陨石和地外样品是目前能获取到的来自其他天体的最直接地质证据。研究陨石和地外样品的目的在于揭示太阳系及其所含天体的宏观与微观演化过程，并为行星与星际环境和星际移民与外星生命的可能性提供新的见解。按照国家自然科学基金委员会的标准，涉及直接研究陨石和地外样品的有两个研究方向——更侧重于物理计算和遥感解译来模拟样品形成的宏观过程的“行星地质学”，以及更侧重用化学分析和实验手段研究样品微观世界的“宇宙化学和行星化学”。由于陨石和地外样品的形成皆涉及高温火成过程，因此这两个研究方向都与地球火山学的研究方法密切相关。

2020年以来，北京大学地球与空间科学学院田伟副教授团队基于此前地球火山学的研究基础，综合利用镜下观察、化学分析、数值模拟、遥感解译的手段，对陨石和地外样品进行系统的物理化学形成过程探究。研究聚焦于以下三方面：

1. 火星nakhlite的浅部硫去气作用指示岩浆氧逸度的变化

图1 (a) 本研究所得的NWA 5790 nakhlite钛磁铁矿-钛铁矿闭合温度和氧逸度（红点），与前人所做的nakhlite中钛磁铁矿-钛铁矿的闭合温度和氧逸度进行比较。(b) 总硫含量与氧逸度的去气模拟。(c) 压力与氧逸度的去气模拟。

Nakhlites是火星陨石中结构最接近地球玄武岩的一个亚群，其记录的氧逸度对古代火星岩浆作用的环境特征具有重要的启示意义。但是，前人的工作并没有准确揭示火星nakhlite岩浆氧逸度的变化规律及其原因。本研究在火星nakhlite陨石NWA 5790中发现了可用于电子探针分析的钛铁矿-钛磁铁矿矿物对，其记录的氧逸度高达ΔQFM+1.60、温度高达1032 °C，是迄今为止nakhlite中所测量到的最高氧逸度和最高封闭温度。将本数据与前人的研究进行比较，发现在nakhlite记录的封闭温度和氧逸度中，有明显的氧逸度与封闭温度呈正相关的趋势（图1a）。封闭温度反映了在钛铁矿和钛磁铁矿停止元素扩散时的环境温度，因此该趋势表明随着岩浆温度的降低，岩浆变得更加还原。为了探究nakhlite岩浆变得还原的原因，使用D-Compress去气模拟软件对该过程进行了计算模拟（图1b、1c）。模拟结果显示，nakhlite样本中氧逸度的降低可以由4000-7000 ppm的初始硫含量的去气过程定量解释。而封闭温度则与冷却速率成正相关，进而与埋藏深度成负相关，因此，不同的封闭温度则反映了nakhlite样品不同的埋藏深度。因此，nakhlite中记录的氧逸度与封闭温度呈正相关的趋势，是由于岩浆硫在不同埋藏深度的去气作用，使得岩浆趋向于还原。用此关系所估计的样品埋藏深度，与前人使用元素扩散方法所得的埋藏深度一致。相关研究成果发表于Wang Z. L., Tian W., and Di Y. K. 2021. New temperature and oxygen fugacity data of Martian nakhlite from Northwest Africa (NWA) 5790 and implications for shallow sulphur degassing. Earth, Planets and Space. 73:164.

2. 嫦娥五号月球样本反映月球晚期火山活动

图2 嫦娥五号月海玄武岩的岩相学。Ol=橄榄石，Cpx=单斜辉石，Pl=斜长石。

2020年12月，嫦娥五号探测器采集了1.371 kg月球样品返回地球。随后，田伟副教授团队获得了国家航天局批准的嫦娥五号月海玄武岩样品，并展开研究（图2）。岩相学观察和矿物学测试表明，该样品属于中钛玄武岩（全岩TiO₂ ~3.9-7.7 wt.%），比阿波罗样品更贫Mg、Cr而更富Fe、K，表明其比阿波罗样品更加演化，且经历了不同的演化历史。橄榄石和辉石的成分从核部到边部有强烈的FeO富集，且橄榄石和斜长石的边部普遍包裹有晚期液态不混溶导致的富硅熔体，这也进一步表明了嫦娥五号玄武岩的演化特征（图2）。MELTS和THERMOCALC热力学模拟的结果表明，嫦娥五号母岩浆在不超过5 kbar下由月球超基性苦橄玻璃质成分（代表月幔成分）经~70 wt.%的分离结晶过程产生，且矿物的结晶顺序为钛铁矿>橄榄石>斜长石>辉石，这与单辉石地质温压计计算所得的2~3 kbar结果一致。对于样品中的辉石成分环带，采用求解菲克第二定律的方法进行Ca与Fe-Mg元素扩散计算，得到嫦娥五号玄武岩辉石边部结晶时的冷却速率为0.00015-0.001 °C/h，对应的熔岩流厚度为78-201m。结合前人研究，计算得嫦娥五号玄武质岩浆的喷发率为0.0007-0.001 m³/s（0.2-0.3 km³/yr），这表明在19-20亿年前月球风暴洋北部区域尚有明显的火山活动。相关研究正在进行中。

3. 中铁陨石的硅酸盐岩屑揭示其形成历史

图3 中铁陨石NWA 12949的三阶段演化模型。

中铁陨石是含有约一半铁相和一半硅酸盐相的陨石。目前，学界关于其形成的具体过程和其母体小行星还存在相当大的争议。NWA 12949是2019年发现于摩洛哥的2A型中铁陨石。岩相学观察表明，该陨石经历了复杂的结晶与变质历史，具体体现在：1. 硅酸盐岩屑具有明显的角砾化，且冲击熔融和快速结晶产生的基质在硅酸盐岩屑中广泛存在；2. 不同硅酸盐岩屑的岩相学结构和化学成分各不相同，可见辉长结构、辉绿结构、次辉绿结构、嵌晶结构、斑状结构等不同的岩相学结构，以及基性和超基性等不同的化学成分；3. 单斜辉石岩屑发育广泛的两组出溶条带，表明至少有两次冷却事件；4. 橄榄石和辉石边部存在变质反应边，由金属中溶解的还原物质在高温下与硅酸盐反映的结果。通过化学成分比对，可确定NWA 12949中的硅酸盐岩屑与灶神星陨石匹配，而其与灶神星陨石的岩相学差异可由变质反应来解释，因此这些硅酸盐岩屑来源于灶神星。不同类型的岩屑来源于灶神星地壳的不同深度，且经历了不同的冷却速率和变质历史。根据以上观察，建立了中铁陨石的三阶段演化模型：1. 硅酸盐矿物在不同深度的原始结晶，形成不同化学成分的矿物，以及辉石中的出溶条带（图3a）；2. 第一次撞击作用使灶神星地壳发生部分熔融，产生了快速冷却的基质和不同冷却速率的角砾化岩屑（图3b）；3. 第二次撞击作用使角砾化岩屑和金属发生混合，同时发生变质反应，并将不同深度的岩屑带到地表，形成中铁陨石NWA 12949的岩相学结构和矿物学特征（图3c）。相关成果将发表于Wang Z. L., Tian W. Petrology and Minerology of Mesosiderite Northwest Africa 12949: Implications for geological history on the mesosiderite parent body. Submitted to Meteoritics & Planetary Science.