遨遊星體的內心世界 – 淺談鎳鐵隕石的組織變化與分類

圖／黃克峻、洪誌楀

鎳鐵隕石特有的韋德曼交紋圖案不僅賞心悅目外，其中鐵紋石條帶組構變化亦可用於鎳鐵隕石的分類。另外，透過化學成分特徵為依據，科學家們更推測目前已知鎳鐵隕石來自於 12 個以上曾經存在於太陽系初的原始星體。鎳鐵隕石的組織結構與化學特徵紀錄了太陽系初形成時原始星體、星球的碰撞事件，讓我們洞悉了太陽系初生成時的「狂暴動盪時期」。

科學家透過數百年來發現的隕石，依星體演化過程及成分區分為「原始球粒隕石」、「原始無球粒隕石」及「已分化無球粒隕石」三大類。所謂「原始」即指形成於原始太陽系星雲中，未受熔融或相對熔點低的熱反應的隕石，是目前所知最古老的物質。而「已分化無球粒隕石」，則代表其來自曾開始熔融、依礦物組成特色分層、化學分化的星體或小行星。這些於太陽系初形成之時出現的星體擁有如現今地球內部構造，有鐵質的核心及超基性、基性岩組成的地幔。不同類別的無球粒隕石即源自不同分化程度的星體及不同深度的產物，經碰撞破碎後漫遊於太陽系的碎片。鎳鐵隕石是「已分化無球粒隕石」大家族中的特殊族群，它們多來自已消失的小星體之心臟部位 – 核心，其以鐵、鎳合金為主的成分讓我們可間接了解地球的內核組成。鎳鐵隕石是國內外博物館的常客，也是民眾最常見到的隕石類型。其經切割再化學處理後展現出美麗的「韋德曼交紋圖案」(Widmanstätten Pattern) 一直為大眾所熟悉的隕石樣貌。這些美麗圖紋的變化受控於星體的分化程度及降溫歷程，因此只要仔細觀察圖紋的型態，瞭解不同圖紋之差異並將其分類，即能追朔曾經存在於太陽系的已分化小星體們。在欣賞各式各樣的韋德曼交紋圖案的同時就猶如遨遊於不同星體的內心世界。

韋德曼交紋圖案的形成及分類

鎳鐵隕石中最引人注意的就是那交織的「韋德曼交紋圖案」，是隕石切開後經拋光、強酸蝕刻後才能顯現的晶體構造。此圖案是鎳鐵合金於星體核心中經漫長時間降溫所造成，每百萬年下降大約 1 – 10 度，在實驗室中無法製造出這樣粗大的組構，使得這圖案被認為是鑑別大部分鎳鐵隕石的重要特徵。這些紋路主要是透過含鐵較高的鐵紋石（化學式 Fe_0.9Ni_0.1）與含鎳較高的鎳紋石（化學式 Fe_0.8~0.35Ni_0.2~0.65）交織生長而形成。透過鎳鐵合金鎳含量與溫度之相圖，可見鎳鐵合金在高溫時率先形成的鎳紋石在降溫至 750°C 以下後開始不穩定，隨著溫度逐漸降低，晶體中開始析出鐵紋石，此晶析作用過程中鐵紋石仍沿著原鎳紋石八面體晶面發育，因而形成具顯著方向性的鐵紋石 – 鎳紋石交紋。然而，鐵紋石的寬度變化取決於融熔星體的鎳含量、結晶作用發生時的溫度，以及降溫的速率。整體而言，鎳的含量越低或降溫較慢之星體，鐵紋石條帶越寬。由於鐵紋石條帶易於觀察，因此最早被利用來分類鎳鐵隕石。依照隕石之鎳含量與鐵紋石之寬度大小與可將鎳鐵隕石分為以下三大類：

1. 八面隕鐵 (Octahedrite) – 最常見的鐵隕石組構

具有美麗交紋圖案的鎳鐵隕石其含鎳量多介於 6 – 18 wt% 之間。由於韋氏交紋圖案中之鐵紋石沿著鎳紋石之 {111} 晶面，亦即八面體晶面上生長而來。使得具這種組織的隕石被稱為八面隕鐵。依據鐵紋石寬度可細分為：極粗晶 (> 3.3 mm)、粗晶 (1.3 – 3.3 mm)、中晶 (0.5 – 1.3 mm)、細晶 (0.2 – 0.5 mm)、極細晶 (< 0.2 mm)。具有顯微尺度組織之「隕合紋」(plessite) 則為極細晶的鐵紋石與鎳紋石交互生長而成，通常形成於較大的鐵紋石條帶交錯間隙中。切割八面隕鐵時若能平行著鎳紋石之 {111} 晶面切割，即可使鐵紋石條帶間呈現完美的 60 度或 120 度夾角。

2. 六面隕鐵 (Hexahedrite) – 碰撞事件紀錄者

當星體核心含鎳量低於 5wt% 時，隨著降溫過程其組成僅能形成以具有 {001} 立方體晶面解理的鐵紋石。由於所形成的鐵紋石晶體多半巨大 (> 50 mm) 且僅有少量鎳紋石共生，因此六面隕鐵多半不見美麗的韋氏交紋圖案。雖然如此，六面隕鐵中反而常見到許多經碰撞震盪產生的晶體缺陷– 紐曼線 (Neumann lines)，紀錄了太陽系初形成時原始星球的碰撞，反映當時非常動盪的時期。

3. 無紋隕鐵 (Ataxite) – 沒有韋氏交紋圖案的鐵隕石

並不是所有的鎳鐵隕石都有美麗的韋氏交紋圖案，無紋隕鐵是這類隕石的代表。因為鎳含量可高達 30wt% 的它，於降溫時鎳紋石進入鐵紋石之穩定範圍已經低於 600 度，鎳紋石晶體結構於這個溫度已經太過低溫，無法有足夠的熱擴散產生明顯的鐵紋石晶析構造，因此不具韋氏交紋圖案。但是，一般取得的無紋隕鐵樣本多會有美麗如鏡子般的拋光，反而相當有魅力。

鎳鐵隕石的化學分類

隨著化學分析技術的進展，1950 年代以後開始以隕石的化學組成來進行分類。由於微量元素鍺與銥在親鐵元素中相對較易揮發，當星體核心分化程度不同時會導致其濃度顯著變化。因此，根據隕石中鍺與銥的濃度隨鎳含量而變化分布的情形，可進一步分出 12 個化學類群，各群以羅馬數字與英文組合表示。然而目前尚有約 15% 的隕石之成份不落於上述 12 個化學類群中，另被分於第 13 群「未分類」中。鐵鎳隕石若有相近的化學特性可能代表具有相同的星體來源。這些化學分類顯示目前鎳鐵隕石星體來源至少有 12 種以上，若以同位素分析結果進行分類，其來源可能更高達 50 種以上。

鎳鐵隕石的鑑識

在臺灣偶有民眾自戶外撿拾到偏重且具磁性岩塊或工業廢棄物（如爐渣），常懷疑是否為鐵隕石。透過下列重要特徵即可進行鑑識。
（1）指捏印 (regmaglypts)：是隕石進入地球大氣因燃燒而使表面熔融的產物，為鎳鐵隕石常見外形。
（2）比重大：鎳鐵隕石中的鐵紋石與鎳紋石比重高達 7 至 8。
（3）切割並化學蝕刻後具有韋氏交紋圖案。
（4）切割後內部大多不含氣孔與其他矽酸鹽物質（爐渣兩者皆含）。
（5）鎳含量高：地表自然物的鎳含量遠低於鎳鐵隕石。
對坊間流傳的隕石有興趣收購的民眾，除清楚其來歷外亦須小心檢驗上述特徵，以免受騙上當。