球粒陨石是太阳系形成过程的“化石”。通过分析、研究球粒陨石的化学组成，可以探索太阳系的形成史。 太阳系形成的遗迹 根据太阳星云假说，太阳系由一个分子星云通过引力塌缩在其中央区域形成了主星太阳，质量占99.86%；其余部分形成星云盘，并进一步吸积形成各大行星和它们的卫星。
地球及其卫星——月球，以及火星等类地行星形成之后，由于巨大的重力势能以及放射性同位素衰变能等，它们的内部温度逐渐升高而熔融，发生金属与硅酸盐的分离。金属的密度较大，沉入中心形成金属核。硅酸盐成分进一步熔融，分别形成富硅质的壳层和富镁、铁质的幔。很显然，构成太阳星云的初始物质，以及构建地球、月球，及其它行星的原始材料在这些天体上已找不到任何踪迹。
幸运的是，在火星与木星之间的小行星带，散布着数十万颗小天体，它们由于某种尚不清楚的原因，没有聚集成类似地球的行星。这些天体的质量小，除少数最大的矮行星和小行星（如灶神星、谷神星、智神星）之外，它们从未受到明显的加热，更没有发生熔融，因此，太阳星云的许多重要信息在这些小天体中得以保存。这些小天体由于相互碰撞而破碎，其中一些碎片掉到地球上，成为珍贵的天外来客——球粒陨石。
所以，球粒陨石是太阳系形成过程中残留下来的碎块，是太阳星云盘堆积形成的“沉积岩”，是构成地球和其它行星的基本建材。
顾名思义，球粒陨石是一类含有“球粒”的陨石。所谓的“球粒”是毫米粒级大小、圆球状、由硅酸盐矿物（橄榄石、辉石、长石等）组成的集合体。根据全岩化学组成和矿物化学组成，球粒陨石又划分为碳质球粒陨石、普通球粒陨石、顽火辉石球粒陨石等几大类。这些球粒陨石在太阳星云盘中形成的位置不同，虽然我们现在还不清楚它们的确切形成位置，但一般认为普通球粒陨石代表了类似地球的初始物质，顽火辉石球粒陨石的形成区域可能更靠近太阳，而碳质球粒陨石形成于较远离太阳的地方。
太阳系的化学组成
太阳系从星云演化而来，由太阳、行星及其卫星、小行星和彗星以及行星际尘埃等构成。那么，太阳系的平均化学组成是什么？或者说太阳星云的化学组成是什么？
由于太阳质量占整个太阳系的绝大部分，可以近似认为太阳系的化学组成与太阳的化学组成、太阳光球的化学组成三者相等价。对比太阳光球与CI群碳质球粒陨石（陨石可粗分为石陨石、石铁陨石、铁陨石等三大类，每大类又可根据其化学组成进一步分为不同的群。——编者注）的化学组成，发现除氢、氦等气体元素之外，二者非常一致。因此，我们通常把CI群碳质球粒陨石作为太阳系的化学组成。
通过对CI群球粒陨石的元素丰度和同位素比值的精确测定，发现有以下规律：（1）同位素丰度随原子量增大而降低，其中原子量小于100的各种元素呈指数形式降低；（2）锂、铍、硼的丰度异常偏低；（3）铁56具有峰值丰度；（4）过程形成的4倍同位素（如碳12、氧16、镁24、硅28、硫32、钙40、钛44等）丰度明显高于相邻核素。
太阳并非宇宙中的最初一代恒星。宇宙中，除了氢、氦之外，其它重核元素基本上都要通过第一代恒星的超新星爆发而形成。太阳系的元素和同位素组成实际上记录了前一世代恒星演化中各种核素的核合成状况。
前太阳物质
太阳星云的初始状态是什么？是气体或是尘埃？或是二者的混合物？
早期曾认为，太阳星云盘经历了从高温气体逐渐冷却凝聚形成尘埃的过程，后者进一步碰撞和融合，形成毫米至厘米尺度的集合体。按照这一假说，太阳星云具有相当均一的元素和同位素组成。但是，后来又发现了很少受到后期热变质的最原始的球粒陨石中前太阳颗粒（又称太阳系外颗粒），表明太阳星云从来没有被完全汽化，保存了一些原始的尘埃状物质。陨石中太阳系外物质的存在，说明太阳星云在相当的区域由冷尘埃和气体组成。
为了寻找太阳系外物质，早期采取的方法是用氢氟酸、硝酸、盐酸等溶去球粒陨石的硅酸盐和其它矿物，通过测定稀有气体同位素组成的变化，来寻找太阳系外物质存在的蛛丝马迹。经过近20年的努力，1987年终于在Murchison碳质球粒陨石中首次分离出太阳系外成因的金刚石。这些金刚石的粒度（组成颗粒的大小）仅有3纳米左右，它们在碱性溶液中呈完全溶解的清亮溶液，只有在酸性介质中，才会以白色胶体形式析出。这些纳米金刚石的氙同位素组成具有二端富集的特征，即原子量较小的氙124、氙126和原子量较大的氙134、136相对氙130富集，又称为氙—HL，被认为是来自超新星的证据。
随后，其它太阳系外颗粒接二连三地在陨石酸不溶残渣中被发现，包括石墨、碳化硅、氮化硅、刚玉、尖晶石等。这些太阳系外物质的粒度仅为次微米至微米大小，它们来源于其它恒星的证据是极大的同位素组成异常。这些同位素异常不可能由一般的物理化学过程产生，而只能源于不同恒星的核合成。
早期发现的太阳系外颗粒都是在酸不溶残渣中找到。很显然，如果存在太阳系外成因的硅酸盐和其它酸可溶矿物，它们在化学处理流程中就被溶解和破坏了。21世纪开始，一种全新的同位素原位分析仪器——纳米离子探针的出现，为寻找硅酸盐和其它可酸溶的太阳系外颗粒提供了关键的技术手段。这种仪器可以实现小至50纳米空间分辨率的同位素分析，利用该仪器对原始球粒陨石进行各种同位素面扫描，结果发现了太阳系外成因的橄榄石、辉石，以及硅酸盐玻璃等。
对太阳系外颗粒进行同位素分析，可以区分出不同类型的恒星来源，例如大部分碳化硅来自不同质量的AGB星（渐近线红巨星），少量来自Ⅱ型超新星和新星。陨石中太阳系外物质的含量以金刚石最高（约百万分之一千），其次为碳化硅（百万分之几十）和硅酸盐（约百万分之两百）。由于太阳系外物质的识别是以同位素异常为依据的，因此，太阳星云中与太阳平均同位素组成相近的尘粒实际上无法识别，太阳星云中的原始尘埃所占比例应高于太阳系外颗粒的总含量。
另外，由于不同化学群的球粒陨石代表了太阳星云不同区域的样品，对这些陨石中太阳系外物质的分析可以获得太阳系外物质在太阳星云中的空间分布。初步的分析显示，太阳系外物质在太阳星云中的分布可能不均匀，但需要更多实验数据证明。 太阳星云最早形成的集合体
1969年2月8日，在墨西哥降落了一场有史以来最大的碳质球粒陨石雨（Allende陨石，阿连德陨石），在一个约8×50平方千米的散落区，降落后不久即收集到超过数百块、总重量达2吨的样品。在此之后，甚至直到今天，仍有人在该区域发现陨石碎块，因此有人估计其总重量可能达到5吨。阿连德陨石也是迄今被研究得最为广泛和深入的陨石。
这种陨石属于CV3型碳质球粒陨石，它之所以如此著名，是因为富含一种在手标本上呈白色的、富钙、铝质的难熔包裹体，特别是其中一些富钙、铝包裹体很大，直径达数毫米甚至厘米大小。这些富钙、铝包裹体由一些高温难熔矿物组成，包括刚玉、钙钛矿、黄长石、尖晶石、富铝钛透辉石等，其化学组成也富集钙、铝、稀土元素、铀、钍等高温难熔元素。很显然，这些包裹体形成于极高的温度中，是太阳系最早形成的集合体，保存了太阳星云演化的各种信息。
假设一个具有CI群球粒陨石化学组成的星云，其初始温度非常高（如1750K），物质全部以气体形式存在，气体的压力为10—3标准大气压。随着星云的温度逐渐降低，开始有固相从气相中析出。根据热力学定律，可以计算出从气相星云中析出的固相及其温度，依次为刚玉（1730K）、钙钛矿（1660K）、黄长石（1570K）、尖晶石（1470K）、富铝钛透辉石（1420K）等。这些矿物正好就是构成富钙、铝包裹体的主要组分，并且它们之间的相互关系与计算的形成顺序一致。这也是富钙、铝包裹体代表了太阳星云最早凝聚产物的证据之一。按照星云的凝聚模型，太阳星云曾经达到一个高温汽化的状态，但是，这与原始球粒陨石中存在各种太阳系外颗粒是矛盾的。一种可能是，富钙、铝包裹体形成于太阳星云的某一高温区域（如太阳附近），然后被搬运到远离太阳的其它区域，在那里与其它物质一起吸积形成行星胚胎。
富钙、铝包裹体的特殊性还表现在其异常的氧同位素组成。自然界中氧有三种同位素，分别为氧16、氧17、氧18，通常用氧17/氧16、氧18/氧16这两个比值来表示其组成。由于氧18与氧16的质量差是氧17与氧16质量差的2倍，因此，地球上不同物质的氧18/氧16的比值变化总是其氧17/氧16比值变化的2倍。但是，富钙、铝包裹体中包含的氧18/氧16与氧17/氧16的比值变化呈1：1的关系，并且相对地球物质，其氧16多5%。
长期以来，一直认为富钙、铝包裹体的氧同位素是异常的，虽然不清楚其成因。直到最近，在对月壤中捕获的太阳风粒子，以及“起源”号探测器收集的太阳风样品的氧同位素测量中才发现，富钙、铝包裹体的氧同位素组成与太阳相同，是地球样品包括人体的氧同位素组成异常。现在认为，光化学反应引起了星云盘的氧同位素分馏。
太阳星云中的高温加热事件
球粒是球粒陨石中最主要、最具特征的集合体，其球状形态和火成结构指示了高温熔融（1550℃～1900℃）和快速冷却的形成历史。根据高温熔融实验、元素和同位素扩散等，确定球粒的冷却速度为5℃/小时～5000℃/小时。但是，究竟是何种过程造成球粒的熔融和随后的快速冷却呢？较为流行的假说是星云中的闪电、冲激波加热，以及行星胚胎之间的高速撞击熔融等。
这些假说基本上还仅停留在模型阶段，尚缺少强有力的实验证据。不管怎样，球粒的大量存在指示了太阳星云阶段曾有过普遍的高温加热和快速淬火的事件。
时间的测定
宇宙大爆炸至今已有137亿年，太阳系的年龄有多大？从星云凝聚至行星形成这段时间有多长？
如前所述，球粒陨石中的富钙、铝包裹体是太阳星云最早凝聚形成的集合体，因此，可以将富钙、铝包裹体作为太阳系形成的时间起点。它的高温成因，决定了其富集难熔的放射性元素铀和钍，而缺乏挥发性元素铅。现在检测出的铅基本上都是由铀和钍衰变产生的，因此，可利用铀235、铀238衰变产生的铅207、铅206测定其年龄。最新的精确测量结果是，富钙、铝包裹体的形成年龄为45.67亿年。另外，根据对球粒的铀铅年龄测量结果，其形成时间较富钙、铝包裹体约晚2百万年左右。
要测量太阳星云演化过程中的不同事件之间年龄差距，还可利用短寿命的放射性同位素，例如铝26（半衰期73万年，产物为镁26）、锰53（半衰期350万年，产物为铬53）、铁60（半衰期262万年，产物为镍60）等。这些放射性同位素的半衰期远远小于地球的年龄，因此，如果它们曾经存在，现在也已完全衰变，故又称为灭绝核素。灭绝核素的半衰期很短，因此可以测量46亿年前相距仅数万年的相对年龄。利用铝26镁26衰变体系，对富钙、铝包裹体和球粒的形成年龄测量发现，球粒的形成要晚2百万年。
灭绝核素除了作为一种新的、高精度的计时器外，其放射性衰变能为行星和小天体早期的热演化提供最重要的能源。同时，灭绝核素的成因可以帮助在研究中限定太阳系的形成条件。虽然，一些灭绝核素可以通过银河宇宙线或早期强烈的太阳风与星云物质的相互作用产生。但更多的证据表明，灭绝核素主要形成于太阳星云邻近的超新星，通过其爆发进入太阳星云。该超新星的爆发实际上直接触发了太阳星云的塌缩。
球粒陨石，作为太阳系形成过程残留下来的“化石”，有关它们还有大量未解之谜等待着人类去探索。