乌希里克铁陨石的组织结构、冷却历史和定量预测模型*

周扬扬 徐伟彪 胡 斌 罗海文†

(1北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083)

(2中国科学院比较行星学卓越创新中心紫金山天文台南京210023)

1 引言

太阳系各行星体是由尺度更小的星子碰撞聚集而形成的，随后又经历了数十万到数百万年的内部熔融分异而形成具有核幔壳圈层结构的行星体[1].要了解这些碰撞所发生的时间和内部熔融分异的机制，最好的载体就是铁陨石，因为它代表了行星体金属内核的样品，记录了形成Fe-Ni金属内核和硅酸盐外壳所需要的约束条件;根据不同类型铁陨石(天体金属内核)所记录下的其所经历的冷却过程，可以推测出这些天体的大小尺度和内部圈层结构[2-4].比如Yang等人2007年曾经基于对一块IVA型铁陨石的组织结构分析，估算出其母体冷却速率约为100-6000°C/Myr，并进一步推断出该天体的金属内核尺度在300 km左右，且没有绝热壳层，可能是在45亿年前由一颗月球至火星大小的天体撞裂出来的金属内核[5].因此，根据铁陨石的组织结构，建立一个准确描述和计算铁陨石冷却历史与冷却速率的定量模型，对于推测陨铁母体的形成乃至行星演化理论都有非常重要的指导意义.

2011年，在新疆阿勒泰地区克兰峡谷发现一块重达5 t的铁陨石(乌希里克)，在该区域内发现数块大质量铁陨石个体且坠落地点有着很强的相关性，而且内部岩石结构和矿物成分以及亲铁微量元素含量高度一致，这些铁陨石个体均来自同一个母体，在进入地球大气层后裂解而形成一条长达400多公里的陨落带[6].陨石碎片大多来自太阳系的小行星，它们均形成于45亿年前，经过最初太阳星云几百万年的吸积和凝聚作用形成，有些小行星又经历了大规模的熔融和分异[7]，内部形成核幔壳结构.铁陨石则来自这些分异小行星的核心部分.随着小行星的冷却和凝固，内部的金属颗粒物逐渐形成不同的微观结构和矿物组合，这些微观结构的形成及其性质取决于铁陨石的初始成分和冷却速率，所以理解它们的形成机理，对研究铁富集的陨石、早期因吸积作用而形成的小行星体的历史有至关重要的作用[8].

铁陨石和石铁陨石内部的金属矿物主要是由Ni(5.5%-19%)、Fe两个主要元素和一些微量元素(P、S、Si、Cr)组成.铁陨石中维斯台登(Widmanstatten)纹是在冷却到800°C-600°C发生相变形成，包括贫镍体心立方(BCC)结构的铁纹石带和富镍面心立方(FCC)结构的镍纹石带，具体的温度点取决于原始的Ni和P的含量[9].由于铁纹石生长以及镍纹石内部的Ni含量与Ni元素在两相区的扩散有关，因此通过建立镍纹石带半厚及中心镍含量与铁陨石冷却速率之间的关系，可估算铁陨石在700°C-400°C的冷却速率，这对理解铁陨石母体的形成及其热历史有重要意义[10].随着温度降低，铁纹石不断生长，在温度达到马氏体转变温度(MS点)以下时，残余奥氏体通过马氏体相变转变为铁纹石和镍纹石混合共生的合纹石，其特征与局部Ni含量有关[11].降低至350°C时，在铁纹石镍纹石界面附近富镍区发生失稳分解反应，形成云状区域(Cloudy Zone，CZ)，其内的BCC基体上分布着纳米尺度镍纹石颗粒，而它的尺寸大小由低温下铁陨石的冷却速率决定[12-13].虽然铁陨石中各类组织都研究得比较深入，但是相关研究大多都是碎片化的，对于同时呈现出数种不同类型组织结构特征的铁陨石研究较少，而且乌希里克铁陨石属于IIIE群铁陨石，IIIE群铁陨石是含有特征副矿物Haxonite而从IIIAB群铁陨石分离出的小群体[6]，目前对该类铁陨石的热历史缺乏深入系统的研究，同时在这一个铁陨石中出现了粗大的Widmanstatten纹、各类合纹石以及云状区等不同温度区间所形成的组织结构，这为研究陨铁中不同结构的热历史提供了难得的研究样本.

本文以世界规模最大的阿勒泰铁陨石中乌希里克个体为例，以冶金学的经典研究方法，对该陨石中数种不同类型的组织结构进行实验分析，建立了不同组织结构所对应的冷却历史和冷却速率模型，并最终获得形成该铁陨石全部组织结构特征所对应的各种相变过程和相应冷却速率.本文提出的以固态相变为基础所建立的预测冷却速率的定量模型，为研究铁陨石冷却历史提供了一个更准确的定量研究手段.

2 实验方法

乌希里克铁陨石经早期研究已经得到表1所示的成分和铁陨石类别[6]，其中wt.%表示质量百分数，铁纹石的成核温度计算结果是依据之前建立的铁纹石成核机制[9].从该陨铁中切取10 mm×10 mm×2 mm样品并镶嵌后按标准程序进行磨光和抛光，4%硝酸酒精侵蚀10-15 s，分别在光学显微镜和冷场扫描电子显微镜下观察铁陨石的组织形貌.通过电子探针(EPMA)在20 kV电压20 nA电流下，沿着垂直于铁、镍纹石相界的直线上间隔一定距离逐点检测Fe、Ni、Co和P等元素含量，镍纹石带较窄时间隔距离取3μm，较宽时取6μm，其中需测量每个镍纹石带的半厚以及中心的Ni含量，共检测4个镍纹石带，以得到镍纹石带的元素分布情况.样品经过精细磨光，在20%的高氯酸酒精溶液中电解抛光处理后，使用PHI710俄歇纳米探针在20 kV电压下进行背散射电子衍射(EBSD)测量，以获得铁纹石、镍纹石的位向分布数据并据此估算镍纹石在三维空间的真实厚度和取向，获得合纹石和云状区等组织的位向分布特点，以分析其形成机制.通过ThermoCalc商业软件中的动力学DICTRA板块与TCFe9热力学数据库、MOBFe4动力学数据库，在确定形核温度、冷却速率和初始晶粒尺寸等初始条件后，可以模拟计算得到Ni含量在两相区的分布、镍纹石半厚度和中心Ni含量，由此可以建立不同冷却速率下镍纹石中心镍含量与镍纹石半厚的关系，并据此分析铁陨石中不同组织结构的形成机理.

表1 乌希里克铁陨石的基本信息[6，14]Table 1 Basic infor mation of Wuxilike iron m eteorite[6，1 4]

3 结果和讨论

3.1 乌希里克铁陨石的复杂组织结构

图1是该铁陨石在侵蚀后，得到的数种形貌不同的组织结构，尺度各不相同，如图1(a)所示，除了构成Widmanstatten纹的粗大镍纹石和铁纹石带，各自厚度在100μm、300μm左右;还包括在大约1 mm×1.5 mm区域中由片层状铁纹石和镍纹石组成的梳状合纹石(图1(b)、(c))，其中镍纹石片层的厚度在2-40μm范围且多为几微米;在铁纹石基体上嵌着尺寸2-10μm的颗粒状镍纹石的球化合纹石(图1(d)、(e));另外，还可以在距构成Widmanstatten纹的粗大铁、镍纹石带相界约1微米处的镍纹石内发现很多纳米尺寸的镍纹石颗粒(图1(f)-(h))，尺寸在10-150 nm范围，且离相界越远镍纹石颗粒越小.

图1 乌希里克铁陨石显微组织的光学(图(a)、(f))和扫描电子显微(Scanning Electron Microscop e，SEM)(图(b)-(e)、(g)-(h))图像.图(a)是涵盖不同类型组织结构的低倍照片;图(b)和(c)分别是图(a)和(b)中白框区域中梳状合纹石显微组织的放大图;图(d)和(e)分别是图(a)和(d)中白框区域中梳状合纹石显微组织的放大图;图(f)为图(a)中粗大镍纹石显微组织放大图;图(g)、(h)为图(f)、(g)中白框区域粗大镍纹石逐次放大图，可以观察到距离相界1μm内无镍纹石颗粒，其外析出大量富Ni的镍纹石颗粒.T和K分别代表镍纹石和铁纹石.Fig.1 Optical microscope(panels(a)，(f))and SEM(panels(b)-(e)and panels(g)-(h))images on the different typ es of structural morphologies in Wuxilike iron meteorite.Panel(a)is the low magnif ication optical images covering different types of structures;panels(b)and(c)are the magnif ied morphologies on the structure of comb plessite in the white rectangular regions in panels(a)and(b)，resp ectively;panels(d)and(e)are magnif ied morphologies on the structure of spheroidized plessite in the white rectangular regions in panels(a)and(d)，respectively;panel(f)is the enlarged view of coarse taenite in panel(a);panels(g)and(h)are the magnif ied views on the white rectangular regions in panels(f)and(g)，resp ectively.Ni-rich particles are densely distributed beyond the distance of 1μm to the interface of taenite(T)and kamacite(K).

3.2 铁陨石的W id manstatten纹

3.2.1 镍纹石厚度的三维空间校正

在显微镜下所观察到的是二维平面上的组织形貌，要确定镍纹石三维空间的准确厚度与相互间距，就要对镍纹石厚度进行三维空间校正，如图2所示.可用两种方法测量夹角:第1种方法是在光镜下观察样品上两个相互垂直的表面，其上均有相互平行的镍纹石，则可直接测量出某一个镍纹石带与两个面的公共直线所成的两个夹角θ1、θ2，如图2(a)所示.第2种方法是通过EBSD测出铁纹石相BCC晶面的极图来确定取向关系[15-17]，如图2(b)所示，极图中4个极点对应FCC相{111}晶面族的4个晶面，任何一个{111}晶面与样品表面(圆心的位置)夹角的确定，可以通过绕圆心位置顺时针旋转(或者逆时针)到E-W坐标(或者N-S坐标，E、W、N、S分别表示东、西、北、南)获得.这个{111}晶面族的极点图计算方法在Barrett等人1980年的专著中有介绍[18].将第1种方法所测得的夹角和第2种方法的极图一起投影在球面极点网格中，这样可以达到两种方法对比的效果[19-20].图2(b)中使用两个表面法测得某一个镍纹石片层与公共直线所形成的两个夹角分别为72.0°和58.9°，而使用EBSD方法测得数个镍纹石片层所对应这两个角度的范围为63.0°-73.5°和56.6°-66.0°，另外还有两个夹角为35.0°-39.6°、54.5°-58.6°.在获得了取向角θ之后，准确的镍纹石半厚度(Lact)通过样品表面镍纹石半厚度(Lapp)的测量值乘以sinθ获得，即Lact=Lappsinθ.图2(c)是乌希里克铁陨石中镍纹石带的背散射电子图像，对垂直于镍纹石带的成分进行线分析，可以明显发现Ni浓度梯度呈“M”型分布(图2(d))，当采用所测镍纹石取向角58.9°进行校正后，镍纹石半厚由58μm减小到50μm，“M”型浓度梯度也相应变得更大.

图2 基于取向角校正求得镍纹石片层的真实厚度.图(a)是镍纹石片层在三维空间的示意图，图中PS和AS分别为样品表面和与之垂直的辅助面;图(b)是用EBSD极图法(圆圈)和两个垂直面直接测量法(正方形)所得到的铁纹石与镍纹石的取向关系图;图(c)是镍纹石片层背散射电子(BSE)图像;图(d)是沿图(c)中灰色直线所示各点处经EPMA分析得到的Ni含量在厚度上的变化及该结果经取向校正前后的对比.Fig.2 The real thickness of taenite lamella as corrected by its orientation.Panel(a)is the schematic diagram of taenite lamellae in three-dimensional space，where PS and AS represent the primary surface of the sample and the auxiliary surface p erpendicular to it resp ectively;panel(b)shows the orientation relationship between kamacite and taenite obtained by using the EBSD p olar f igure(circle)and two vertical plane direct measurements(square);panel(c)is the backscattered electron(BSE)image of taenite lamellar;panel(d)is the comparison of EPMA measurement of Ni content variation across the thickness with and without orientation correction，in which the measurement is carried out along the grey straight line in panel(c).

3.2.2 铁陨石的冷却速率估算

本研究中根据Wood方法[11]来计算乌希里克铁陨石冷却速率.具体的计算模型建立如图3，首先通过EPMA测得每个镍纹石带的半厚度及镍纹石中心的Ni含量，将测量值与未经过和经过取向校正的半厚值均画于图3(b).然后，根据实测的铁、镍纹石厚度确定模拟计算单元的尺寸，通过扩散模拟软件DICTRA计算出由695°C经不同速率冷却至400°C后Ni在铁纹石和镍纹石两相中扩散导致的浓度梯度.如图3(a)所示为20°C/Myr的计算结果，据此得到在不同冷却速率下所形成的镍纹石半厚度和中心Ni含量的关系，如图3(b)中直线所示.

图3 根据实测不同厚度粗大镍纹石片层中心的Ni含量与镍纹石(T)-铁纹石(K)相变动力学模型计算结果来确定陨铁中形成粗大Widmanstatten纹所对应的冷却速率.图(a)是相变动力学模型计算实例，以20°C/Myr由695°C冷却至400°C时相变导致的T/K相界附近的Ni浓度梯度;图(b)为陨铁的实际冷却速率，由实测镍纹石片层中心Ni含量与片层半厚数据(考虑取向校正)与图(a)模型计算出的不同冷却速率下两者关系(图中直线)的对比得出.Fig.3 The cooling rate during the formation of coarse Widmanstatten structure in the meteorite is determined by both the taenite(T)-kamacite(K)phase transformation kinetic model and the measured Ni contents at the center of taenite lamellas having various thickness.Panel(a)is an example of the calculated Ni concentration gradient near the T/K phase boundary by using the transformation kinetic model，in which the cooling process is starting from 695°C to 400°C at a sp eed of 20°C/Myr;panel(b)shows the actual cooling rate of the iron meteorite which is determined by the comparison of the measured(data p oints including those after orientation correction)and calculated relationship(lines)of Ni contents at the center of taenite lamellas vs.half-thickness of taenite lamellas by using the transformation kinetic modeling in panel(a).

根据实验点与不同冷却速率对应的计算结果相对位置，可确定形成该陨铁Widmanstatten纹所需的冷却速率.在测量了12个镍纹石带并考虑了取向校正后，实际测得的铁陨石冷却速率范围为40-61°C/Myr，而不考虑取向校正时冷却速率范围为26-56°C/Myr.冷却速率变量是最大冷却速率与最小冷却速率的比值.平均冷却速率49°C/Myr是通过对每个冷却速率取对数然后取平均数而得，而非冷却速率的算术平均数.每个镍纹石带冷却速率对数值的标准差是±0.125，对数值的范围为lg(49±0.125)，取反对数得到该铁陨石考虑误差的冷却速率范围是32-75°C/Myr，标准差的反对数就是我们定义的误差因子2σ，误差因子代表着冷却速率的误差范围，计算值为1.52.上述计算结果总结于表2.需要指出的是，表2的平均冷却速率及误差因子采用的是Yang等[19]在2006年所提出的方法.

表2 乌希里克铁陨石的成分、冷却速率(范围、均值、误差因子和误差范围)Table 2 Com p osition，cooling r ate(range，m ean，err or factor and err or range)of Wuxilike iron m eteorite

3.3 铁陨石中合纹石结构及其形成机制

3.3.1 合纹石的基本结构和位相关系

为了分析合纹石的冷却过程，我们同样使用Wood法预测合纹石的冷却速率，如图4.通过检测图4(a)中梳状合纹石5条不同宽度镍纹石带的中心6个Ni含量，根据其与镍纹石带半厚度的关系绘成图4(b)，并加入上述粗大镍纹石带的实测数据点以及计算的冷却速率曲线，发现梳状合纹石中相对细小的镍纹石带中心Ni含量更高(40%左右)，这些数据点与构成Widmanstatten纹的粗大镍纹石一样均落在相同的冷却速率曲线上，而相对较粗的镍纹石带对应的数据点明显脱离之前的冷却速率曲线.说明梳状合纹石中细小的镍纹石带和粗大的镍纹石带形成机制不一样，细小的镍纹石带是铁纹石进一步长大的结果，而粗大的镍纹石带由于其内部较低的Ni溶度，可发生马氏体相变而阻碍了铁纹石进一步长大，就导致这些粗大镍纹石的冷却速率与Wood法计算值不吻合.

图4 梳状合纹石中镍纹石带中心Ni含量的实测值和动力学计算结果对比.图(a)为在梳状合纹石中镍纹石带中心处，由EPMA测得的Ni含量;图(b)为图(a)中Ni含量测量结果和图3(b)中动力学模拟结果的对比.Fig.4 Comparison of measurements and the kinetic modeling results on the Ni contents at the center of taenite in the comb plessite.Panel(a)is Ni content at the middle of taenite lamellas in the comb plessite，which is measured by EPMA;panel(b)is the comparision of the measured Ni contents in panel(a)and the kinetic simulation results in Fig.3(b).

对球化、梳状合纹石的显微组织表征以及Ni含量的分析如图5，在球化合纹石中，可以观察到2-10μm颗粒状镍纹石相嵌在铁纹石基体中，如图5(a)、(b).其中镍纹石含30%-50%Ni而铁纹石含6%Ni.梳状合纹石中有厚度不同的镍纹石带，而这些粗细不均镍纹石带中Ni含量也呈中间低两边高的“M”型，见图5(c)、(d).球化合纹石和梳状合纹石内镍纹石相分数经统计分别为24.9%、19.0%，据此可计算出该区域整体平均Ni含量范围分别为14.8%-16.1%、10.5%-11.8%，因此这两种合纹石相变形核温度并不相同.

图5 球化合纹石(图(a)、(b))和梳状合纹石(图(c)、(d))显微组织中Ni元素的分布.图(a)、(c)是球化合纹石显微组织的背散射电子图像;图(b)和(d)分别为EPMA测得的图(a)和(c)中对应的Ni元素分布.Fig.5 The distributions of Ni in the microstructures of both spheroidal(panels(a)，(b))and comb plessite(panels(c)，(d)).Panels(a)and(c)are backscattered electron images;panels(b)and(d)are the corresp onding Ni distributions of panels(a)and(c)resp ectively，measured by EPM A.

为了进一步分析该类合纹石的形成机制，使用EBSD和俄歇电子能谱(AES)对其内部铁纹石和镍纹石的取向分布进行了分析，如图6.图6(a)中是另一种类型的梳状合纹石，图6(d)是对这块区域Ni元素的面扫描分析，在镍纹石中边界的Ni含量最高，内部Ni含量偏低，铁纹石区域中Ni含量都维持很低的水平.结合图6(b)、(c)来看，其中数字组合1 1 1、0 0 1、1 0 1代表反极图中的晶向指数，铁纹石区域的取向都一致，镍纹石边缘有一层5μm宽度的薄带，图6(c)中白色线条代表着符合K-S位相关系界面，说明这部分镍纹石薄带的取向和铁纹石区域的取向遵循K-S位向关系.镍纹石内部有不同位向的颗粒状的BCC相和FCC相，一部分FCC相颗粒和原γ相取向一致，应该是残余γ相，而那些不同取向的FCC相则应是不同相变机制所导致，推测是文献中报道的在冷却过程发生了马氏体相变然后再分解导致，详细讨论如下[21].

3.3.2 合纹石的形成机制

合纹石是由体心立方结构的铁纹石相和面心立方结构的镍纹石相混合共生而成，不同的镍含量和不同形状的镍纹石相共生行成多种不同的合纹石，合纹石复杂多样并且形成机制也不同[22-23].

一定成分的铁陨石在高温下为FCC结构，冷却到相变温度点约695°C开始发生镍纹石向铁纹石的相变，随着温度降低铁纹石不断长大，镍纹石中Ni含量形成“M”型溶度梯度.当冷却到更低温度时，镍纹石区域内Ni含量≤25%的区域会在MS温度相变转变为马氏体(见图7的Fe-Ni相图[13])，其Ni含量保持不变，发生如下相变γ→α2+γ;Ni≥25%的区域则不发生马氏体相变，而作为残留FCC相围绕着形成的马氏体，如图6(b)所示，包含不同取向的镍纹石带周边有一层取向一致的薄带.随着冷却过程的进行，马氏体发生如下相变α2→α+γ，越来越多的马氏体转化成BCC的铁纹石相(α相)，α相也继承了马氏体的取向关系，如图6(c)中有很多符合K-S位相关系的晶界，并且铁纹石相保持着一致的取向，此时γ相中Ni含量不断升高.α2边界的FCC镍纹石相中的Ni含量跟随着Fe-Ni相图的γ/(α+γ)相界，BCC铁纹石相中的Ni含量跟随着Fe-Ni相图的α/(α+γ)相界(图7)[13].低于400°C的时候，马氏体边界处的FCC镍纹石相中的Ni含量将会达到50%左右，形成FeNi相即γ′′相.而马氏体内部的Ni扩散特别慢，以至于马氏体内部的Ni达到过饱和状态，如果过饱和状态发生，γ相会在马氏体内部析出，这就是图6(b)镍纹石区域内有多种不同取向关系的原因.所以此梳状合纹石的形成机理应是包括了马氏体相变和分解的过程，完整的相变是γ→α2+γ→α+γ.

图6 由EBSD和AES测得的梳状合纹石中BCC和FCC的取向分布、相分布和Ni含量分布.图(a)是SEM图像;图(b)、(c)、(d)分别对应图(a)中由EBSD测得的晶粒取向分布、相分布和AES测得的Ni含量分布.Fig.6 Grain orientation，phase and compositional mapping of Ni concentration of BCC and FCC in the comb plessite，measured by EBSD and AES resp ectively.Panel(a)is the SEM image;panels(b)，(c)and(d)are the corresp onding orientation and phase mapping measured by EBSD and Ni content distribution measured by AES.

图7 Fe-Ni二元相图[13].α、γ和γ′′分别是BCC相、FCC相和有序的FeNi-四方镍纹石相，TγC代表γ相的居里温度.Fig.7 An Fe-Ni binary phase diagram[13].α，γandγ′′are BCC，FCC and ordered FeNi-tetrataenite phase，resp ectively，TγC is the Curie temperature ofγphase.

3.4 CZ的形成机理

由CZ实测的Ni含量和富Ni颗粒尺寸可计算出铁陨石在更低温度下的冷却速率，如图8.图8(a)、(b)所示的CZ是由纳米尺度的富Ni的镍纹石颗粒和富Fe基体组成，它记录着铁陨石在冷却过程中的热历史和磁性历史[24-25].在温度低于450°C时，铁、镍纹石边界处的富Ni区域发生失稳分解而形成CZ[26-28].富Ni的镍纹石颗粒以及基体的成分跟随着图7中虚线部分失稳分解反应的相界.对铁陨石中CZ仔细观察，其形貌和成分变化见图8(a)和(b)，每间隔600 nm对CZ的镍纹石颗粒进行统计.当Ni的质量百分数XNi从41%降低35%，镍纹石颗粒直径由125 nm降低到30 nm.根据Maurel等人2019年建立的CZ颗粒直径(包括其局部Ni含量)与低于350°C时冷却速率的关系(图8(c))[29]，将所测的该铁陨石CZ镍纹石颗粒直径及该区域Ni含量也绘于图8(c)，可以得出该铁陨石在350°C以下冷却速率在7°C/Myr左右.

图8 由实测的云状区Ni含量和富Ni颗粒尺寸计算出铁陨石在350°-200°C间的冷却速率.图(a)、(b)为粗大镍纹石带内的组织形貌及Ni含量随距相界距离的变化;图(c)为计算得到的云状区富Ni颗粒不同Ni含量下的尺寸与冷却速率的关系[29]与实测的尺寸和Ni含量(数据点)的对比，其中Tt代表正方镍纹石.Fig.8 The cooling rate of studied meteorite between 350°C and 200°C is estimated from both Ni contents and size of Ni-rich particles in the cloudy zone.Panels(a)and(b)are the microstructural morphology inside the coarse taenite lamella and the Ni content varying with the distance to the phaseinterface，resp ectively;in panel(c)the calculated relationship of Ni-rich particle size in CZ and the cooling rate[29]in case of different Ni contents，is compared with the measured size and Ni content(data points)，in which Tt represents tetrataenite.

3.5 铁陨石的冷却过程与相变

图9 总结了所研究的乌希里克铁陨石从695°C-200°C的冷却过程所发生的相变与形成的对应组织结构.该铁陨

图9 乌希里克铁陨石从695°C冷却至200°C时所发生的相变和相对应的组织结构演变示意图Fig.9 Schematic diagram of phase transformations and the corresp onding microstructure evolution in Wuxilike iron meteorite when it is cooled from 695°C to 200°C

石在695°C开始发生由全FCC结构(γ)的镍纹石相向BCC结构(α)铁纹石的相变，铁纹石开始形核长大，随着铁纹石不断长大，镍纹石带不断变薄.当温度下降到MS点(约520°C)时，由粗大铁纹石片层交割而形成Ni浓度不等的残余的奥氏体(γ)转化成马氏体(α2)，然后马氏体在冷却时进一步相变为合纹石(铁纹石和镍纹石混合共生)，发生的化学反应为γ→α2+γ→α+γ.合纹石的种类和结构特征很大程度上取决于所形成合纹石的母相中镍纹石的Ni含量，可形成不同形貌的梳状合纹石和球化合纹石.在温度达到400°C左右时，铁纹石基本停止生长，而铁纹石中排出的Ni在镍纹石边界区域富集达到50%，浓度过高以致发生失稳分解反应，在相界附近1μm范围内形成富Ni的γ′′相[13];温度低于350°C时，在距离相界更远的镍纹石带里，Ni浓度相对较低，失稳分解为颗粒状富Ni的镍纹石与富Fe的铁纹石基体反应，导致CZ形成.随着温度降低，分解形成的颗粒直径不断减小.温度到达200°C时，由于Ni的扩散特别慢，CZ中镍纹石颗粒停止长大.而这些镍纹石带中心区域(Ni含量在25%以下)冷却至MS点以下时发生马氏体相变，然后马氏体随着温降进一步分解成颗粒状的镍纹石(尺寸在1-5μm)和铁纹石.

4 结论

根据对乌希里克铁陨石各类组织结构中镍纹石、铁纹石尺寸、成分和取向等实验检测结果，并结合冷却过程的镍纹石铁纹石相变动力学模型，推测该铁陨石冷却过程中各类组织结构形成过程如下:

该铁陨石母体在冷却至695°C左右时开始形成粗大的铁纹石片层，以平均速率49°C/Myr降低到400°C并不断长大至厚度约300μm左右;除此之外，由于所形成的粗大铁纹石片层交割形成尺寸和Ni浓度不等的残余镍纹石区域，其中Ni浓度较低时(10.5%-11.8%)转变为含有镍纹石厚度在2-20μm的梳状合纹石;Ni浓度较高时(14.8%-16.1%)转变为含有尺寸在2-10μm岛状镍纹石的球化合纹石;合纹石中Ni含量在25%以下区域(如在尺寸大于10μm的镍纹石中心区域)冷却至MS点以下时发生马氏体相变，然后马氏体随着温降进一步分解成颗粒状的镍纹石(尺寸在1-5μm)和铁纹石，即γ→α2+γ→α+γ.

随后铁陨石以7°C/Myr进一步降温到200°C，此时在形成的镍纹石片层中边缘处Ni含量超过50%的区域转变为γ′′，而内部Ni含量较低区域则转变为颗粒状γ′′和铁纹石，即通过γ→γ′′+α相变形成云状区，其中γ′′颗粒的尺寸随着距相界的距离增大，由125 nm逐渐降低到30 nm左右.

上述将铁陨石各类组织结构成分、尺寸和取向分析结果与所建立的相变动力学模型相结合，可用于各种类型铁陨石的冷却历史分析，进而推知铁陨石的准确冷却历史和形成各类形貌不同的结构所对应的相变机制和冷却速率.