神秘的铁陨石：维斯台登结构和魏德曼花纹

神秘的铁陨石：维斯台登结构和魏德曼花纹

魏德曼花纹（Widmanstatten Patterns）是铁陨石中一种独特的镍-铁结晶体，由交织的锥纹石和镍纹石形成。这种花纹的形成需要数千万年的时间，在实验室中无法复制。通过观察魏德曼花纹，可以确定一块金属是否来自外太空。

魏德曼花纹也称为汤姆森结构（国内称为“维斯台登构造”），是在八面体陨铁和一些橄榄陨铁中发现的独特的镍-铁结晶体，它们包括一些交织的锥纹石和镍纹石形成的带状物。

发现

在1808年，这种图型以维也纳的帝国磁器厂厂长阿洛伊斯·魏德曼施泰登的名字命名。当他将铁陨石加热时，魏德曼注意到颜色和光泽的变化，在不同区域的铁合金会以不同的速率氧化。他并没有发布它的发现，只是在同事之间进行口头上的沟通。此一发现被维也纳矿物和动物学展示所的所长Carl · Schreibers认同。

然而，现在认为这项发现应该归于早他四年公布相同结果的G. 汤姆森。汤姆森于1804年在那不勒斯工作时，曾以硝酸处理克拉斯诺亚尔斯克陨石，尝试消除氧化造成的变化。陨石在与硝酸接触后不久，表面出现了奇怪的花纹，他如上文所述，作了详细的说明。但意大利南部的内战和政治上的不稳定，使汤姆森很难和他在英国的同事保持联系。替他传讯的人被谋杀，这使他遗失了重要的通讯。结果在1804年，他的发现只在法国的Bibliothèque Britannique上发表。在1806年初，法国的拿破仑入侵那不勒斯，汤姆森被迫逃到西西里 ，在当年的11月，他在巴勒莫过逝，享年46岁。 在1808年，汤姆森的工作再度在意大利被发表于Atti dell'Accademia Delle Scienze di Siena。横扫欧洲的拿破仑战争妨碍了汤姆森和科学界的接触，另一方面，他的早逝也使他的贡献被埋没了许多年。

名称

对这种图样最常被用到的名称是魏德曼花纹或魏德曼构造，但是在拼写上有一些变化：

• Widmanstetter：Frederick C. Leonard建议的。
• Widmannstetten：例如用在月球上的魏德曼月球坑。
• Widmanstatten：英语。
  此外，由于G. 汤姆森较早发现此种花纹，有些作者建议将这种花纹称为汤姆森构造，或是汤姆森-魏德曼构造。

形成的机制

金属显微镜抛光切面呈现的魏德曼花纹。

在600-900 °C条件下，陨铁会形成两种镍含量不同的稳定合金——锥纹石和镍纹石。锥纹石的镍含量低（只有5%至15%的镍），镍纹石的镍含量高（可以高达50%）。

八面体铁陨石的镍含量介于锥纹石和镍纹石之间，大约为5-19%。

在以大约每百万年降低1至10度、极度缓慢的降温条件下，锥纹石板会在镍纹石的晶格中沿着某一个晶轴平面的方向成长。

锥纹石在固体金属内扩散成长的温度介于700至450 °C。故每一颗八面体铁陨石中的魏德曼花纹形成时间大约需要两千万年至两亿年。

这也可以解释：为何在实验室中无法制造出魏德曼花纹这种结构。

在铁陨石被切割、抛光和酸蚀时，因为锥纹石和镍纹石的耐酸性不同，腐蚀速度不一样，因此会显示出这种可以看见晶体线的花纹。在右图中，广泛显示的白线是锥纹石（大小在mm级别），像缎带的细线是镍纹石，暗灰的杂斑区域是合纹石。

用途

在极端缓慢的冷却速度下（经历数千万年），镍铁晶体在固体内增长的长度也只有几厘米。这种花纹的存在是材料来自外太空的证明，可以很容易的确定一小块的碎片是否是陨石的一角。所以，这种花纹可以称为铁陨石的“身份证”。

标本

有许多不同的方法来显示出铁陨石上的魏德曼花纹。通常第一步是要先切片和抛光，然后清洗抛光的切面。然后配置酸洗液：一般是在无水酒精中加入10%左右的浓硝酸即可（也可以铁氯来处理，或使用稀盐酸直接浸泡也可以）。最后将切片放入酸洗液中浸泡一分钟左右，直到花纹明显即可。每颗陨石的镍含量不同，蚀刻所需要的时间也不同，通常是30秒至1分钟左右即可观察到花纹。陨石一但被酸蚀刻，通常需要用强碱（例如碳酸钠）来中和，并且清洗和干燥。最后涂防锈油进行保护。

尺寸

有着细致（带宽0.3mm）魏德曼花纹的吉丙陨石。

随着镍含量的增加， 镍纹石的带宽范围从粗糙到细致。现今，以花纹的带宽为依据，对铁陨石进行分类，称为构造分类法。八面体陨铁可以分为：

• Ogg：最粗糙的八面体陨铁，锥纹石的带宽大于3.3mm，镍含量在5%-9%。
• Og ：粗糙的八面体陨铁，锥纹石的带宽在1.3-3.3 mm，镍含量在6.5-8.5%。
• Om：中等的八面体陨铁，锥纹石的带宽在0.5-1.3 mm，镍含量在7-13%。
• Of ：细致的八面体陨铁，锥纹石的带宽在0.2-0.5 mm，镍含量在7.5-13%。
• Off：最细致的八面体陨铁，锥纹石的带宽小于<0.2 mm，镍含量在17-18%。

没有魏德曼花纹的铁陨石：

• 有诺伊曼线的称为六面体陨铁；
• 没有任何结构的称为无纹陨铁，即富镍陨铁。

形状和纹路

以不同的方向切割陨石平面，会影响到魏德曼花纹的形状和方向，因为在八面体上的锥纹石薄片是精确排列的。八面体陨铁的晶体结构是并联的八面体，相对的面是互相平行的。八面体有八个面，但锥纹石只有四个面。沿着不同平面切开的八面体陨铁（或者任何八面体对称的物质，是正立方对秤体的次分类），都会呈现下面之中的一种型态：

• 垂直三个轴(立方体)之一切下：两组彼此互相垂直的条纹。
• 平行于八面体之一的平面切下(与三个轴的晶体中心等距离)：三组条纹彼此成60°斜交的条纹。
• 其他的角度：四组以不同任意角度交叉的条纹。

瑞典M铁陨石的切面，具有精细 的魏德曼花纹。

纳米比亚Gibeon铁陨石

的纹石少见。

奥德赛铁陨石切面酸洗图，比较粗的魏德曼花纹。

M铁陨石饰品——戒面

世界著名的阿根廷铁陨石（Campo del Cielo）切面，非常粗的魏德曼花纹。其诺伊曼线也非常丰富。