“时空旅行者”Winchcombe陨石的EDS分析

距今约有46亿年的一块稀有的碳质球粒陨石，随时间旅行来到地球，竟然由我来通过扫描电镜和能谱来分析它的内部结构，真是令人感到不可思议！

2021年2月，一个“天外来客”以火球的形式来到地球，坠落在格洛斯特郡（Gloucestershire）的一个小镇，英国有千余人目睹了这一奇观。英国火球联盟（UK Fireball Alliance）迅速反应，在当地居民的帮助下，回收了约600g陨石样品用于科学分析。在坠落后的12个小时内，这些陨石未受雨水冲刷，收集后被立即妥善地放置在保护容器中，使得这些陨石的性质保持良好，和太空探测器捕获的陨石性质类似。这批陨石后来被命名为Winchcombe陨石。

这批陨石中最大的一块保存在伦敦自然历史博物馆，其他的则分别收藏在英国各地的博物馆中，并因此组建了英国Winchcombe财团研究会。该研究会可以使用不同的技术对这些陨石开展细致的研究。研究发现，这些陨石属于稀有的碳质球粒陨石，和地球的年龄相近，大约有46亿年的历史。陨石的显微结构和成分信息，可以帮助人类了解地球是如何形成、早期太阳系是什么样子，还能够为地球上海洋和生命的起源研究提供线索。

图 1  伦敦自然历史博物馆陈列的Winchcombe陨石

牛津仪器是Winchcombe财团研究会的成员，最近作者有幸从自然历史博物馆获得一个Winchcombe陨石的样本。作者利用牛津仪器的显微分析工具EDS分析发现，这种碳质球粒陨石具有奇妙的显微结构。

图 2  碳质球粒陨石截面的电子图像和元素分布图

作者分析用的能谱仪Ultim Max 170探测器和AZtecLive实时化学成像软件配置在场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）上。为了获得样本的宏观信息，作者使用大面积拼接功能（Large Area Mapping, LAM）获得了整个截面的电子图像和元素分布，如图2所示，左下角标尺为1mm。从图2中可以清晰分辨其中的球粒和金属颗粒，周围红色区域为镶嵌用的导电树脂。LAM功能非常适合采集大块、且特征分布不均匀的样品，可以将元素的分布情况以毫米或厘米级范围内，直观呈现。

AZtecLive中的实时化学成像功能（Live Chemical Imaging, LCI）可以帮助操作人员轻易、快速地找到感兴趣的区域。得益于这项新技术，移动样品时操作人员可以看到实时的元素分布，这种分析流程颠覆了传统的“移动→停止→采集→重复”步骤。

图 3  AZtecLive中的实时化学成像功能

如图3所示，实时化学分析功能可以同步显示电子图像和元素分布，有助于快速定位具有特异元素的区域。样品边缘区域是陨石的熔壳，熔壳是陨石在高速（15～70km/s）穿过地球大气层时表面熔融形成的薄层。尽管陨石仅需4～5秒钟就穿越了大气层，但坠落过程中产生的巨大热量却足以融化陨石的表层（陨石坠落过程中火球非常壮观）。作者在样品上部边缘熔壳区域找到了一些突起，突起的宽度从0.5um到几百微米不等，该区域的结构和芯部区域明显不同。

图 4  不同放大倍率下Winchcombe陨石熔壳层的二次电子图像和元素分布：（a）1000倍（b）10000倍

图4中的区域对应图2中的红色方框，显示的是不同放大倍率下熔壳区域的元素分布。高倍率的元素分布显示该区域具有精细的显微结构，在富硅的基体中分布着棱角分明的氧化铁和橄榄石颗粒。

图 5  Winchcombe陨石芯部区域的电子图像和元素分布叠加图

该陨石芯部区域的显微组织同样精彩，这里仅展示一张最漂亮的元素分布，如图5。从元素分布上可以看出，在变质橄榄岩（红色）中存在富铁蛇纹石脉状结构（蓝色）。

本文仅展示了该碳质球粒陨石一部分迷人的结果，在后续的博文将进一步推送相关分析的最新进展。

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