Основы геологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Импактные геологические процессы обусловлены столкновениями нашей планеты с метеоритами, небольшими астероидами и кометами. Зачастую трудно однозначно установить тип небесного пришельца. Поэтому условно их все относят к метеоритам, которые играют главную роль в бомбардировке Земли и других планет Солнечной системы. 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. 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. 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. Повышение интенсивности геологических работ быстро увеличивает количество достоверно установленных астроблем. Сравнение поверхности Земли с космическими снимками Луны 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 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.

Глава.1. Астроблемы

1.1 Метеоритная бомбардировка планет

На снимках Марса, Меркурия, Луны и других небесных тел отчетливо видны многочисленные кольцевые образования - кратеры различных диаметров.В настоящее время большинство исследователей связывают эти структуры с метеоритной бомбардировкой. И действительно, чем, кроме метеоритной бомбардировки, можно объяснить происхождение кратеров - астроблем на спутниках Марса Фобосе и Деймосе. Ведь это - угловатые глыбы размером в первые десятки километров, для которых нельзя допустить процессов вулканизма.

Для Луны, Меркурия и Марса метеоритная бомбардировка очевидна. Кратеры - наиболее распространенная форма рельефа. Они составляют непрерывный по размерам ряд от микроструктур до гигантских бассейнов, имеющих тысячи километров в поперечнике. На безатмосферных небесных телах (Меркурий, Луна, Фобос, Деймос и др.) метеоритные кратеры сохранились в прекрасном состоянии. В отличие от разрушенных и погребенных земных астроблем, на космических изображениях поверхности планет земной группы и их спутников отчетливо видны все детали строения метеоритных кратеров.

Кольцевой вал - насыпная структура, обрамляющая кратер. Как правило, вал асимметричен, так как его внутренний склон круче внешнего. Объем кольцевого вала для метеоритных (импактных) структур обычно составляет 20-40% от объема выброшенной породы.

Днище кратеров имеет различное сечение (плоскодонное, чашеобразное и т. п.); его форма и строение усложняются с увеличением поперечника - днища крупных кратеров осложнены трещинами, рытвинами, буграми, центральными горками. Центральная горка, или центральный пик, образуется в кратерах диаметром от 5 до 50 км. Ее образование объясняется согласно законам механики упругой отдачей пород поверхности - слоистой мишени. В кратерах диаметром более 50 км образуется система центральных кольцевых поднятий.

Импактные структуры более молодого возраста имеют лучшую сохранность. Это правило может быть использовано для относительной датировки кратерированных поверхностей планет земной группы. Степень разрушения кратеров зависит от воздействия внутренних - эндогенных и поверхностных - экзогенных процессов: тектонических деформаций вулканизма, выветривания и т. п. Однако разрушительное действие этих факторов на планетах земной группы незначительно, и кратеры выглядят достаточно "свежими". Было установлено, что скорость разрушения структуры находится в зависимости от ее диаметра: чем меньше структура, тем быстрее она уничтожается. Быстрее всего разрушается рельеф рыхлых выбросов из кратеров.

Изучение снимков поверхности Марса позволило по степени сохранности кратеров выделить и описать четыре их возрастных генерации, названные по наименованиям характерных кратеров - королёвская, ломоносовская, кеплеровская и ньютоновская (рис 1.1). К королёвской генерации отнесены наиболее свежие молодые кратеры хорошей сохранности диаметром преимущественно меньше 30 км. Они имеют резко выраженные валы, относительно гладкие склоны, отчетливые выбросы. Ломоносовская генерация объединяет кратеры размером от 30 до 100 км, подвергшиеся некоторым вторичным изменениям. Валы кратеров достаточно хорошо выражены, но уже сглажены, часто состоят из отдельных фрагментов. Склоны разрушены гравитационными и эоловыми процессами. Выбросы видны достаточно хорошо. К кеплеровской генерации относятся кратеры размером от 100 до 200 км, в значительной степени разрушенные. Их валы представлены отдельными фрагментами, часто образующими не кольцевую, а близкую по форме структуру. Дно кратеров под воздействием эндогенных и экзогенных процессов выровнено. Редко видны останцы центральных горок. Выбросы обычно не сохраняются. К ньютоновской генерации относят почти целиком разрушенные структуры диаметром часто свыше 200 км.

Среди импактных кратеров перечисленных генераций на Марсе установлены ударные структуры-гиганты поперечником до 1800 км. На плоском дне этих впадин, обычно расположенном на 3-4 км ниже среднего высотного уровня планеты, видны лишь отдельные импактные кратеры небольших размеров и хорошей сохранности. Эти депрессии иногда являются вместилищем эоловых накоплений.

Рис 1.1 Метеоритные кратеры Марса различных возрастных генераций. а - королёвской (новейшей), б - ломоносовской (новой), в - кеплеровской (древней), г - ньютоновской (древнейшей)

Обращает на себя внимание определенная закономерность в их расположении на поверхности Марса. Две северные структуры Исида и Хрис находятся примерно на одной широте на границе "океан"-"континент". Два южных талассоида Аргир и Эллада располагаются также на одной широте, но в пределах континентальной части планеты, причем Хрис и Аргир вытянуты по одному меридиану, Эллада и Исида соответственно - по другому, более восточному. В целом же эти структуры расположены по углам огромного прямоугольника. Научного объяснения этот факт пока еще не получил.

Как же возникли талассоиды на Марсе? Вопрос этот очень сложен. С одной стороны, они напоминают гигантские кратеры, для которых можно допускать образование при взрыве метеоритов астероидных размеров - так называемых планетезималей. При этом остаточные массы этих тел, скрытые под базальтовым выполнением и песчаными наносами впадин, явились источниками значительных положительных аномалий силы тяжести - "масконами".

В связи с импактной гипотезой интересно отметить оригинальное предположение американского ученого Г. Максуини. По его мнению, несколько необычных по составу метеоритов, в том числе два недавно найденных в Антарктиде, попали на Землю с Марса. Вероятно, что в Марс врезался и взорвался такой огромный метеорит, куски породы которого в результате мощнейшего взрыва были выброшены за пределы планеты и достигли поверхности Земли. Не являются ли эти "посланцы" с Марса свидетелями образования талассоидов на этой планете?

По другой гипотезе талассоиды - продукт глубинных тектонических преобразований.

На Луне выделяются три возрастных группы импактных структур.

Коперниковская (самая молодая) группа объединяет кратеры с четко выраженными валами высокой степени сохранности, с крутыми внешними и внутренними склонами.

К птоломеевской группе относятся кратеры с валами, достаточно высоко поднимающимися над днищем. Часто валы имеют сложное строение благодаря развитию многочисленных мелких более молодых кратеров. Наряду с плоскими днищами имеются днища сложного строения с отдельными центральными пиками и центральными хребтами.

Структуры доптоломеевской (древней) группы характеризуются сильно разрушенными валами, часто лишь слабо возвышающимися над поверхностью материковых областей. Иногда такие валы только намечены концентрическими грядами и отдельными пологими холмами. В других случаях они расчленены системами гребней, образующими ряд субпараллельных линий. У наиболее крупных древних кратеров имеются обширные плоские днища, частично осложненные более молодыми кратерами.

Большое значение для установления относительного возраста различных поверхностей планет играет плотность кратерирования: чем древнее поверхность, тем большее количество соударений с метеоритными телами она должна была испытать. Таким образом, относительно древняя поверхность на фотографическом изображении той или иной планеты должна выглядеть наиболее интенсивно кратерированной. Используя это правило, на некоторых планетах земной группы удалось выделить разновозрастные структуры.

Луна является хорошо изученным к настоящему времени небесным телом. Отсутствие явных признаков эндогенной и экзогенной активности на ней обусловили хорошую сохранность импактных структур, неравномерное распределение которых показало, что предела насыщения импактные кратеры достигают в древних материковых областях. В молодых морских депрессиях кратерирование минимально. Оценки абсолютного возраста образцов лунных пород показали, что на ее поверхности наряду с молодыми кратерами существуют ударные структуры, возраст которых является весьма внушительным и равен 4,4-3,8 млрд. лет.

На Марсе в основу определения относительного возраста тектонических процессов положены результаты анализа плотности распределения импактных кратеров, их морфологические особенности, сохранность и размеры, а также геологические соотношения различных поверхностей. Используя этот принцип, авторам настоящей работы удалось выделить на этой планете несколько типов поверхностей с четкими границами, в пределах которых кратеры распространены равномерно, и их количество на единицу площади остается постоянным. По аналогии с Луной Марс также на ранних этапах своего развития подвергался интенсивной метеоритной бомбардировке, которая 3,0-3,5 млрд. лет назад сократилась примерно до современного уровня.

Небезынтересно знать, как велись расчеты плотности кратерирования. Под плотностью кратерирования понималось либо количество кратеров определенных диаметров на единицу площади, либо отношение суммарной площади кратеров больше определенного диаметра к площади рассматриваемой поверхности. Наиболее подходящими для подсчета оказались кратеры диаметром от 4 до 10 км на площади 10 млн. км², так как количество их достаточно для статистической обработки, а скорость разрушения не так велика, как у более мелких структур.

Получив значения плотности кратерирования различных поверхностей Луны и других планет, в частности Марса, и значения абсолютного возраста пород Луны, можно, используя сравнительно-планетологический метод, установить абсолютный возраст поверхности Марса.

Метеоритная бомбардировка играет существенную роль на ранних стадиях развития планет. Метеоритные кратеры имеют важное значение для датировки различных структурных поверхностей. Метеоритная бомбардировка является процессом, общим для формирования рельефа поверхности и структуры коры планет земной группы, в том числе и Земли.

Космические снимки Земли показали, что и на нашей планете имеется большое количество кольцевых структур. При их исследовании была установлена одна интересная особенностью, чем древнее изучаемый комплекс пород, тем большее количество кольцевых структур на нем дешифрируется. Многие из них были обнаружены в фундаменте под чехлом рыхлых пород. Особенно много кольцевых структур выявлено на древних платформах - наиболее стабильных областях литосферы. Диаметр этих структур разнообразен и варьирует в широких пределах от сотен метров до десятков и сотен километров. Окончательно вопрос о происхождении многих кольцевых структур на Земле пока еще не решен. Несомненно, что эти структуры имеют различное происхождение. Однако часть их представляет собой разрушенные древние метеоритные кратеры, аналогичные тем, которые повсеместно покрывают поверхности других планетных тел.

Многие исследователи считают, что метеоритная бомбардировка Земли являлась главнейшим процессом на догеологической стадии ее развития. К сожалению, следы этой ранней метеоритной бомбардировки Земли оказались стертыми последующими процессами ее геологического развития - тектоническими движениями, магматизмом и метаморфизмом. Благодаря этому, и в особенности благодаря разрушительному воздействию атмосферы и гидросферы в настоящее время следы метеоритной бомбардировки Земли реконструируются с большим трудом.

Советские геологи и геофизики В. В. Федынский, В. Л. Масайтис, М. В. Селивановская, Б. С. Зейлик, А. И. Дабижа, В. И. Фельдман, А. А. Вальтер и многие другие подробно изучили структуры, образованные на поверхности Земли в результате метеоритной бомбардировки. Эти структуры получили название импактных космогенных, или метеоритных.

Таблица 1.1 Возраст некоторых крупных астроблем.

Различают два типа метеоритных кратеров: ударные - диаметром менее 100 м и взрывные - диаметром более 100 м. Первые являются результатом падения небольшого метеорита; вторые возникают при взрыве после некоторого заглубления метеорита в породы мишени.

Рис 1.2 Схематическая карта астроблем Земли

В настоящее время на Земле установлено около 100 ударных структур, или астроблем, названных так в 1960 г. американским геологом Р. Дитцем. Астроблема в переводе с греческого означает "звездная рана". Распределение астроблем на поверхности Земли неравномерно: в Европе их насчитывается 30, в Северной Америке - 26, Южной Америке - 2, Австралии - 9, Африке - 18, Азии - 14. (рис 1.2). Изученные астроблемы морфологически очень похожи на кратеры Луны, Марса, Меркурия. Они имеют округлую в плане форму, диаметр до 100 км и выявляются по характерному насыпному валу, выступающему в виде возвышенности вокруг воронки, по наличию центрального поднятия - центральной горки, по отчетливому радиально-кольцевому расположению трещин, по присутствию раздробленных пород, следов сотрясений и другим признакам. Однако самым надежным критерием их выделения является обнаружение остатков метеоритного вещества и специфических изменений в породах, происшедших в результате воздействия взрывной волны и высокой температуры при взрыве. Было рассчитано, что при столкновении с горными породами метеоритов, движущихся со скоростью более 3-4 км/с, начальное давление должно равняться 10⁹ Па при температуре 10000° С. Рассчитанное теоретическое время воздействия ударной волны на породу - миллионные доли секунды. За эти мгновения давление резко возрастает. При образовании кратера диаметром 50 км почти мгновенно выделяется энергия, равная 10²² Дж. Естественно, что такая энергия не может оставить без последствий породы мишени. При давлениях от 4*10⁹ до 5*10¹⁰ Па в минералах и породах происходят пластические деформации и твердофазовые переходы, а при нагрузках свыше 5*10¹⁰ Па - плавление и частичное испарение вещества. Все эти термодинамические изменения приводят к серьезным перестройкам горных пород в районе удара.

Как же обнаружить астроблему на поверхности Земли? Ведь в настоящее время эта древняя отрицательная структура разрушена, эродирована и скрыта. В вопросе обнаружения астроблем существенную роль должны сыграть космические снимки, на которых выявлены многочисленные кольцевые образования. Так, например, Б. С. Зейликом по результатам дешифрирования космических снимков и анализу геофизических полей в Казахстане описаны следующие гигантские астроблемы - гиаблемы, требующие дальнейшего изучения: Ишимская (Тенизская) диаметром около 700 км, Прибалхашско-Илийская поперечником также около 700 км, Токрауская - 250 км, Каибско-Чуйская, Джезказганская и др.

О том, как трудно распознать на поверхности Земли ударный кратер, наглядно свидетельствует история изучения Попигайской структуры, расположенной на севере Среднесибирского плоскогорья в басейне р. Попигай - правого притока р. Хатанги. Эта астроблема, диаметр которой достигает 100 км, имеет округлую форму с абсолютными отметками днища 20-80 м и бортами, возвышающимися над днищем на 200 м.

Попигайская структура, открытая геологами в 1946 г., в разное время рассматривалась как грабен, как эрозионная впадина, как вулканический кратер и т. п. Лишь в 1970 г. в результате тщательного анализа полевых исследований и всех имеющихся материалов В. Л. Масайтису и его коллегам удалось обосновать ее метеоритное происхождение. Было доказано, что Попигайская котловина - один из крупнейших на Земле метеоритных кратеров. Северо-восточная и восточная части днища кратера представляют собой сильно заболоченную равнину, а остальная часть днища приподнята и характеризуется расчлененным рельефом. В приподнятых частях днища развиты плоские возвышенности и полукольцевые гряды высотой свыше 250 м. Вдоль западного и северного бортов котловины в 50 км от ее центра выделяются прерывистые цепи возвышенностей, ориентированных параллельно бортам кратера. Структура четко фиксируется в гравитационном и магнитном полях и на космических снимках. В. Л. Масайтис выделяет в Попигайском кратере внутреннюю воронку диаметром около 75 км, заложенную в породах кристаллического фундамента, и внешнюю - диаметром 100 км, расположенную в породах осадочного чехла. Структура обрамлена центробежными разрывами. Породы, изученные в пределах структуры, претерпели глубокие изменения за счет проявления ударного метаморфизма. Они интенсивно раздроблены и переплавлены.

Рис 1.3 Метеоритный кратер Эльгыгытгын. Фото Л. Б. Грановского. Вид с юго-востока

В. Л. Масайтис, исходя из геологической модели кратера, подсчитал примерный объем его расплавленного материала, равный примерно 1750 км³. По данным радиологических измерений, попигайское событие произошло 38,9 млн. лет тому назад.

В центральной части Украинского кристаллического массива, в районе с. Зеленый Гай Криворожской области, была выявлена и намечена к дальнейшему изучению Зеленогайская астроблема, которая относится к разряду достоверных космогенных структур. Эта структура, по данным В. П. Брянского, А. А. Вальтера и Л. М. Фроловой, представляет собой воронку диаметром около 1,5 км глубиной до 0,2 км. В породах воронки выявлены следы ударного метаморфизма. Были обнаружены обломки пузырчатых стекол плавления, установлены конусы разрушения пород и другие признаки.

Рассмотрим еще один ударный кратер Эльгыгытгын, расположенный на Чукотке. В рельефе кратер выражен озером диаметром 15 км и глубиной до 170 м. Озерная впадина имеет округлую форму, обрамлена валом, возвышающимся над уровнем воды на 200-400 м. Кратеру соответствуют отрицательные магнитная и гравитационная аномалии. Породы вала несут явные признаки ударного метаморфизма: содержат оплавленные стекла и высокобарические минералы (коэсит). Датировка калий-аргоновым методом определяет возраст кратера Эльгыгытгын в 3,5 млн. лет. Достоверно установленные талласоиды на Земле неизвестны. Однако некоторые геологи относят к образованиям подобного рода Венгерскую впадину, район Мексиканского залива, Прикаспийскую впадину, район Зондских и Марианских островов и другие регионы, требующие дополнительного изучения. К структурам, также требующим дополнительного изучения, относится Центральнокольский кратер размером 250X150 км, открытый И. А. Нечаевой. Космические снимки Земли свидетельствуют о том, что на поверхности нашей планеты кольцевые структуры представлены в изобилии. Не вызывает сомнения, что часть кольцевых образований имеет импактное происхождение и является продуктом метеоритной бомбардировки. Задача геологов заключается в дальнейшем детальном их изучении и выявлении закономерностей распределения полезных ископаемых, связанных с ударным метаморфизмом. Во всяком случае, так называемые зювиты - породы импактного происхождения из кратера Рис в ФРГ - явились прекрасным строительным материалом. Некоторые исследователи считают также, что крупное месторождение меди и никеля Седбери в Канаде приурочено к древней астроблеме. Это заключение не бесспорно, но необходимо учитывать возможность проникновения по ослабленной зоне коры под крупной астроблемой магматических расплавов и рудоносных растворов.

1.2 Строение астроблем, основные типы импактитов

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.

Рис. 1.1 Астроблема Швайнг (Южная Африка) имеет диаметр 1.2 км.; время ее образования 220 000 лет. Хорошо видны цокольный кольцевой вал высотой 60 м. и уплощенное дно, покрытое глинистыми соленосными отложениями четвертичного периода

Большая часть метеоритных кратеров имеет в плане округлую форму (рис 2.1), 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.

Рис 1.2 Строение метеоритных кратеров (астроблем), разрез : а - общая схема 1-4 импактиты [1- аллогенные брекчии закратерных выбросов ;2 - те же породы внутри астроблемы; 3 - аутигенные брекчии; 4 - расплавные импактиты (тагамиты, стекла, шлаки) ]; 5 - разрывные нарушения; 6 - породы мишени ;б - Беенчиме - Салаатинская астроблема (Россия, Саха - Якутия; диаметр 8,0 км; время образования более 300 млн лет назад) - простой чашеобразный метеоритный кратер: 1- осадочные породы чела Сибирской платформы; 2 - метаморфические породы фундаменты Сибирской платформы; 3 - аллогенные брекчии;4 - аутигенные брекчии, переходящие в подкратерную зону трещиноватости; в - Карлинская астрблема (Россия, Поволжье; диаметр 12,0 км; время образования около 10 млн лет назад) - метеоритный кратер с центральным поднятием: 1- плиоценовые глины (заполняющий комплекс); 2 - породы осадочного чехла Русской платформы (цокольный комплекс);3 - аллогенные брекчии; 4 - аутигенные брекчии, переходящие в подкратерную зону трещиноватости ; г - Попигайская астроблема (Россия, Саха - Якутия;диаметр около 100 км, время образования 35,7 млн лет назад) - сложный метеоритный кратер с центральным и кольцевым поднятием: 1 - породы чехла Сибирской платформы; 2 - породы кристаллического фундамента Сибирской платформы; 3 - зювиты;4 - тагамиты;5 - аллогенные брекчии;6 - аутигенные брекчии, переходящие в подкратерную зону трещиноватости; 7 - разрывные нарушения;

Округлая воронка кратера окружена валом (рис. 1.2), 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 (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. Расплавные импактиты слагают пластообразные тела, а также жилы и дайки, которые секут все виды импактитов, включая нередко и трещиноватые породы мишени, образующие цоколь астроблемы. Брекчии этого цоколя называются аутигенными (неперемещенными) брекчиями в отличие от брекчий насыпного вала, закратерных выбросов и брекчий, залегающих в кратере вместе с расплавными импактитами. Это аллогенные (перемещенные) брекчии. Специфическими образованиями, связанными с импактными событиями, являются тектиты и так называемые катастрофные слои. Тектиты - это мелкие (размерами от первых миллиметров до нескольких сантиметров) стекла, застывшие из брызг импактного расплава, выброшенных в атмосферу на начальной стадии формирования астроблемы (в первые микросекунды) со скоростью, измеряемой многими километрами в секунду, и улетевшие от материнского кратера иногда на сотни или даже тысячи километров. Поверхность этих застекловавшихся капель имеет характерный аэродинамический узор, свидетельствующий о движении с очень высокими скоростями в горячепластичном состоянии через газовую среду. Под катастрофными слоями понимают горизонты осадочных пород, как правило глин, с примесью продуктов ударного метаморфизма - мельчайшими обломками диаплектовых и высокобарических минералов, микросферами импактного стекла (размерами максимум в десятки микрон), очень редко мелкими обломочками метеоритов. Кроме того, для этих слоев характерны повышенные (иногда на порядок и больше) содержания Ir, Ni, Co, Os, изотопные аномалии He, Os, S, C, что указывает на примесь рассеянного метеоритного вещества. Все это говорит о том, что катастрофные слои являются отложениями выбросов в атмосферу тончайшего обломочного материала и пара, возникающих при образовании астроблем. Мощность таких слоев невелика (редко больше 1-2 см) и соответствует расчетному количеству сверхтонких (пылевых) выбросов для кратера диаметром более 100-150 км. при условии, что этот материал более или менее равномерно распределится по поверхности Земли. Характерным примером такого образования является обнаруженный во многих десятках мест на всех континентах слой на границе мелового и палеогенового периодов (около 65 млн лет назад), это так называемая эпоха гибели динозавров. С мел-палеогеновой границей совпадает (по времени) образование четырех крупных кратеров Чиксулуб в Мексике (диаметром 180 км), Кара в России (120 км), Болтышка на Украине (30 км), Мэнсон в США (35 км). Кроме того, этой границе соответствует возраст и нескольких астроблем небольшого размера. Два последних типа импактных образований (тектиты и катастрофные слои) являются ярким свидетельством того, что импактное событие не ограничено возникновением метеоритного кратера, но его воздействие на нашу планету гораздо шире и серьезнее.

1.3 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 /сек. 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 /сек. 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 10^19-10^23 Дж.. Если сравнить эту величину с энергией катастрофических вулканических извержений (1,44 x 10^20 Дж при извержении вулкана Тамбора в 1815 году или 1,81 x 10^19 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 1х10^3 - 1х10^5 сек. 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 1х10^-13 - 1х10^-16 м./сек., а при импактных соударениях 1х10^3 - 1х10^4 м./сек, 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).

Рис 1.1 Изменение ударного давления (Р) и температуры (Т) во время импактного события

Ударное сжатие сменяется разрежением (разгрузкой), которое сопровождается механическим преобразованием породы, ее дроблением и адиабатическим охлаждением вещества. Эти процессы, как видно на рис. 1, 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 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, 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.

Глава 2. Метеоритные кратеры на территории России

2.1 Метеоритные кратеры Сибири и Дальнего востока России

На территории современной России за весь фанерозой (за последние 570 млн. лет) могло образоваться около100 - 200 кратеров диаметром более 10 км. В настоящее время открыто 15 достоверных крупных метеоритных кратеров (рис 2.1) и, хотя наша страна имеет достаточно активную геологическую историю, в результате которой было уничтожено большинство взрывных метеоритных кратеров, можно ожидать, что большое число структур еще ждет своего обнаружения.

Таблица 2.1 Список достоверных и предполагаемых взрывных метеоритных кратеров, расположенных на территории России.

(Рис 2.1). Распределение метеоритных кратеров (красные точки) на территории России. Размеры точек не соответствуют масштабу карты, но примерно пропорциональны размерам кратеров. Плотность размещения кратеров, в общем, отражает стабильность участков земной коры и степень их геологической изученности. Названия предполагаемых метеоритных кратеров помечены синим цветом.

В ряду этих структур особняком стоит гигантский Попигайский кратер (рис. 2.2) с его уникальными обнажениями импактитов. Попигайский кратер выражен в рельефе как округлая депрессия размерами 60 - 75 км с глубиной днища 200 и более метров относительно внешнего борта кратера. Эта котловина покрыта низкорослым лиственничным лесом, тогда как прилегающие окрестности безлесны. Протекающие через котловину реки характеризуются дугообразно-концентрической и радиальной ориентировками долин, наследующими основные черты строения кратера. На космических снимках структура видна как округлое образование сердцевидной формы размером около 60 км, в западной части которой прослеживаются концентрические дуговидные детали, связанные с выходом тагамитов и пород ложа кратера.

(Рис. 2.2). Космический снимок Попигайского метеоритного кратера. Мозаичное изображение синтезировано из полос 3, 2, 1 (приближение к естественным цветам) четырех сюжетов, полученных спутником Landsat 7 (США). Несмотря на то, что по геологическим данным кратер имеет диаметр 100 км, четко выделяется лишь внутренняя часть кратера диаметром около 80 км, имеющая более темный тон благодаря тому, что она поросла лесом. В западном и северо-западном секторах кратера очевидно проявляются выходы истинного дна кратера и расплавных пород (тагамитов).

Кратер образовался в двуслойной мишени, состоящей из плотных кристаллических пород Анабарского щита и перекрывающих их осадочных пород, бывшая мощность которых на месте события оценивается в 800 - 1200 м [Масайтис и др., 1998]. Кристаллические породы относятся к верхнеанабарской и хапчанской сериям (архей - ранней протерозой), выделяемым в северной части Анабарского щита щита общей мощностью 10 - 12 км. В основном они представлены гнейсами и гранито-гнейсами. В составе верхнеанабарской серии преобладают чередующиеся гиперстеновые и двупироксеновые плагиогнейсы и кристаллические сланцы. В хапчанскую серию входят переслаивающиеся биотит-гранатовые, биотит-гранат-пироксеновые, пироксен-гранатовые гнейсы иногда с силлиманитом и кордиеритом, плагиогнейсы, салит-скаполитовые породы, кальцифиры и мрамора. Нередко гнейсы богаты графитом. В раннем протерозое они испытали в том или ином масштабе гранитизацию и смяты в складки северо-западного и субмеридионального простирания. Породы прорваны небольшими телами ультраосновных и основных пород. В перекрывающий чехол входят осадки верхнего протерозоя (красные и красно-серые кварцевые и полевошпат-кварцевые песчаники, кварцито-песчаники, гравелиты и реже конгломераты и нижнего рифея и венда общей мощностью 500 м), кембрийские зеленовато-серые песчаники, гравелиты, конгломераты, глинистые известняки, мергели и доломиты мощностью 80 - 230 м, пермские терригенные осадки мощностью 120 - 230 м, триасовые вулканогенно-осадочные породы мощностью 20-30 м, юрские лептохлоритовые кварц-полевошпатовые песчаники и меловые пески с глинистыми прослоями. Отложения чехла в настоящее время имеют в общем моноклинальное падение на северо-восток которое составляет от 2-3^о у края щита до 30' на северо-востоке. Депрессия перекрыта различными озерными, аллювиальными, ледниковыми и другими осадками.

Аллогенные брекчии, зювиты и тагамиты залегают на ложе из раздробленных пород фундамента и заполняют сложную воронку с максимально глубиной 2 км. Аутигенные брекчии наблюдаются в южном обрамлении кратера и также в виде выступов фундамента в западном секторе кратера, где на поверхность выходит кольцевое поднятие ложа. Аллогенные брекчии в общем подстилают более высокотемпературные зювиты и тагамиты, заполняя понижения в рельефе истинного ложа, или реже находятся внутри импактной толщи в виде неправильных линз. Мелкообломочные брекчии (псаммито-алевритовые) перекрывают импактную толщу, образуя покров в центральной и северной части кратера. Выходы аллогенной брекчии, образованные очевидно низкоскоростными выбросами, встречаются в виде отдельных пятен также вне депрессии, залегая на брекчированных породах внешней зоны кратера, а также и вне кратера на расстоянии до 70 км от его центра.

(Рис 2.3). Схема геологического строения Попигайского кратера по 1 - кристаллические породы верхнеанабарской и хапчанской серий архея; 2 - осадочные породы верхнего протерозоя и нижнего палеозоя; 3 - осадочные и вулканогенно-осадочный породы верхнего палеозоя и мезозоя; 4 - тагамиты; 5 - зювиты; 6 - псаммито-алевритовые брекчии; 7 - аллогенные брекчии; 8 - гребень кольцевого поднятия; 9 - надвиги и сбросы; 10 - разрывные нарушения не установленной морфологии; 11 - центр кратера. По Масайтису и др., [1980, 1998]

(Рис. 2.4). Геологический разрез Попигайского кратера по линии СЗ-ЮВ (см. рис. 2.3). [Масайтис и др., 1998]

Зювиты пользуются наибольшим распространением среди импактитов. Они залегают в основном на аллогенной брекчии, а на кольцевом поднятии и юго-западном борту непосредственно на фундаменте. Суммарная мощность зювитов в центре кратера может превышать 1 км. В верхней части разреза преобладают пепловые и реже лапиллиевые зювиты с преобладанием обломков осадочных пород и в меньшей степенти обломков импактного стекла, тогда как в нижней части разреза широким распространением поользуются зювиты с преобладанием обломков кристаллических пород и импактнрого стекла. Среди зювитов выделяются многочисленные петрографические разновидности. Тагамиты (от реки Тагама в восточной части кратера) состоят из стекловатой или раскристаллизованной в той или иной мере матрицы с включениями фрагментов пород мишени различного размера. Крупные класты размером более первых сантиметров и до первых метров как правило не содержатся в количестве, превышающем первые проценты, тогда как содержание более мелких фрагментов колеблется от 5 % до 30 %. Соотношение осадочных и кристаллических кластов варьирует около значения 1:9. Различаются низкотемпературная и высокотемпературная разновидности. Основными отличиями служат более высокая степень вторичной измененности низкотемпературных тагамитов и более сильное развитие реакционных каемок вокруг фрагментов породи их большее проплавление в высокотемпературных разностях. Тагамиты слагают тела различной формы - субгоризонтальные пластообразные тела, линзовидные, неправильные и ветвящиеся бескорневые тела, дайки и жилы. Наиболее распространены они во внешней воронке, хотя изолированно встречаются в во внешней воронке. Тагмиты составляют примерно 35% от объема зювитов.

Истинное ложе кратера в наиболее глубоких частях прослеживается на глубине 2 км и характеризуется сложным строением - присутствует кольцевое поднятие диаметром 45 км, выходящее на поверхность в западном секторе кратера. Возможно, что существует и центральное поднятие диаметром 10-15 км с амплитудой поднятия в несколько сотен метров. Крутизна кольцевого поднятия варьирует в различных участках от 3^о - 5^о до 30^о, достигая 45^о, внутренний борт кольцевого поднятия более крутой, чем внешний. Кольцевое поднятие обрамлено внешним кольцевым желобом с диаметром по днищу 55 - 60 км и глубиной от 1,2 - 1,5 км на северо-западе до 1,7 - 2,0 км на юго-востоке. Крутизна внешнего склона составляет 10 - 20^о. Рельеф кольцевого желоба осложнен локальными радиальными желобами шириной 10 - 15 км. Снаружи депрессии наблюдается внешняя кольцевая зона террас с хаотично залегающими гигантскими блоками осадочных пород, смещенными по центробежными дугообразными надвигами, взбросо-надвигами, складками, трещинами и др.

Зювиты и тагамиты содержат алмазы, образованные в результате твердофазного преобразования графита кристаллических пород мишени. В результате бурения и других геолого-разведочных работ были найдены большие запасы этих промышленных алмазов. Попигайские алмазы, равно как и алмазы других кратеров, сингенетичны ударному событию. Содержания Ni, Co, Cr в тагамитах превышают содержания в породах мишени, что может быть результатом примеси метеоритного вещества, предположительно обыкновенного хондрита. Так, если концентрации этих элементов в гнейсах составляют соответственно 27, 13 и 80 нг/г, то в тагамитах в они достигают 85, 9 и 110 нг/г с Ni/Co отношением около 10. Ir содержится в тагамитах в количестве 0,1 нг/г при содержании в гнейсах 0,01 нг/г, а в ударных стеклах его концентрация может достигать 4,7 нг/г. Попигайский метеорит, образовавший эту астроблему, мог достигать в диаметре около 8 километров.

Палеогеновый 14-ти километровый кратер Логанча в Восточной Сибири выработан в нижнетриасовых вулканических породах - базальтовых лавах и туфах. Структура сильно эродирована, так что импактные толщи размыты, однако в рельефе она выражена как депрессия глубиной около 500 метров и диаметром 20 км, которая прекрасно просматривается на космоснимках (рис. 2.5).

(Рис. 2.5). Изображение в искусственных цветах района кратера Логанча, синтезированное из полос 7, 5, 4, полученных спутником Landasat 7.

Породы мишени состоят из трапповой нижнетриасовой толщи, подразделяющейся снизу вверх на туфогенный и лавовый комплексы мощностью 400 и 1000 м соответственно, причем туфогенный комплекс содержит прослои песчаников и алевролитов, а также из верхнепермского угленосного образования, сложенного алевролитами с углистыми и глинистыми сланцами и в нижней части - миндалекаменными базальтовыми порфиритами. В рельефе прослеживается центральное поднятие диаметром около 4 км и возвышающееся над днищем на 50 - 70 м. Оно сложено блоками размером в несколько сот метров, падение пород в блоках характеризуется различными углами и азимутами, блоки разделены разрывными нарушениями с субвертикальным падением. Внутри кратера выходы аутигенной брекчии присутствуют повсеместно там, где обнажаются дочетвертичные породы. Аллогенные брекчии наблюдались только в верховьях р. Логанчи и состоят из обломков базальтов размером от первых см до 2-3 м, сцементированных псаммитовым цементом. Упоминается также присутствие зювитоподобных пород. Вероятно, что импактиты кратера были уничтожены в результате интенсивной речной и ледниковой деятельности, увеличившей также и диаметр депрессии в результате размыва ее бортов.