Вопрос 49. Строение астроблем и представления об их происхождении.

Ударный метаморфизм.

Это комплекс процессов дробления ,плавления, испарения ,перемещения и отложения дроого материала .застеклования и кристалического расплава, конденсации пара, и автотермального изменения импактитов.

Что же происходит с веществом, когда приходит ударная волна? Воздействие ударной волны описывается адиабатой — очень крутым графиком изменения удельного объёма по мере нарастания ударной нагрузки. А вот после этого происходит разгрузка. Она описывается изоэнтропами —это настолько быстрый процесс, что вещество не успевает обмениваться энергией с окружающим пространством. В результате в зависимости от того, успело вещество расплавиться или нет, с веществом происходят разные штуки.

• Если вещество не успело расплавиться, оно просто дробится, не пересекая линию солидуса.

• Вещество может расплавиться селективно (не частично, как в случае эвтектического плавления). Так, плагиоклаз в базальтах может расплавиться, а пироксены плавятся.

• Поле полного плавления. Поле сосуществования жидкой и газообразной формы пород.

• Поле возгонки.

Если температура растёт синхронно с давлением, то падает она значительно медленней, и это важно. Ударный метаморфизм очень сильно отличается от метаморфизма обычного. Давления и температуры совершенно иные.

Что же происходит с веществом? Возьмём простой случай: удар вертикально падающего метаморфизма. Внизу образуется полусферическая ударная волна. Она сжимает породу‐мишень, ослабевая. Однако при радиальных направлениях удара, пологих по отношению к поверхности, траектории сжатия меняются траекториями выброса. Так, часть материала выбрасывается за кратер, часть летит вверх, а затем падает в кратер.

Образование импактного кратера:

При соударении космического тела с Землей ударная волна распространяется, имея сферическую форму и сжимает гп. По мере увеличесния размеров кратера радиальные траектории движения вещества сменяются баллистическими и начинается выброс пород из кратера – и так образуется вложенный кратер (рисунок удар от него стрелочки вниз сферичеки а к поверхности изогнуто).

Простой метеоритный кратер: Имеет полусферичнескую чашеобразную форму и не большие размерыы от 10 до первых км.

Сложный кратер: имеет гораздо большие размеры, и расширяется верхнее полупространство. В центре кратера имеется горка – породы на кратера ,и еще имеется кольцевое поднятие. Если удар не перпендикулярен поверхности, то образуются вытянутые кратеры с ассиметричными выбросами. Всегда присутствует подкратерная зона трещинноватости.

Так образуются кратеры‐астроблемы. Они отличаются от вулканических кратеров, у которых отношение глубины к диаметру гораздо больше (благодаря чему их легко различить). При изменении размеров кратера изменяется и форма: глубина от десятых долей диаметра уменьшается до сотых, поскольку изменяется размер «мелкой тарелки». Внутри кратера появляется горка —те породы из центра кратера, которые были выброшены вверх, а затем упали вниз (то, что это породы из центра, видно по изменениям).Также появляются валы по краям «мелкой тарелки».

Километровые глыбы пород могут быть выдвинуты из кратера (кратер Попигай). В разрезе есть расплавленные породы среди обломочных импактитов. Они очерчивают траекторию перемещения расплава от центров к краям. Также есть разломы, образующие террасы отседания.Если мы изучим геофизические особенности, то можно отложить по одной оси диаметр кратеров, а по другой — глубину центра тяжести и получить картинку.

Таким образом, отношение глубины кратера к диаметру вполне себе уменьшается с диаметром кратера. Это подтверждает то, что кратеры образуются без эндогенной помощи. Так, по гравике можно определить глубину центра тяжести и определить происхождение кратера.

В настоящее время известно более 284 кратеров. Их больше всего на востоке Северной Америки, в Европе и в Австралии. В первых двух геологическая изученность больше, а в Австралийских полупустынях очень хорошо их видно из космоса.У всех крупных структур очень сильно различается возраст.

Преобладают астроблемы средних размеров —60—120 км. Кратеры менее 2 километров очень быстро срезаются эрозией.Важный параметр — частота встречаемости астроблем. Он обратно пропорционален диаметру кратеров, что совпадает с распределением размеров астероидов.

Критерии идентификации астроблем:

- геология и геофизика: совмещение отрицательных грави и магнитных аномалий, бескорневой характер структур, отс4тствие подводящего канала, ксенолиты пренадлежащие только породам мишени (нет глубинных пород).

- минералогия и петрография: конусы разрушения, наличие высокобарных фаз, расплав стекла крайне высоко температурный ,диплектовые изменения в минералах.

Учебник:

I. Взрывные метеоритные кратеры в случаях высокоскоростного падения на Землю железных метеоритов. Обычно крупные метеоритные тела взрываются в атмосфере и обломки их выпадают на Землю в виде так называемых метеоритных дождей. Железокаменные метеориты (хондриты) взрываются на больших высотах порядка 10 км. В отличие от них более плотные железные метеориты и палласиты проникают ближе к поверхности Земли и взрываются в атмосфере на относительно небольших высотах или при падении на Землю.

Если метеориты, падающие с большой скоростью, достигают поверхности Земли, то образуют взрывные кратеры.

Ударный метаморфизм отличается от метаморфизма, протекающего в земной коре, высокой динамичностью.

В момент соударения метеорита с Землей от эпицентра к краям образуются: 1) зона испарения исходного вещества мишени (давление здесь достигает 1—10 тыс. кбар, температура 104°С); 2) зона плавления (около 600 кбар, температура 103°С);

3) зона полиморфных переходов (100 кбар, температура 102°С);

4) зона брекчированных пород, постепенно переходящая в ненарушенные породы мишени.

Среди продуктов ударного метаморфизма выделяются три группы пород: 1) появившиеся при дроблении (катаклазиты и разнообразные брекчии), 2) образовавшиеся при плавлении (тагамиты), 3) формирующиеся при перемешивании продуктов дробления и плавления. В зависимости от того, подверглись ли импактиты перемещению после своего формирования, выделяются аутигенные (автохтонные) и аллогенные (аллохтонные), т.е. переотложенные в пределах кратера или вне него.

Тектиты представляют собой породы, образовавшиеся из охлажденного расплава, застывшего в виде стекла в процессе транспортировки фрагментов пород мишени и расплава после взрыва. Перенос может осуществляться на десятки и сотни километров, при этом в какой-то мере изменяется химический состав расплава.

Конусы разрушения чаще формируются в плотных массивных, реже — в мелкозернистых породах. Благодаря возникающим при соударении трещинкам появляются специфические текстуры пород. При ударе молотком в этом случае порода распадается на ряд конических фрагментов.

Диаплектовые преобразования по мере нарастания ударных нагрузок вначале проявляются в дроблении минералов, затем — в возникновении планарных деформаций и в конечном счете — в изотропизации кристаллов и превращении их в диаплектовое стекло. В результате процессов дробления минералов развиваются незакономерные трещины.

Планарные деформации приводят к появлению планарных трещин, напоминающих трещины спайности, однако развивающиеся также и по другим направлениям и отличающиеся большей плотностью на единицу поверхности. При увеличении нагрузки для кварца и полевых шпатов (около 300 кбар) планарные деформации выражаются в появлении планарных элементов — очень тонких (1—2 мкм) включений стекла в минералах. По мере нарастания ударной нагрузки изменяются оптические свойства минералов — уменьшается их показатель преломления и величина двулучепреломления, что в конечном итоге и приводит к полной изотропизации вещества и превращению минералов в диаплектовые стекла.

Важным признаком импактного происхождения горных по¬род является нахождение в них высокобарных минералов. К ним относятся высокобарные полиморфные модификации кремнезема (коэсит и стишовит) и углерода (алмаз и лонсдей-лит).

Взрывные метеоритные кратеры имеют простую чашеобразную форму, окружаются кольцевыми валами выброшенного материала и содержат обломки железных метеоритов, находимых также в их широком окружении. К наиболее крупным их представителям относится Аризонский кратер в США глубиной 180 м и диаметром 1220 м, образовавшийся в пермо-триасовых породах плато Колорадо в результате падения алмазоносного железного метеорита Каньон Диабло. Кубооктаэдрические кристаллы алмаза в этом метеорите псевдоморфно замешены чаоитом (плотной высокотемпературной модификацией графита), образовавшегося, по-видимому, в результате импактного метаморфизма метеорита. Псевдоморфозы графита и чаоита по кристаллам алмаза в железных метеоритах называются клифтонитом

Строение астроблем и представления об их происхождении.

Астроблема ("звездная рана") - углубление, появившееся на поверхности Земли в результате падения космического тела меньшего размера. Распределение астроблем по поверхности Земли носит случайный характер; больше всего их в восточной части Северной Америки и Европе, то есть в геологически наиболее изученных районах земного шара.

Форма и размеры астроблем, характер преобразования в них пород земной коры являются результатом ударного метаморфизма. 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. 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 достаточно велика, то скорость соударения приближается к нулю. В Намибии (Ю. 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 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. Высокая плотность энергии определяет колоссальные градиенты параметров (давления и температуры) и как следствие - очень большие скорости протекания механических и тепловых процессов.

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 (10-9 с). Сжатие вызывает нагрев вещества до нескольких десятков тысяч градусов за столь же краткие промежутки времени (рис.3).

Ударное сжатие сменяется разрежением (разгрузкой), которое сопровождается механическим преобразованием породы, ее дроблением и адиабатическим охлаждением вещества. Эти процессы происходят медленнее, чем рост давления и температуры. И если давление в горных породах при разгрузке возвращается к исходному, то температура нет. Послеударная температура вещества в точке удара оказывается очень высокой, достигая 10 000-15 000 гр. 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 на краю кратера до 0,001 ГПа и менее. 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 гр.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 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, благодаря очень высокой скорости движения ударной волны, измеряемой километрами в секунду. 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.

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, 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 гр.

Округлая воронка кратера окружена валом, 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. 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. Сверху обычно все перекрывают осадочные породы (отложения озера, заполнившего кратер после взрыва).

Кратеры постепенно разрушаются в результате эрозии и геологических процессов, изменяющих поверхность. На ледяных телах рельеф кратеров сглаживается в результате оплывания льда (в течение геологически значимых промежутков времени), поскольку лёд пластичнее горных пород.

Возраст известных земных ударных кратеров лежит в пределах от 1000 лет до почти 2 млрд лет. Кратеров старше 200 млн лет на Земле сохранилось крайне мало. Ещё менее «живучими» являются кратеры, расположенные на морском дне.