Астроблемы - звездные раны Земли

Астроблемы - звездные раны Земли (ФЕЛЬДМАН В.И. , 1999), НАУКИ О  ЗЕМЛЕ

Описаны механизм формирования, геология и петрология импактных (ударных) структур - астроблем. Рассмотрена классификация  весьма необычных горных пород - импактитов. Обсуждены особенности их минералогии  и геохимии.

АСТРОБЛЕМЫ - ЗВЕЗДНЫЕ РАНЫ ЗЕМЛИ

В. И. ФЕЛЬДМАН

Московский государственный  университет

им. М.В. Ломоносова

ВВЕДЕНИЕ

На протяжении всей истории  человечества людей интересовали падающие с неба камни. Когда-то они считались  вестниками богов и хранились  в храмах как святыни. Уже в 77 году н.э. знаменитый римский естествоиспытатель Плиний Старший писал в своей 37-томной "Естественной истории": "_но, что камни часто на землю  падают, в этом никто сомневаться  не будет". Однако за историческое время  наблюдались падения на Землю  лишь сравнительно небольших обломков космических тел до первых метров поперечником и весом до 1,0-1,5 т. При  этом образовывались небольшие (диаметром  в первые десятки метров) воронки  и лунки, как, например, при выпадении  Сихотэ-Алиньского железного дождя 12 февраля 1947 года в Приморье [1]. Более  крупные воронки (размером в сотни  метров) очень долго изучали геологи, прежде чем становилось ясно, что  и они также представляют собой  результат столкновения с поверхностью нашей планеты космических тел. Так, кратеры Каали на острове  Сааремаа в Эстонии интриговали  исследователей с 1827 до 1927 года (100 лет!), пока, наконец, эстонский геолог И.А. Рейнвальд не доказал их метеоритную  природу. И лишь в 40-50-х годах нашего века, когда геологи начали широко применять аэрофотосъемку, выяснилось, что на поверхности земного шара имеется много округлых геологических  структур необычного строения. Комплексное  их изучение показало - это следы  ударов космических тел. В 1960 году американский геолог Р. Дитц предложил называть их астроблемами, что в переводе с  греческого означает "звездная рана". Точность и образность этого термина  обеспечили ему мгновенное и повсеместное признание.

В 1998 году число достоверно установленных астроблем превысило 200 (в том числе 20 из них в России), и ежегодно выявляется 2-5 новых. Размеры  метеоритных кратеров различны - от 10-30 м до 340 км. Так же сильно колеблется и время их образования - от 2,5 млрд лет назад до наших дней. При  этом небольшие (измеряемые десятками  и сотнями метров) кратеры (их около 15%) относятся к молодым образованиям с возрастом не более 1 млн лет. Причина этого - быстрая эрозия поверхности  планеты, приводящая к уничтожению  мелких структур. Наоборот, крупные  астроблемы диаметром в десятки  и сотни километров имеют возрасты, измеряемые десятками и сотнями  миллионов лет (табл. 1). Распределение  астроблем по поверхности Земли  носит случайный характер. Больше всего их в восточной части  Северной Америки и Европе (рис. 1), то есть в геологически наиболее изученных  районах земного шара. Повышение  интенсивности геологических работ  быстро увеличивает количество достоверно установленных астроблем.

Сравнение поверхности Земли  с космическими снимками Луны (рис. 2) или Меркурия без труда позволяет  увидеть, что на них кольцевых  импактных структур гораздо больше. Считается, что причиной этого является раннее (3,8-3,9 млрд лет назад) прекращение  активного развития этих планет, отсутствие у них атмосферы и гидросферы, связанных с ними экзогенных геологических  процессов, приводящих к эродированию и / или захоронению ударных структур. Предполагается, что Земля на заре своего существования (4,5-3,9 млрд лет  назад) была похожа на Луну или Меркурий. Поэтому изучение астроблем и  сопоставление результатов этих исследований с планетологическими данными позволяют лучше понять историю нашей планеты.

УДАРНЫЙ МЕТАМОРФИЗМ

Форма и размеры астроблем, характер преобразования в них пород  земной коры являются результатом ударного метаморфизма - процесса своеобразного, совершенно не похожего на другие геологические  процессы, происходящие на Земле (и  на других планетах Солнечной системы). Метаморфизм развивается при  соударениях космических тел  друг с другом. При этом в момент удара давление на горные породы достигает  нескольких гигапаскалей, а температура  измеряется десятками тысяч градусов. Такие параметры являются следствием реализации при ударе очень высоких  энергий за крайне малое время.

Энергия соударения космического тела с поверхностью планеты зависит  от его массы и скорости. Скорость сближения двух тел (для Земли  и астероида) лежит в пределах от 11,2 до 72,8 км " с-1. Минимальная величина определяется второй космической скоростью, а максимальная - векторной суммой второй космической скорости, скорости вращения Земли вокруг Солнца и скорости метеорного тела вдали от Земли. Мощная и плотная атмосфера тормозит космическое тело тем сильнее, чем  больше его диаметр, так как оно  перемещает впереди себя газ, сжимая его и постепенно затормаживаясь. Если уплотненная масса газа (М ) достаточно велика (при М газа > 10М метеорита скорость движения падает на 90% и более), то скорость соударения приближается к нулю. В Намибии (Южная  Африка) на поверхности земли лежит  железный метеорит Хоба, вес которого около 60 т. Ни кратера, ни даже лунки  при его падении не образовалось - метеорит приземлился как бы на воздушной подушке, скорость соударения была практически нулевой.

При скоростях соударения до 3-5 км " с-1 образуются ударные кратеры (лунки, воронки, по размеру соответствующие  метеориту-ударнику). Породы мишени дробятся и выбрасываются из воронки, распределяясь  равномерно вокруг нее при вертикальном падении или вперед по направлению  падения при ударе под углом. При больших скоростях соударения происходит взрыв.

Причинами взрыва являются резкое торможение космического тела при столкновении и переход кинетической энергии движущегося тела частично в механическую, частично в тепловую. Суммарная энергия, реализуемая  в процессе соударения, может превышать 1019-1023 Дж. Если сравнить эту величину с энергией катастрофических вулканических  извержений (1,44 " 1020 Дж при извержении вулкана Тамбора в 1815 году или 1,81 " 1019 Дж для вулкана Кракатау в 1883 году), то она примерно того же порядка. Однако результаты вулканического взрыва и импактного события совершенно несопоставимы. Это связано с  тем, что в вулканическом процессе энергия расходуется не одномоментно, а в серии следующих друг за другом пароксизмов на протяжении 103-105 с. В импактном процессе реализация кинетической энергии космического тела занимает промежуток времени от нескольких миллиардных долей секунды  до первых секунд (тем дольше, чем  больше суммарная энергия). Такая  высокая плотность энергии определяет колоссальные градиенты параметров (давления и температуры) и как следствие - очень большие скорости протекания механических и тепловых процессов. Например, скорость механического деформирования пород в эндогенных геологических процессах составляет 10-16-10-13 с-1, а при импактных соударениях 103-104 с-1, то есть на 17-20 порядков больше.

Резкое торможение космического тела при столкновении его с поверхностью планеты приводит к возникновению  ударной волны сжатия, которая  движется от точки столкновения вперед (в породах мишени - земной коры) и  назад (в веществе ударника - космического тела). Сила сжатия при этом может  составлять 100-300 ГПа, а время достижения максимальной величины сжатия измеряется первыми миллиардными долями секунды (n " 10- 9 с). Сжатие естественно вызывает нагрев вещества до нескольких десятков тысяч градусов за столь же краткие  промежутки времени. Чем больше общая  энергия соударения, тем дольше вещество останется в сжатом состоянии (от нескольких наносекунд до первых секунд).

Ударное сжатие сменяется  разрежением (разгрузкой), которое сопровождается механическим преобразованием породы, ее дроблением и адиабатическим охлаждением  вещества. Эти процессы, как видно  на рис. 3, происходят медленнее, чем  рост давления и температуры. И самое  главное, если давление в горных породах  при разгрузке возвращается к  исходному, то температура нет. Это  связано с тем, что нагрев вещества при сжатии требует много больше энергии, чем сжатие (до 70% и более  от общего ее энергии), а температура  падает медленнее, чем давление. Поэтому  послеударная температура вещества в точке удара оказывается  очень высокой, достигая 10 000-15 000?С.

Ударная волна от точки  соударения движется во все стороны, и в первые моменты ее фронт  имеет сферическую форму. Однако очень быстро эта форма искажается из-за неоднородности свойств пород  мишени, а амплитуда ударной волны  падает до 0,001 ГПа и менее на краю кратера. Механическое и тепловое воздействие  на породы мишени также быстро падает. Поэтому в образующемся метеоритном  кратере в центре (у точки удара) возникает зона испарения вещества (где породы нагреваются до многих тысяч градусов), затем располагается  зона плавления вещества (при нагреве 1500?С и выше) и, наконец, зона дробления  пород (в которой нагрев не превышает  десятков - первых сотен градусов). Продукты дробления, плавления и испарения  горных пород мишени (и, конечно, ударника) вовлекаются ударной волной в  центробежное движение - вверх, в атмосферу  планеты и в стороны, за пределы  кратера. Расширение пара опережает  движение расплава и твердых обломков и благодаря очень высокой  скорости создает эффект взрыва. Следовательно, импактный процесс, начинаясь как  удар, заканчивается как взрыв.

Описанная последовательность элементарных процессов характерна для любой точки в кратере, но в целом все эти процессы идут одновременно по всему кратеру - сразу, мгновенно (в человеческом масштабе времени) благодаря очень высокой  скорости движения ударной волны, измеряемой километрами в секунду, от точки  удара. После затухания ударной  волны формирование астроблемы продолжается: падают выброшенные в атмосферу  обломки, оседают борта воронки, деформируется ее дно, перемешиваются в движении обломки и расплав, кристаллизуется расплав, остывают породы кратера - импактиты. Это стадия переработки (модификации) метеоритного кратера. Она происходит уже намного  медленнее. Если образование воронки  занимает секунды (в самых крупных  кратерах десятки секунд), то стадия модификации - это уже геологический  процесс (по скорости протекания) и  он растягивается на тысячи, десятки  тысяч, сотни тысяч и миллионы лет.

ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ

ИМПАКТНЫХ КРАТЕРОВ

Особенности геологического строения астроблем зависят от многих причин, среди которых главными являются две: энергия соударения и угол встречи  ударника с мишенью. Энергия соударения определяет общие размеры метеоритного кратера и сложность его внутреннего  строения. От угла встречи зависит  форма астроблемы в плане.

Большая часть метеоритных  кратеров имеет в плане округлую форму (рис. 4), что свидетельствует  о крутом (близком к вертикальному) движении ударника. Пологое падение  приводит к появлению кратера, вытянутого по направлению падения ударника. При этом, чем меньше угол встречи  при соударении, тем сильнее вытянут  кратер. Рекордсменом в этом смысле являются кратеры Рио-Кварто в Аргентине, образовавшиеся примерно 10 000 лет назад. Самый крупный из них имеет  длину 4,5 км и ширину 1,1 км при глубине  всего 7-8 м. Расчеты и экспериментальные  исследования показывают, что в этом случае угол встречи был менее 9?.

Округлая воронка кратера  окружена валом (рис. 5), который образован  задранными пластами горных пород мишени (это цокольный вал), перекрытыми  выброшенными при взрыве обломками  пород (которые слагают насыпной вал). Часть обломков переносится  взрывной волной еще дальше и дает шлейф закратерных выбросов, который  постепенно (по мере удаления от центра кратера) становится все тоньше.

Небольшие (диаметром до 3-4 км, изредка больше) астроблемы имеют  простую чашеобразную форму. Глубина  у них обычно составляет около 1/3 диаметра, а отношение глубины  воронки к диаметру - примерно 0,30-0,33. Это отношение является одним  из признаков, позволяющих отличать импактные кратеры от вулканических (у которых оно обычно не менее 0,42). При больших диаметрах воронки  в центре кратера возникает центральное  поднятие (центральная горка), которое  образуется благодаря упругой отдаче пород мишени в области максимального  их сжатия (под точкой удара). При  диаметрах воронки более 14-15 км появляются кольцевые поднятия. Иногда в кратере  наблюдаются и центральное, и  кольцевое поднятия одновременно. Отношение  глубины к диаметру с увеличением  поперечника быстро падает до 0,05-0,02, и полость астроблемы становится уплощенной. Под кратером располагается  зона трещиноватости, которая постепенно затухает с глубиной.

Внутри кратера располагаются  продукты взрыва (импактиты). Это обломки  пород мишени, стекла, пемзы и  другие производные импактного расплава, смесь дробленого и расплавного  материала. А сверху обычно все перекрывают  осадочные породы (отложения озера, заполнившего кратер после взрыва).

ИМПАКТИТЫ - ГОРНЫЕ ПОРОДЫ АСТРОБЛЕМ

Импактиты (от англ. impakt - удар) или, как их еще называют, породы ударного метаморфизма выделяются как  самостоятельный тип горных пород  наравне с осадочными, магматическими и метаморфическими. Это признание  необычных условий их формирования. Дробление, плавление и испарение  пород земной коры под действием  ударной волны охватывают разные объемы материала в зависимости  от состава и свойств пород  мишени, особенностей их залегания, степени  обводненности и других причин. При  образовании астроблемы диаметром 10 км в граните отношение дробленого, расплавленного и испаренного вещества соответствует примерно 100 : 10 : 1. Если учесть возможность (и неизбежность) перемешивания этого материала, то станет понятным чрезвычайное разнообразие состава и облика пород ударного метаморфизма.

По международной классификации  импактитов (1994 год) они делятся на три группы (по составу, строению и  степени ударного метаморфизма):

1) импактированные породы - горные породы мишени, слабо  преобразованные ударной волной  и сохранившие благодаря этому  свои характерные признаки;

2) расплавные породы - продукты  застывания импактного расплава;

3) импактные брекчии - обломочные породы, сформированные  без участия импактного расплава  или с очень небольшим его  количеством.

При застывании импактного расплава могут образовываться массивные  породы, полностью сложенные стеклом, - импактные расплавные стекла. Они  внешне похожи на вулканические стекла, но имеют специфические отличия  от них, выявляющиеся при использовании  современных лабораторных методов  исследования (инфракрасной спектрометрии, ядерного и электронного парамагнитного резонанса и др.). Нередко можно  встретить пористые разности стекол - импактные пемзы и шлаки. Неполнокристаллические расплавные импактиты, содержащие кроме  стекла также выросшие из расплава кристаллы, - тагамиты макроскопически  похожи на излившиеся (эффузивные) вулканические  породы и обычно содержат большую  или меньшую примесь обломков импактированных пород мишени. Главная  же масса дробленых пород, в разной степени преобразованных ударной  волной, слагает импактные брекчии, которые очень разнообразны по размерам обломков - от тысячных долей миллиметра до сотен метров. Часть брекчий  содержит импактное стекло (от 10 до 100%), такие брекчии называются зювитами и внешне напоминают вулканические  туфы.