原始太陽系物質彼此聚合，未發生結晶分化過程的狀態。非球粒隕石則因為已經發生過結晶分化，這類隕石通常只能代表某個天體其中一部份的組成。其中有一種比較特殊的非球粒狀隕石，雖然球粒的構造已經消失，但是隕石的元素組成顯示其尚未經過結晶分化作用。

所以在科學上我們對隕石的分類是以球粒隕石與非球粒隕石做基本分類，非球粒隕石再分成「未分化」及「分化」兩類。分化的非球粒隕石再依照組成成分區分為石質、石鐵質和鐵質三類。

隕石中的氧同位素比例
分析球粒隕石中氧同位素含量比例可以發現，類似的結晶分化過程，會導致氧同位素含量比例出現相同的變化比例（上圖左斜率）。例如火星隕石、灶神星（？）隕石和月球隕石的氧同位素含量變化比例都與地球（TF）相同（斜率相同），顯示這些天體的結晶分化過程都與地球類似。

但其中只有月球隕石不只氧同位素含量變化比例相同（斜率相同），連比例也相同（值的大小相同），顯示月球與地球不只結晶分化的歷史相同，其組成物質的來源也相同。相對的，火星和灶神星的氧同位素比例和地球就不一樣（值的大小不同），顯示火星和灶神星的組成物質來源和地球不同。

在各種球粒隕石中，以頑火輝石球粒隕石的氧同位素比例和地球幾乎完全一致，因此有部分科學家將頑火輝石球粒隕石所含的元素比例當作地球的組成物質比例。（延伸閱讀：「隕石帶來地球深處的秘密」http://mynotes.org/earth/?p=5472）

魏德曼紋路（Widmanstätten pattern）
鐵鎳合金在緩慢冷卻過程中的天然結晶型態，表示這樣的隕石曾經存在於一個體積較大的天體中，經過結晶分化及長期緩慢的冷卻過程而形成。

太陽系中小行星的分布與演化

火星隕石
當火星表面受到劇烈撞擊時，火星表面的岩石可能碎裂並彈飛離開火星表面，並且到達地球。判斷是否為來自火星的隕石，可以藉由隕石中玻璃質的氣泡，來分析氣泡中惰性氣體含量與火星大氣實際觀測到的惰性氣體含量相比。這些玻璃質氣泡應是來自於火星表面的岩石受到劇烈撞擊時所產生的高溫，造成岩石內熔點較低的礦物部分熔融，並在包裹部分火星大氣後凝固。因此分析隕石當中玻璃質包裹物內的惰性氣體含量比例，可以得到與直接觀測火星大氣相近的結果。

隕石的墜落與採集
構成原始太陽系物質的來源
宇宙中不同的恆星種類，可能導致不同的恆星演化結果，並且釋放出不同比例的元素組成，構成原始太陽星雲或行星狀星雲，最後凝聚成類似今日太陽系的模樣。
因此，如果收集太陽系中微小的星塵，有機會可以獲得當初構成太陽系的原始成分究竟源自於何種恆星的殘骸，或者包含了不只一種恆星種類的物質來源。
根據流星雨期間所收集到的IDPs，分析其碳、氮同位素比例可以發現，這些IDPs的組成迥異於地球及隕石的成分。
除此之外，富含鈣鋁的球粒隕石，則保存了太陽系演化歷史中最早的一段演化歷程。

原始太陽系的X-wind事件
Frank H. Shu, Hsien Shang, Alfred E. Glassgold and Typhoon Lee, 1997, ” X-rays and Fluctuating X-wind from Protostars”, Science, 277, 1475-1479.
參考資料：https://goo.gl/Pjhx2G

定年法的運用
目前太陽系最老的定年結果，都是來自於隕石所進行的鉛鉛定年。但這種放射性元素的半衰期很長，精確度較低，無法測定出較短時間尺度的事件，因此必須搭配部分短半衰期放射性元素的定年，才能較精確區分出太陽系演化初期所可能發生過的事件順序與年代。
但是短半衰期放射性元素的母元素多已衰變消失，僅能以子元素、子元素原始含量比例推估，細節還要再讀一些參考文獻才行。
De Pater, I., & Lissauer, J. J. (2015). Planetary sciences. Cambridge University Press.
https://en.wikipedia.org/wiki/Extinct_radionuclide
https://en.wikipedia.org/wiki/Radiometric_dating#Dating_with_short-lived_extinct_radionuclides
參考資料：https://goo.gl/Qfza3H

太陽系早期事件時間表

穩定同位素比例的測定

利用小行星反射光譜比較隕石成分

隕石地球化學分析技術及儀器

研習活動錄影：https://goo.gl/jE2FwH
研習活動錄音：https://goo.gl/pT8257
研習活動照片：https://goo.gl/YdaEgy